4404138.pdf [Levina Tatyana Borisovna]

..

6000

T

4000

6

4

2

o

-2

o

0.1

0.2

-0.1

8000

6000

4000

E

oS

CIl

~

4

c:

'iij

-c

Iii

0

(J

t:

-2

CIl

>

Figure 5-27: The principal

n1ean annual

water balance

components

for grass root

zone at the elernent scale for all soil types. Frorn the top - down: evapotranspiration

(the surn of transpiration

and soil and canopy evaporation),

runoff, the net moisture

exchange with deeper soil layers (drainage,

if values are positive, or capillary rise,

if

values are negative),

the net lateral exchange in the root zone (positive values imply

rnoisture gain). The dashed curves are hypothetical

and obtained by applying a factor

of cos

(Xv

to the evapotranspiration

for a flat horizontal

surface.

The units of depth

refer to the actual inclined ground surface area.

308

SANDY soil

E100

oS

"~ 90

iV

'5.

80

III

c:

ca

~

70

3000 4000

5000 6000 7000

8000

E

oS

40

r-r---=~--'-~_-_-_~~_-_---'-~

--,-~-~

"~

CJ

Flat element

I

~

o

30

Lo •.~

~

~

..

,.:

..

,

o

iii

lii10 '---~-~-~~-~--'

~

3000 4000

5000 6000 7000 8000

::>

E

100

oS

5

80

~

&.

60

ca

>

CI)

40

'0

III

~

20

....

?rowing season

lD

4000

6000

8000

Irradiance

[MJ

m-

2

year-

1

]

LOAMY soil

20

3000

4000 5000 6000

7000

8000

E

oS

40

c:

.2

Iii

&.

30

ca

>

CI)

"g

20

~

o

iii

lii

10

~

3000 4000 5000 6000

7000 8000

::>

E

oS

140

c:

o

:; 120

o

a.

~

100

CI)

'g

80

~

~

60

4000

6000

8000

Irradiance

[MJ

m-

2

year-

1

]

CLAYEY soil

40

E

oS

30

c:

o

~20

'0.

III

;10

t.

o

3000

4000

5000

6000

7000

8000

E

oS40

c:

.2

Iii

030

a.

ca

>

CI)

'g20

~

o

iii

lii10

~

3000

4000

5000

6000

7000

8000

::>

E

oS

180

c:

o

:; 160

o

a.

~

140

CI)

"g

120

~

~

100

4000

6000

8000

Irradiance

[MJ

m-

2

year-

1

]

Figure 5-28: The mean annual evapotranspiration

fluxes for all soil types. From the

top - down: vegetation transpiration,

under-canopy, and bare soil evaporation

Inois-

ture fluxes (the elelnent scale). The

"+"

symbols indicate the location of nlaxinlum

values. The units of depth refer to the actual inclined ground surface area.

higher vegetation fraction occupied by grass within an element.

Both of the latter

vegetation characteristics

effectively reduce the soil evaporation

losses.

As can be

observed in Figure 5-28, sites with Inaximum values of soil evaporation

do not coin-

cide with the terrain locations that feature maximuln transpiration.

The Inaxilllulll

bare soil evaporation

is constantly

associated with south-facing

slopes that receIve

the highest amount of solar radiation.

The evapotranspiration

fluxes shown in Figure 5-28 are detennined

by both the

site surface irradiance and precipitation,

which are in turn defined by site slope and

aspect. The corresponding distribution

of evapotranspiration

flux with slope is illus-

309

SANDY soil: ET

LOAMY soil: ET

CLAYEY

soil: ET

250

200

150

100

_

50

250

200

150

100 -

-

-

-1- - - - -

Bare soil evaporation

50

during growing season

I-

W

o

o

0.2

0.4

0.6

0.8

o

o

0.2

0.4

0.6

0.8

o

o

0.2

0.4

0.6

0.8

T

;:

0.6 . Tran~piratiori'

.

~

0.5

,.'

....

)... ..

EO.4~

'0

Bare soil evaporation:

c:

0.3

\

.. ':'

.~

0.2

U

~

0.1

0.8

0.2

0.4

0.6

Slope [rad]

0.1

o

o

0.6

0.5

0.4

-a-

North-facing

0.6

-A- East-west-facing

--e- South-facin

0.5

0.4

0.3

.........

0.2

.........

0.1

....

-

,

...

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

0.8

0.2

0.4

0.6

Slope [rad]

o

o

Figure 5-29:

The partition

of the mean annual

evapotranspiration

flux according

to slope 11lagnitude for all soil types.

