giacomo bertoldi seminar_30_padova_08

65
Eco-hydrological modeling in a mountain laboratory: the LTSER site Matsch/Mazia Bertoldi G., Cordano E., Brenner J., Notarnicola. C., Niedrist G., Tappeiner U. Workshop on coupled hydrological modeling, 2324 September 2015, University of Padova, Italy.

Upload: coupledhydrologicalmodeling

Post on 23-Jan-2017

264 views

Category:

Education


0 download

TRANSCRIPT

Eco-hydrological modeling in a mountain laboratory: the LTSER site Matsch/Mazia

Bertoldi  G.,  Cordano  E.,  Brenner  J.,  Notarnicola.  C.,  Niedrist  G.,  Tappeiner  U.  

Workshop  on  coupled  hydrological  modeling,    23-­‐24  September  2015,    University  of  Padova,  Italy.  

Outline  Overview  of  the  research  area  and  of  the  collected  data      Modelling  approach:      the  GEOtop  2  -­‐  DV  model.    

Applica=ons  :    1.  Plot  scale  experiment    Modelling  snow,  soil  moisture,  ET,  biomass    along  an  elevaOon  gradient.        2.  Catchment  scale  applica=on    Modelling  impacts  of  climate  change  on  snow,  evapotranspiraOon  and  soil  moisture  spaOal  paPerns.          3.  Comparison  with  remote  sensing  data      EsOmaOon  of  soil  moisture  paPerns  by  means  of  SAR  images.      

Discussion:      Limita=ons  and  uncertain=es  of  the  results.                                                Opportuni=es  hydrological  modelling  in  mountain  areas.  

Matsch/Mazia,  Vinschgau,  South  Tyrol,  Italy  

3  

Area:  ca.  100  km2.        AlOtudinal  range:  920–  3738  m  a.s.l.    Mean  annual  precipitaOon  

(Mazia,  1580  m  a.s.l.):  525  mm  

Matsch  |  Mazia  A  dry  inneralpine  valley    

4  

low  precipitaOon  

human  land-­‐use  

closed  catchment      

alOtud

inal  transect  Eco  hydrological  monitoring  since  2009,  LTSER  since  2015  

Research  topics  

5  

climate change & elevation

evapotranspiration soil moisture dynamics

water and runoff

agriculture productivity

land use change ecosystem services

biodiversity

snow and ice

grasslands and forest ecosystems

Alps  

Ecosystem  

Plot  

Global  

Future  History   Present  

Region                                                      

5  research  sites  

4.  Saldur/Saldura  river  

3.  Saldur/Saldura  catchment  network  

                           

5.  Glacierforefield  of  Weisskugel/Palla  Bianca  

1.  Muntatschinig/  Monteschino    

In  collabora=on  with:    University of Bolzano  Hydrographic  Office  (Province  BZ)  Biological  Laboratory  (Province  BZ)  Chemical  Laboratory  (Province  BZ)    

In  collabora=on  with:    Hydrographic  Office  (Province  BZ)  University  of  Bolzano  University  of  Padova  University of Innsbruck (AT)  

In  collabora=on  with:    University  of  Innsbruck  (AT)  BoKu  Vienna  (AT)  Duke  University  (USA)  

In  collabora=on  with:    University of Innsbruck (AT) Forest  department  (Province  BZ)    

LTER  Matsch/Mazia:  Major  research  sites  

2.  Al=tudinal  transect  of  Matsch/Mazia  In  collabora=on  with:    University  of  Innsbruck  (AT)  IRSTEA  Grenoble  (FR)  

2000m  

1500m  

1000m  

ΔT~  3.5K  

ΔT~  3.5K  

T  P  

Matsch  |  Mazia  7  

-20 permanent micro-climate. stations, soil moisture. -2 eddy covariance stations. -3 gauge level/temp. measure points. -5 SAP flow measurements points. -5 weighting lysimeters

Site  infrastructure  

Micro-­‐climate  staOons  

Data  recorded  intervalic  

8  

Soil determinations and analyses

Water quality analyses

Vegetation transplantation experiments

Vegetation surveys and biomass estimation

Diversity analyses

Mapping  and  spaOal  data  

Mapping of soil moisture: ground spatial campaigns, remote sensing (SAR, thermal, UAV).

