Hydrometeorological forecasts and their sensitivity to land cover changes

Abstract

Regional land-atmosphere feedbacks play an important role in the occurrence of extremes in southern South America. However, they are not fully understood. Currently, many atmospheric models have simplified land surface schemes that employ fixed land-cover maps. Then the model does not account for vegetation changes. In this work, we propose the use of Ecosystem Functional Types (EFTs) as a replacement of the conventional land cover types. EFTs are patches of the land surface that exchange mass and energy with the atmosphere in a common way. Since EFTs can be defined from Normalized Difference Vegetation Index on an annual basis, the interannual variability of the surface conditions can thus be identified. Several experiments were done with the Weather Research and Forecasting (WRF) Model. First, the model was carried out for a 11-years period to assess the model proficiency in represent the regional climate with the current parameterizations. Then, WRF simulations with conventional Land Cover Types were compared against simulations with the proposed Ecosystem Functional Types used as lower boundary conditions during the severe Argentine drought of 2008. The overall results show that the use of realistic information of vegetation states enhances the model performance, mainly in precipitation. With the aim to translate the acquired knowledge to practical information, a forecasts and monitoring system is developed. The forecasts skill was evaluated with several scores showing its high prediction ability. Beyond the scores, the users value positively the utility of the system in their own activities.

Las interacciones suelo-atmósfera juegan un rol importante en la ocurrencia de extremos en el sur de Sudamérica. Sin embargo, las mismas no son completamente comprendidas. Actualmente, muchos modelos atmosféricos usan esquemas simplificados de superficie del suelo con mapas de cobertura fijos, sin considerar los cambios en la vegetación. En este trabajo se propone usar Tipos Funcionales de Ecosistemas (TFEs) como reemplazo de los tipos de cobertura convencionales. TFEs son parcelas de superficie que intercambian masa y energía con la atmósfera de manera homogénea. Dado que las TFEs se definen a partir del Indice Verde Normalizado en base anual, la variabilidad interanual de las condiciones de la superficie puede ser identificada. Se realizaron varios experimentos con el modelo Weather Research and Forecasting (WRF). Primero, el modelo se corrió por un período de 11 años analizando la capacidad del modelo para representar el clima regional con las parametrizaciones actuales. Luego, simulaciones utilizando los tipos de cobertura convencionales fueron comparadas con simulaciones que usan los Tipos Funcionales de Ecosistemas como condiciones de borde inferiores, durante la sequía severa de 2008 en Argentina. Los resultados generales muestran que el uso de información realista del estado de la vegetación realza la capacidad del modelo, principalmente en precipitación. Con el objetivo de traducir el conocimiento adquirido en información práctica, se desarrolló un sistema de pronóstico y monitoreo. La habilidad del pronóstico se evaluó con diferentes estadísticas que mostraron una alta capacidad predictiva. A su vez, los usuarios valoran positivamente la utilidad del sistema en sus actividades.