Towards the representation of groundwater in the Joint UK Land Environment Simulator
Towards the representation of groundwater in the Joint UK Land Environment Simulator
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致力于在英国联合土地环境模拟器中表示地下水
DOI：
10.1002/hyp.13767
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发表时间：
2020
影响因子：
3.2
通讯作者：
Batelis S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Batelis S
地下水是水文循环的重要组成部分，与土壤水文过程有着重要的相互作用。最近的研究表明，将地下水水文学纳入陆面模型（LSMs）大大改善了对水成分分配的预测（例如，地表径流和蒸散）。然而，联合王国土地环境模拟器（JULES），在英国开发的LSM，还没有一个明确的表示地下水。我们提出了一个简化的地下水流边界参数化（JULES‐GFB）的实现，它取代了默认模型（JULES‐FD）中原始的自由排水假设。我们使用两个合成实验在各种土壤类型的受控环境下测试了这两种方法：（1）单柱和（2）倾斜V形集水区，使用三维（3-D）水文模型（ParFlow）作为JULES性能的基准。此外，我们将新的JULES‐GFB模型应用于英国的一个区域，其中地下水是径流产生的关键因素。在单柱入渗实验中，JULES‐GFB与JULES‐FD相比，在不同初始地下水位深度下，几乎所有土壤类型（粗粒土除外）的土壤水分动态都有所改善。在倾斜V形集水实验中，JULES‐GFB成功地代表了饱和和非饱和储水量的动态和量级。JULES‐GFB产生的横向水流约为基准产生的水流的50%，而JULES‐FD完全忽略了这一过程。在区域域应用中，总径流模拟的Kling‐Gupta效率（KGE）从JULES‐FD的0.25平均提高到JULES‐GFB的0.75。实际蒸散量相对于全球陆地蒸发阿姆斯特丹模型（GLEAM）产品的平均偏差从-0.22毫米/天改善到-0.01毫米/天。我们新的JULES‐GFB实施提供了一个机会，以更好地了解地下水水文学主导的地下和陆地表面过程之间的相互作用。
Groundwater is an important component of the hydrological cycle with significant interactions with soil hydrological processes. Recent studies have demonstrated that incorporating groundwater hydrology in land surface models (LSMs) considerably improves the prediction of the partitioning of water components (e.g., runoff and evapotranspiration) at the land surface. However, the Joint UK Land Environment Simulator (JULES), an LSM developed in the United Kingdom, does not yet have an explicit representation of groundwater. We propose an implementation of a simplified groundwater flow boundary parameterization (JULES‐GFB), which replaces the original free drainage assumption in the default model (JULES‐FD). We tested the two approaches under a controlled environment for various soil types using two synthetic experiments: (1) single‐column and (2) tilted‐V catchment, using a three‐dimensional (3‐D) hydrological model (ParFlow) as a benchmark for JULES’ performance. In addition, we applied our new JULES‐GFB model to a regional domain in the UK, where groundwater is the key element for runoff generation. In the single‐column infiltration experiment, JULES‐GFB showed improved soil moisture dynamics in comparison with JULES‐FD, for almost all soil types (except coarse soils) under a variety of initial water table depths. In the tilted‐V catchment experiment, JULES‐GFB successfully represented the dynamics and the magnitude of saturated and unsaturated storage against the benchmark. The lateral water flow produced by JULES‐GFB was about 50% of what was produced by the benchmark, while JULES‐FD completely ignores this process. In the regional domain application, the Kling‐Gupta efficiency (KGE) for the total runoff simulation showed an average improvement from 0.25 for JULES‐FD to 0.75 for JULES‐GFB. The mean bias of actual evapotranspiration relative to the Global Land Evaporation Amsterdam Model (GLEAM) product was improved from −0.22 to −0.01 mm day−1. Our new JULES‐GFB implementation provides an opportunity to better understand the interactions between the subsurface and land surface processes that are dominated by groundwater hydrology.
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