Mapping of vegetation/landuse: current and hystorical changes.

Mapping of soil type / properties.

ApplicaOon  1:  modelling  along  an  elevaOon  gradient  Mo=va=on    •  Mountains  Region  are  considered  parOcularly  vulnerable  to  CC  1,          esp.  considering  the  alteraOons  of  the  water  cycle  2    

•  In  dry    inner-­‐alpine  regions,  managed  grasslands  are  irrigated.  Climate  change  raises  issues  about  future  water  availability.    Which  are  the  effects  of  the  eleva=on  gradient  on  water  budget?  (SWE,  SWC,  ET)  and  grassland  produc=vity  ?      Della  Chiesa  et  al.,  Modeling  changes  in  grassland    hydrological  cycling    along  an  eleva6onal  gradient  in  the  Alps,  Ecohydrology,  2014  

       

 

.  

1  Bruneb  et  al.  (2006).  Temperature  and  precipitaOon  variability  in  Italy  in  the  last  two  centuries  from  homogenised  instrumental  Ome  series.      InternaOonal  Journal  of  Climatology,  26(3),  345–381.    

2  Bates  et  al.  (2008).  Climate  Change  and  water.  IPCC  Technical  Paper  VI  (p.  214).  Geneva,  Switzerland:  IPCC  Secretariat.  Retrieved  from  hPp://www.ipcc.ch        

An  experimental  elevaOon  transect  

Eleva=on  as  a  proxy  of  climate  change  

Sta=on    B2000  m  Hs,  SWC,    Biomass,  GAI  

Sta=on  B1500  m  Hs,  SWC,    Biomass,  GAI,ET  

Sta=on  B1000  m  Hs,  SWC,    Biomass,  GAI  

ΔT~  3.5K  

ΔT~  3.5K  

The  GEOtop  2.0    –  DV    model  

LW a tm↓ V

D0V

I

LW s ur r↓ 1−V( )

SWs ur r↓ 1−V( )

εsσTs4

Short waveradiat io n ( yell ow )Lo ngwave radiat io n( red )

SW r ef l

Complex  topography  

Bertoldi  et  al.,  J  of  Hydromet,  2006.  

s  Snow  module  

Endrizzi  et  al.,  GMDD,  2014  Zanob  et  al.,  Hydrol  Proc,  2004  

Water  budget  

Rigon  et  al.,  J  of  Hydromet,  2006.  

Figures  adapted  from    VIC  model  (Liang  et  al.,  1994)  

Energy  budget  

Bertoldi  al.,  Ecohydrol,  2010.  

Vegeta=on  dynamics  

Della  Chiesa  et  al.,  Ecohydrol.,  2014  

 From  SHE  model  (Abbot  et  al.,  1986)  

TRIBS-­‐VEGGIE  FaOchi  et  al.,  2012  Montaldo  et  al.,  2005  Eagleson,  2002    

Alpine3D,  Lenhing  et  al.,  2006  CROCUS,  Brun  et  al.,  1992  SNTHERM,  Jordan,  1991    

CLM,  Dai  et  al.,  2003  SEWAB,  Megelkamp  et  al.,  1999  Noah  LSM,  Chen  et  al.,  1996,  LSM,  Bonan,  1996  BATS,  Dickinson  et  al.,  1986,    

Corripio,  2010.  Erbs  et  al.,  1983.  Iqbal,  1981.    

tRIBS,  Ivanov  et  al,  2004  Cailow,  Zehe  et  al.,  2001  InHM,  VanderKwaak,  and  Loague,  2001  WaSim-­‐ETH,  Shulla  1997  Hydrogeosphere,  Therrien  and  Sudicki,  1996  Parflow,  Asby  an  Falgout,  1996  Cathy,  Paniconi  and  Pub,  1994  DHSVM,  Wigmosta  et  al.,  1994  SHE,  Abbot  et  al.  1986  Freeze  and  Harlan,  1969    

Coupling  GEOtop  2.0    with  a  DV    model  

Rigon  et  al.,  JHM,  2006;    Endrizzi  et  al.  GMDD,  2014.  