The top plots illustrate

the mean relative

composition

of evapotranspiration

flux for slopes of all aspects.

The bottonl

plots

show the fractional

weights of evapotranspiration

flux at sites of different

aspects.

The units of depth refer to the actual inclined ground surface area.

311

w

H

N

5

0.115

0.12

0.125

0.13

0135

0 .•~

(a) SANDY soil

w

H

E

N

5

w

H

t305

0.31

N

5

0.315

032

0.325

0.33

0.335

II

(b) LOA:NIY soil

E

E

(c ) CLAYEY

soil

Figure 5-30: A pseudo-spatial

diagram

of the mean growing season root zone soil

moisture shown as a two-din1ensional

interpolated

field in polar coordinates

(all soil

types):

the distance

from the central node represents

site slope and the clock-wise

angle defines site aspect from north

(N-E-S-W).

The data for both the

ex

and

ev

domains are combined.

313

N

W

E

H

S

0.115

0.12

0.125

0.13

0.135

$'8

(a) SANDY soil

N

N

W

E

H

S

0.305

0.31

0.315

0.32

0325

0.33

0.335

I

•

(b) LOANIY soil

W

E

H

S

0.59

0.595

0.6

0.605

0.61

•

(c ) CLAYEY

soil

Figure 5-31: A pseudo-spatial

diagraln

of the mean growing season root zone soil

moisture shown as a two-dimensional

interpolated

field in polar coordinates

(all soil

types):

the distance

froln the central node represents

site slope and the clock-wise

angle defines site aspect from north

(N- E-S- W). The data for both the

ex

and

ev

domains

are combined.

The solid line outlines

the region of relative

favorability,

where the mean growing season soililloisture

of sloped sites is higher than that of a

fiat horizontal

site. The dashed line outlines two regions in which either the energy

(the lower area) or rainfall reduction

(the upper area) plays a more significant role in

the overall dynanlics.

315

0.1

.. '0.305.'

0.31:. 0.315 .. :.0.32"

0'.325'

0.33.

0.335"

0.34' ..

I:

:

[

o

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

Irradlance [MJ m-2 year-I]

0.9

North"

0.6

0.7

0.6

'C

f!

';'

0.5

c-

o

Iii

..

iii

0.4

0.3

0.2

Root zone soil moisture content [-]

. East ..

6500

Figure 5-32: An illustration

of the procedure

used to partition

the pseudo-spatial

diagram of the mean growing season root nloisture

into regions where either rainfall

or solar radiation

dOlninates

in their

relative

contribution.

Site slope is used as

a proxy for rainfall

since

R

cos (Xv is the assulned

precipitation

projection

on the

terrain.

Starting

at a point

0,

corresponding

to a site that exhibits

the maxilnU111

mean soil moisture

on a slope of a given aspect (either N-N-W or N-N-E), a path is

constructed

to a node P: the direction to P corresponds

to an approximate

equality

of the partial

derivatives

a~xot

cos

X

and

a~yot

sin

X,

where X is the site slope

(Xv'

y

is the site global annual shortwave irradiance,

and X is the angle between the path

o

P

and

X

axis.

The path is selected by comparing

the derivatives

for all possible

directions

from the point 0 (illustrated

as the dashed lines).

Once the point

P

is

found, a path

PQ

is constructed

using the same methodology.

317

o

Flat element

--

Higher soil moisture

- - - - - - Higher radiation

-

-

-

Equal contribution

w

N

5

Figure 5-33: A generic partition

of the slope-aspect

soil moisture diagram into the

regions of characteristic

integral effects of energy and water on site favorability for

vegetation.

The region

A

includes slopes and aspects that lead to conditions favorable

for vegetation.

The region

B

corresponds to the area where the incoming solar energy

dOlninates the overall dynamics, which are unfavorable to vegetation outside of the

boundaries

of region

A.

The region C corresponds to the area where precipitation

dominates the overall dynamics, which are unfavorable to vegetation outside of the

boundaries of region

A.

steep slopes, the line approaches the 8-8- E (8-8- W) direction (at the bottonl of the

plot).

As above, the boundary of

B

is illustrated

as an artificially slnoothed curve.

The region C corresponds to the slope-aspect combinations where the precipitation

input dominates the overall vegetation-hydrology

dynalnics.

Outside of the upper

half of the boundary of the region

A,

the rainfall reduction with slope is the nlajor

reason for unfavorable conditions to vegetation.