Processes  

Dynamic vegetation model (for grasslands)  

From  Montaldo  et  al.,    2005;  Della  Chiesa  et  al.,  2014  

ElevaOon  gradient:  validaOon  

MulOple  variables  validaOon:  SWE,  SWC,  above  ground  biomass  (Bag),  ET  

Two  years  of  data:  calibra=on  in  B1500,  valida=on  in  B1000,  B2000  

B200

0  m  

B150

0  m  

B100

0  m  

Snow  Height  [cm]   SWC  5cm  []   ET  [mm]  

Not  Measured  

Not  Measured  

r2=0.66  RMSE=7.1  

r2=0.57  RMSE=5.9  

r2=0.55  RMSE=2.9  

r2=0.80  

r2=0.78  

r2=0.82  

Bag  [gDMm-­‐2]  

RMSE=0.04  

RMSE=0.05  

RMSE=0.04  

r2=0.93  RMSE=58.39  

Simula=on  extension  to  20  year    

Coupling  snow  –  veg  –  ET  -­‐  SWC   Water  limitaOon  below  1500  m  

SWC  along  the  year  

SWC  []  

2000  m

 1500  m

 1000  m

 

SWC  along  the  year  

Water  source  

Water  sink  

CriOcal  elevaOon  

ElevaOon  gradient:  soil  moisture  and  ET  

ElevaOon  gradient:  implicaOons  at  catchment  scale  

It  exists  a  cri=cal  eleva=on  below  which  most  of  the  precipitaOon  is  used  for  ET.  Will  climate  change  move  this  cri=cal  eleva=on  upward?        

2000  m

 1500  m

 1000  m

 

SWC  along  the  year  

ApplicaOon  2:  modelling  impacts  of  CC  in    Venosta    

Downscaling  of  RCMs  to    Venosta  Valley    

Mapping  cri=cal  varia=ons  in  water  budget  (ET,    SMC,  snow)  

Hydrological  experiment  along  an  elevaOon  gradient  as  proxy  of  CC  (Mazia,  Venosta)  

ApplicaOon  2:  impacts  of  CC  on  sinw  ET  and  SWC  Research  ques=ons    

 Which  are  the  major  impacts  of  CC  on  snow,  evapotranspira=on,    soil  moisture  in  a  dry  alpine  valley?    How  to  iden=fy  the  most  vulnerable  areas  in  terms  of    topography/land  cover?    Which  are  the  major  uncertain=es?      Main  issues    

Complex  topography  à  scale  vs.  computa=onal  effort    Model  parameteriza=on,  boundary  condi=ons    Brenner.,  Modeling  impacts  of  climate  change  on  evapotranspira6on    and  soil  moisture  spa6al  paTerns  in  an  alpine  catchment,  Thesis,  2014.  

       

 

.  

    ApplicaOon  2:  Study  Area  

Venosta  Valley,  Upper  Adige  River  1000  km2  

   •  RCM  ensemble  based  on  SRES  A1B  (ESEMBLES  

project)1  

•  Ctrl:  1990-­‐2010,  Scen2100:  2080-­‐2100  

•  ∆  approach  (30  day  moving  average)    

•  ∆  change  signals  at  daily  scale  for  air  temperature  and  precipitaOon  

Downscaling  Technique  

TopoSUB  Tool  

GEOtop  Model  

Simula=on  set-­‐up  

1  Van  der  Linden,  P.,  &  Mitchell,  J.  (2009).  ENSEMBLES:  Climate  change  and  its  impacts  at  seasonal,  decadal  and  centennial  6mescales  (p.  160).  Exeter,  UK.      Retrieved  from  hPp://ensembles-­‐eu.metoffice.com/docs/Ensembles_final_report_Nov09.pdf      

ApplicaOon  2:  Methods  

   

Downscale  Technique  

TopoSUB  Tool  

GEOtop  Model  

Simula=on  set-­‐up  

1  Fiddes,  J.,  &  Gruber,  S.  (2012).  TopoSUB:  a  tool  for  efficient  large  area  numerical  modelling  in  complex  topography  at  sub-­‐grid  scales.      Geoscien6fic  Model  Development  Discussions,  5(5),  1245–1257.    

2  HarOgan,  J.  A.,  &  Wong,  M.  A.  (1979).  A  K-­‐Means  Clustering  Algorithm.  Journal  of  the  Royal  Sta6s6cal  Society.  Series  C  (Applied  Sta6s6cs),  28(1),  100–108.    

Clustering  

• sampling  of  most  important  aspects  of  land  surface  heterogeneiOes  and  land  cover  

• K-­‐Means  clustering  algorithm  2  • based  on  20m  grids  

GEOtop  • 1-­‐dimensional  simulaOons  for  cluster  centroids  

Mapping  • Crisp  memberships  

ApplicaOon  2:  Methods  

   

Downscale  Technique  

TopoSUB  Tool  

GEOtop  Model  

Simula=on  set-­‐up  

•  GEOtop  model  

•  DistribuOng  meteorological  input  

•  Energy  and  mass  conservaOon  

•  Soil  volumetric  water  content  

•  Actual  evapotranspiraOon  

•  Snow  accumulaOon  &  melt    •  ApplicaOon  in  mountain  areas  

1  Rigon  et  al.  (2006).  GEOtop:  A  Distributed  Hydrological  Model  with  Coupled  Water  and  Energy  Budgets.  Journal  of  Hydrometeorology,  7(3),  371–388.  2  Endrizzi  et  al.  (2014).  GEOtop  2.0:  simulaOng  the  combined  energy  and  water  balance  at  and  below  the  land  surface  accounOng  for  soil  freezing,      snow  cover  and  terrain  effects.  Geoscien6fic  Model  Development  6(4),  6279–6341.    

ApplicaOon  2:  Methods  

   

Downscale  Technique  

TopoSUB  Tool  

GEOtop  Model  

Simula=on  set-­‐up  

•  SimulaOon  calibraOon/performance  •   2010/2011  (AlOtudinal  Transect)  

• MulOple  Point  SimulaOon  (300  cluster  centroids)  •  baseline  simulaOon  1990-­‐2010  •  7  scenario  simulaOon  2080-­‐2100  

ApplicaOon  2:  Methods  

   

scen2100   DJF   MAM   JJA   SON  

∆P  (%)   +14   +1.7   -­‐13   +16  

∆T  (°C)   +3.1   +3.3   +4.2   +3.2  

ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Projec=ons  for  the  Venosta  Valley  

   

       Baseline  SimulaOon                ∆%  (scen2100-­‐ctrl)  

ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Snow  Cover  Dura=on  

   

       Baseline  SimulaOon                ∆abs  (scen2100-­‐ctrl)  

ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Actual  Evapotranspira=on  

   

                           ∆abs  (scen2100-­‐ctrl)  

Change  in  M

ean  An

nual  ETA

 (mm)  

Aspect  

Forest:  South-­‐east  Major  impact  

Pasture:  East  

Bare  Soil:  South-­‐east  

Grassland  &  Agriculture:  No  effect  of  aspect  

ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Actual  Evapotranspira=on  

    ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Actual  Evapotranspira=on  

4      14  +  250%  

 48          69  +  43%  

131          149  +  12%  

53      62  +  17%  

    ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Soil  Mositure–  Severe  Water  Stress  

CriOcal  soil  moisture  level  is  refered  to  plant  available  water  

1

1  Jasper  et  al.  (2006).  Changes  in  summerOme  soil  water  paPerns  in  complex  terrain  due  to  climaOc  change.  Journal  of  Hydrology,  327(3-­‐4),  550–563.        