5.3.2d Characterization

of grass stress

In order to have a better understanding

of grass dynamics, which, as was shown,

are controlled by the local terrain features, the characteristics

of water stress need

to be investigated.

Quantities

based on the crossing properties

of the root water

319

a.) Mean duration

of stress

periods

N

b.)

Mean duration

of favorable

periods

N

E

E

~

MaxANPP

o

Max duration

Flat element

28

s

d.)

Mean moisture

deficit

N

Duration

[day]

22

24

26

ijf#

w

w

E

E

MaxANPP

o

Min duration

@

Flat element

12

c.)

Mean number

of downcrossings

N

[I]

~

Max ANPP

[-]

6-

MaxANPP

7

8

9

10

0

Max number

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0

Min deficit

I

k"'ih

~

@

Flat element

I

~1I

@

Flat element

Duration

[day]

6

8

10

I

~rk4'~!!t4@II~

w

w

Figure

5-34:

The

crossing properties

of the root water

content

during

vegetation

season for sandy

soil type: a.) the mean

duration

of stress periods !::::.T~;b.) the mean

duration

of favorable periods

6.Tc;;

c.) the mean

number

of stress periods

n~;

d.) the

mean

hourly moisture

deficit during

stress periods

!::::.M~.

323

a.) Mean duration of stress periods

N

b.)

Mean duration of favorable periods

N

c.) Mean number of downcrossings

N

E

E

6.

MaxANPP

o

Min deficit

@

Flat element

s

6

6.

MaxANPP

o

Max duration

(9

Flat element

d.)

Mean moisture deficit

N

[-]

0.24

0.26

0.28

0.3

li_

Duration [day]

2

4

W"

W

E

E

6.

Max ANPP

o

Max number

o

Flat element

6.

Max ANPP

o

Min duration

o

Flat element

s

150

5

6

234

[#]

Duration [day]

50

100

I

W

W

Figure

5-35: The crossing properties

of the root water content

during

vegetation

season for

loamy

soil type: a.) the mean duration

of stress periods

f:1Tf.;

b.) the mean

duration

of favorable periods

f:1T,;

c.) the mean number of stress periods

nf.;

d.) the

mean hourly moisture

deficit during stress periods

f:1Mf.'

324

w

a.) Mean duration

of stress

periods

N

E

w

b.)

Mean duration

of favorable

periods

N

E

60

80

100

120

140

~(0t;tI;t::~~'-'

;WI; .~

I

Duration

[day]

s

6.

MaxANPP

o

Min duration

o

Flat element

Duration

[day]

S

6.

MaxANPP

3

4

5

0

Max duration

11

0

Flat element

w

c.)

Mean number

of downcrossings

N

E

w

d.)

Mean moisture

deficit

E

[#]

S

[-]

S

6.

MaxANPP

6.

MaxANPP

2

3

4

5

6

0

Max

number

0.2

0.22

0.24

0

Min deficit

l~

CD

Flat element

WiJ

@

Flat element

Figure 5-36: The crossing properties of the root water content during vegetation

season for clayey

soil type: a.)

the mean duration of stress periods

t1Tf.;

b.)

the

mean duration of favorable periods

t1T,;

c.) the mean number of stress periods

nf.;

d.) the mean hourly moisture deficit during stress periods

t1Mf..

325

SANDY soil

95

90

85

"'~80

I

E 75

~

Q.

70

Q.

Z

<{

65

60

55

4000

5000

6000

7000

8000

Irradiance

[MJ m-

2

year-')

(a)

SANDY soil

60

55

50

N

45

I

E 40

El

Q.

35

Q.

z

<{

30

25

20

LOAMY soil

Base case

o

Max values

4000

5000

6000

7000

8000

Irradiance

[MJ m-

2

year-

1

]

(b) LOAl\IIY soil

45

40

35

N

30

I

E 25

El

Q.

20

Q.

Z

<{

15

10

5

CLAYEY soil

4000

5000

6000

7000

8000

Irradiance

[MJ m-

2

year-

1

)

(c ) CLAYEY

soil

Figure 6-2: The n1ean simulated

Above-ground

Net Primary

Productivity

for the

considered soil types for the scenario with modified projection

of rainfall forcing (ac-

counting for angle

a;):

a.) sandy soil; b.) loamy soil; and c.) clayey soil. The small

black circles denote the data points for the base case scenario.

The large white circles

depict n1aximum ANPP for each considered scenario.

336