    ApplicaOon  2:  Results  Climate  Change  Impact  –  Soil  Water  Content  –  Severe  Water  Stress  

    ApplicaOon  2:  Conclusions  

Conclusions    

•  General  decrease  in  snow  cover  duraOon  (max  9  weeks),  which  drives  major  increase  in  evapotranspira=on  in  winter  and  spring  (+25%).  

•  LiPle  decrease  of  catchment-­‐averaged  soil  moisture  (except  for  some  rainfall  scenarios).  

•  Specific  sites,  which  are  already  characterized  by  water  stress,  show  an  increase  in  drought  days  (esp.  pastures  and  forests  ~  1500  m  a.s.l.).  

    Major  uncertainOes  and  perspecOves  

Clima=c  scenarios    

•  Temperature  -­‐>  Depends  on  concentraOon  scenarios  (IPPC,  2013)*  •  PrecipitaOon  -­‐>  No  clear  trend.  RCMs  do  not  reproduce  local  climatology.  •  No  info  on  trends  of  air  humidity,  wind,  radiaOon  (clouds).  

Hydrological  model  (GEOtop  2.0)    

•  ComputaOonal  limitaOons  (full  3D    vs.  1D)  for  soil  water  distribu=on  and  runoff  simulaOon.  

•  Full  dynamic  vegetaOon  and  glaciers.  •  Land  cover  scenarios.  

Data  availability    

•  PrecipitaOon  in  high  elevaOon  regions  (>  2000  m)  (Mair  et  al.,  2013)**  •  InformaOon  on  soil  properOes  (IRKIS).  

*IPPC  (2013).  Climate  Change  2013:  The  Physical  Science  Basis.  IPCC  Working  Group  I  ContribuOon  to  AR5.  **    Mair,  et  al..  (2013).  ESOLIP;  esOmate  of  solid  and  liquid  precipitaOon  at  sub-­‐daily  Ome  resoluOon  by  combining  snow  height  and  rain  gauge  measurements.  Hydrology  and  Earth  System  Sciences  Discussions,  10(7),  8683–8714.      

    Summer  2015  

Courtesy  od  Andrea  Debiasi,  27  Luglio  2015  

ApplicaOon  3:  remote  sensing  of  soil  moisture  Mo=va=on    Limited  availability  of  reliable  soil  moisture  high  resoluOon  products  on  mountain  areas.      Heterogeneity  in  soil  type,  land  cover,    topography  limits  distributed  models  parameteriza=on.    How  far  can  SAR  remote  sensing  help  for  improving  modelling  surface  soil  moisture    in  mountain  grassland  areas?    

         Bertoldi,  G.,  et  al.  Es6ma6on  of  soil  moisture  paTerns    in  mountain  grasslands  by  means  of  SAR  RADARSAT2  images  and    hydrological  modeling.  J.  Hydrol.  (2014)  

   

RADASAT2  SAR    

Distributed  models  are  “hungry”  of  spa=ally  distributed  informa=on1  

1Grayson  et  al.,  1998  

Soil  moisture:  observaOons  

Fixed  Sta=ons  

Field  surveys  

Mazia,  South  Tyrol,  Italy  ~  100  km2  

RADASAT2  SAR  images  20m  res  

Surface  SWC  retrieval  (SVR  Pasolli  

et  el.,  2011)  

Ground  observaOons:  mobile  surveys  

•  Monitoring  SMC  spa=al  paserns  at  hillslope  scale;  •  Survey  planned  to  map  land  cover/topographic  features;  •  Good  correspondence  with  staOon  values.  

•  More  than  10  surveys  between  2010  and  2014;  •  More  than  1000  points  with  mobile  Delta-­‐T  wet  sensor  (TDR)  0  –  5  cm  depth;  

10  %  50  %  

SWC  

Remote  sensing:  SAR  datasets  RADARSAT2  images:  

•  Fully  polarimetric  images  (HH,  HV,  VH,  VV)  and  dual  pol  (HH-­‐HV)    

•  5.5  cm  wavelength  (C-­‐band  radar)  •  Almost  all  images  with  45°nominal  incidence  angle  

•  Final  spaOal  resoluOon  20x20  m2  

(RADARSAT-­‐2  Data  and  Products©  MacDonald,  DeTwiler  and  Associates  Ltd.  (2010)  –  All  Rights  Reserved)  

Data   Period   Number  RADARSAT2   2010-­‐2011,  2013-­‐2015   Un=l  now  20  ASAR  WS   2005-­‐2012   Un=l  now  analyzed  

around  200  images  

ASAR  WS:  

•  Mainly  VV  pol.  •  5.5  cm  wavelength  (C-­‐band  radar)  •  Ascending  nd  descending  •  Final  spaOal  resoluOon  150x150  m2  

Methodological approach

GEOtop  Model  (Rigon  et  al.,  2006)  

Support  Vector  Regression    (Pasolli  et  al.,  2011)    

gsr QQQETPt

SMC−−−−=

ET Qr

Qr Qs

Qs

Qg

P

Mass  and  enegy  budget  

3D  Richard    3D  

equa=ons  

SMC  es=ma=on  @  5cm    

HH HV

NDVI Modis

Elev.DEM

Land use

Radarsat polarizationsFeatures

SMC observations

Target

SVRParam.

SVRRegression

Analysis

SVRMap Estimation

Estimated SMC

Estimation Training

GEOtop  validaOon  in  staOons  locaOons  Model  validated  for  SMC  for  staOons  located  both  in  pastures  and  irrigated  meadows  

Bias -0.047 m3/m3

RMSE 0.054 m3/m3

Bias -0.016 m3/m3

RMSE 0.041 m3/m3

SAR  SMC  validaOon  

Grassland Pasture Total

RMSE 4.05 1.68 2.68

R2 0.56 0.75 0.79

Slope 0.56 0.70 0.78

Intercept 7.15 2.3 2.26

Outcome:  1.  The   proposed   es:ma:on   system   is   effec:ve   in   handling   the  challenging  soil  moisture  retrieval  problem  in  Alpine  areas.  

2.  Mul:ple   polariza:ons   and   ancillary   data   are   needed   to   disentangle  the  effects  of  local  scale  vegeta:on  and  roughness.  

RADARSAT 2 ASAR WS

R2=0.89  R2=0.88  

ValidaOon  on  a  different  ground  observaOons  subset  

Soil  moisture:  Radarsat  2  maps  

Wettest locations are along the valley bottom and in irrigated areas. Driest locations are south-facing low elevation pastures.

Soil  moisture:  spaOal  comparison  

Results:  Radarsat  –  GEOtop  differences  

•  Major  differences  in  in  irrigated  meadows;  •  Too  coarse  scale  model  soil  and  land  cover  parameterizaOon.  

•  Radarsat  captures  the  small  scale  variability  related  to  land  cover/irrigaOon    

What  controls  the  observed  SMC  paPerns?  

Coupling  between  (surface)  soil  type  and  land  management.    

 Model  helps  to  understand  physical  reasons  of  observed  paserns.  

Topography, soil type or land use?

SAR  soil  moisture  esOmaOon:  conclusions  

Modelling:  GEOtop  +  conOnuous  spaOal  and  temporal  coverage;  +  good  capability  to  capture  temporal  paPerns;  -  limitaOons  due  land  cover  /  soil  /  irrigaOon  parameterizaOon.  SAR:  RADARSAT  2  +  good  capability  to  capture  fine  scale  spaOal  paPerns;  +  strong  signature  of  land  cover  /  vegetaOon  /  irrigaOon  paPerns;  +  High  spaOal  resoluOon,  limited  temporal  coverage;  -  Possible  ambiguity  due  soil/land  cover  coupling;  -  limited  to  surface  layer  (~5  cm)  and  grassland  areas.  

PerspecOves:  toward  an  integraOon  strategy  …  temporal  

Possible  integra=on  strategy:    temporal  driving  from  the  model,  spaOal  paPerns  SAR  imaging  

Average  and  std  ASAR  and  GEOtop  SMC  

Toward  an  integraOon  strategy  …  spaOal  

ASAR   GEOtop  

Use  model-­‐derived  data  as  addiOonal  input  feature  for  a  SVR  approach  in  areas  where  limited  ground  truth  is  available.  

Overall Conclusions

Experimental  observa=ons  

Experimental  design  

Models  valida=on    parameteriza=on  

Process  understanding  

Eco-­‐hydrological  modelling  

ET

2 W/m2

286 W/m2

Come  and  visit  us,    we  are  waiOng  for  you  J  

Matsch  |  Mazia   49  

Our data need modellers !

Acknowledgments    

 This  study  is  supported  by  the  projects  “and  “HydroAlp”  and  “HiResAlp”  financed  by  Provincia  Autonoma  di  Bolzano,  Alto  Adige,  Ripar=zione  Diriso  allo  sudio,  Università  e  ricerca  scien=fica.  

 

We  hereby  would  like  to  thank:    

M.  Dall´Amico,  Mountaneering  s.r.l.  S.  Endrizzi,  University  of  Zurich.  R.  Rigon,  University  of  Trento.  

G.  Wohlxart,  University  of  Innsbruck    

Thank  you  for  your  aGen:on!  

   

Opportunites  and  challenges  

Ø Using  physically  models  in  real  contexts  is  someOmes  more  Ome-­‐consuming  than  doing  real  experiments.  

Ø  A  deep  knowledge  of  the  system  is  needed  for  set-­‐up  proper  assumpOons  in  model  parameterizaOon  (a  lot  on  unknown  informaOon).  

Ø   Great  tools  for  tesOng  hypotheses  and  generalize  results.  

Opportunites  and  challenges  

Ø  The  parOcularly  dry  area  represents  a  unique  chance  to  study  climate  change  allowing  predicOons  of  future  climate  on  mountain  ecosystems.  

Ø  The  eleva=on  transect  allows  for  experimental  and  numerical  invesOgaOon  on  effects  of  elevaOon  on  eco-­‐hydrological  processes.    

Ø  The  site  allows  interdisciplinary  observaOons  of  relevant  eco-­‐hydrological  processes  in    a  human-­‐influenced  mountain  region.    

Ø  The  climaOc  condiOons  of  Val  Mazia  may  allow  interesOng  comparisons  among  different  mountain  sites  of  the  MRI  /  LTER  network.    

Ø  Chance  to  be  part  of  a  well  organized  and  good  structured  scien=fic  network.  

   

ElevaOon  gradient:  results  B2

000  m  

B150

0  m  

B100

0  m  

Coupling  snow  –  veg  –  ET  -­‐  SWC  

SWC  along  the  year  

IrrigaOon  below  1500  m  

GEOtop validation in stations locations Model  validated  for  SMC  for  staOons  located  both  in  pastures  and  irrigated  meadows  

Study  Area:  meadows  

57

Mazia  Valley,  South  Tyrol,  Italy    Meadows  Up  to  ~  1700m  a.s.l.  Intensively  managed:  

 -­‐  cubng    -­‐  manuring    -­‐  irrigaOon  

Homogenous  soil  surface  VegetaOon  dominated  by  grasses    

Study  Area:  pastures  

58

Mazia  Valley,  South  Tyrol,  Italy    Pastures  Located  at  1700  to  2400m  a.s.l.  Steep  terrain  Heterogeneous  soil  surface:  

 -­‐  bare  soil    -­‐  stones    -­‐  large  rocks  

VegetaOon  dominated  by  grasses        

Study  area:  soil  properOes  

Kolmann and Tasser, 2012

•  Two  main  soil  types:      1.   Haplic  Leptosol    (ranker)  mainly  in  pastures;  2.   Dystric  Cambisol  (braunerde)  mainly  in  meadows  (Kollman,  M.  Th.,  2013).  

•  Observed  soil  parameters  are  in  the  typical  range  of  loamy  sand  (Leptosoil)  and  sandy  loam  (Cambisoil).  

Kollmann,  K..  Klima-­‐  und  landnutzungsbedingte  Bodenverteilung  im  Matschertal,  SüdOrol.  Ms.  Thesis,  Universität  Innsbruck.(2012).  

Ground  observaOons:  fixed  staOons  

Network  of  14  staOons  with:  •   Meteorological  data  •   SMC  5  and  20  cm  depth      (Decagon  capaciOve  sensors  10Hs)    

Transect  sta=ons  Catchment  sta=ons  Run-­‐off  measurements  

Area  ~100  km2  

• Monitoring  SMC  temporal  dynamic  at  catchment  scale.  

Ground  observaOons:  mobile  surveys  

•  Monitoring  SMC  spa=al  paserns  at  hillslope  scale;  •  Survey  planned  to  map  land  cover/topographic  features;  •  Good  correspondence  with  staOon  values.  

•  More  than  10  surveys  between  2010  and  2014;  •  More  than  1000  points  with  mobile  Delta-­‐T  wet  sensor  (TDR)  0  –  5  cm  depth;  

10  %  50  %  

SWC  

Hydrological  modeling:  GEOtop  SMC  simulaOon  

GEOtop  model  

Rigon  et  al.,  JHM,  2006.  Endrizzi  et  al.,  GMDD,  2013.  

∂SMC∂t

= P −ET −Qr −Qs −Qg

ET  Qr  

Qr  Qs  

Qs  

Qg  

P  

Plot  scale  water  budget  Catchment  scale  SMC  

@  5cm    

3D  Richard’s  eq.  

Endrizzi,  S.,  et  al.  GEOtop  2.0:  simulaOng  the  combined  energy  and  water  balance  at  and  below  the  land  surface  accounOng  for  soil  freezing,  snow  cover  and  terrain  effects.  Geosci.  Model  Dev.  Disc.  6,  6279–6341  (2013).  Rigon,  R,  et  al.  GEOtop:  a  distributed  hydrological  model  with  coupled  water  and  energy  budgets.  J.  Hydrometeorol.  7  (3),  371–388  (2006).    

GEOtop  –  DVM  coupling  GEOtop   VDM  

-­‐  Rad,Rh,PAR,T,  Wind  

-­‐  Ini=al  Condi=ons  -­‐  Meteo  input  

-­‐  Soil  and  topography    

Montaldo  et  al.,    2005  

Endrizzi  et  al.,  2013  

Canopy  Frac=on  Canopy  Height  Leaf  Area  Index  

Senescence  

Respira=on  

Trasloca=on  

Biomass    Budget  

Photosynthesis  

Evapotranspira=on  

Intercep=on  

Energy  Balance  

Throughfall  

Infiltra=on  

Soil    Water    Balance  Runoff  

Drainage  

Rain/Snowfall  

Rigon  et  al.,    2006  

Della  Chiesa  et  al.,  2014  

Data  recorded  with  high  frequency  (15´since  2009)  

Matsch  |  Mazia  64  

precipitation (mm)

global radiation (W/m²)

soil temperature (°C) and soil moisture (Vol%)

logger

air temperature (°C) and humidity (%)

Snow/Vegetation height (cm) Photosynthetic active radiation (µmol s−1W*−1) Radiation balance (W/m²) Soil surface temperature (°C) Soil heat flux (W/m²) Latent and sensible fluxes (W/m²) Soil water potential (hPa)

wind speed and direction (m/sec, °)

Coupled ecohydrological modelling

 How  to  use  experimental  observa=ons  to  validate  a  distributed  ecohydrological  models?    How  to  use  model  results  to  improve  our  knowledge  of  the  ecohydrological  behavior  of  mountain  catchments?