Observational and modelling investigations of land-precipitation coupling

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1 DISS. ETH NO Observational and modelling investigations of land-precipitation coupling A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Benoît P. Guillod MSc ETH Environ. Sc, ETH Zurich born April 4, 1986 citizen of Lausanne VD and Bas-Vuilly FR accepted on the recommendation of Prof. Dr. Sonia I. Seneviratne, examiner Dr. Boris Orlowsky, co-examiner Dr. Christopher M. Taylor, co-examiner 2014

2 Abstract The land surface is an important component of the climate system. Via interactions with the atmosphere, it impacts temperature and precipitation. In particular, soil moisture influences the partitioning of the energy at the land surface into the sensible (H) and latent (λe) heat fluxes, mainly in transitional regions between wet and dry climates. This partioning can be expressed by the Evaporative Fraction (EF), the ratio of λe to the available energy. EF directly impacts temperature via H (soil moisture-temperature coupling). The coupling between the land surface and precipitation works through several physical mechanisms. These include direct moisture recycling, that is via the input of water to the atmosphere through λe, and indirect impacts of both H and λe on the boundary layer growth and stability (local temporal coupling), as well as mesoscale circulations induced by spatial soil moisture gradients (spatial coupling). The aims of this thesis are the following: First, I investigate the role of soil textures for land-atmosphere interactions over Europe in a regional climate model (RCM). Soil texture can control soil moisture, its relation to EF and thereby climate. Second, I statistically investigate the land-precipitation coupling in different observation-based datasets. This is first done over North America, where the local temporal coupling and its sources are explored, and then in global analyses of temporal and spatial soil moisture-precipitation couplings. In the first part of this thesis, regional climate simulations over Europe with two different maps of soil texture are compared. Soil textures typically define a number of thermal and hydraulic soil properties in a land surface model. Impacts of the choice in soil map on the simulated mean summer climate are large in some regions: up to 2 C in 2-meter temperature and 20% in precipitation. This effect is comparable to differences between simulations from different RCMs and it highlights the importance of soil properties for climate simulations. Furthermore, I identify the most important soil parameters for these effects (field capacity, plant wilting point, hydraulic diffusivity) and show the importance of the vertical profile of soil moisture in these simulations. i

3 For the second part, investigations of land-precipitation coupling over North America reveal large uncertainties from different datasets. Results from a previous study, which highlights a positive EF-precipitation coupling over the Eastern US based on a reanalysis product, cannot be confirmed from the other observation-based data products. Instead, from remote-sensing products I find a positive coupling over the Central and Western US. Analyzing the drivers of the coupling signal shows that precipitation persistence plays a major role and prevents a clear identification of a causal relationship. Moreover, it suggests that the reanalysis-based signal in the Eastern US is driven by unrealistic evaporation of vegetation interception as well as atmospheric controls on EF. In remote-sensing products, the positive signal in the Central and Western US is likely related to soil moisture. These findings solve some of the discrepancies between contradicting results from the literature. At the global scale, I find widespread negative spatial coupling, consistent with previous studies. This is contrasted by a dominance of positive temporal relationships in most regions, where precipitatione events occur more often when soils are wet, while being located over comparatively drier patches. If the temporal relationship depict an actual coupling, this suggests that spatial and temporal coupling metrics quantify different processes. One may expect the land surface to amplify and perpetuate temporal anomalies and, at the same time, to reduce spatial soil moisture gradients. Further work will investigate the processes underlying the respective coupling signals and the origin of the temporal signal. The results of this thesis shed light on some of the open questions about the coupling between the land surface and precipitation. They offer insights into the apparent contradictions of several recent studies on the topic, opening paths of future research. They also underline the complexity of the involved physics and thereby make a case for the necessity of better and more comprehensive datasets. The ongoing improvement of remote sensing data products together with the herein proposed findings and interpretations could over the next years contribute to a deeper and better constrained understanding of the interactions between the land surface and precipitation. ii

4 Résumé La surface continentale est une importante composante du système climatique, qui peut influencer la température et les précipitations par ses interactions avec l atmosphère. En particulier, l énergie disponible à la surface est retournée à l atmosphère sous forme de flux de chaleur sensible (H) et latente (λe). Le partitionnement entre H et λe, qui peut être quantifié par la fraction évaporative (EF), c est-à-dire le rapport entre λe et l énergie disponible, est influencé par l humidité du sol, principalement dans les régions de transition entre climats secs et humides. EF influence la température directement via H (le couplage entre l humidité du sol et la température). Le couplage entre la surface et les précipitations est plus complexe et fonctionne à travers différents mécanismes. Ceux-ci incluent un effet direct nommé recyclage de l humidité, via la contribution de λe à l humidité de l atmosphère, et des effets indirects impliquant H et λe: Les flux de surface peuvent influencer la formation des précipitations via leur effet sur la croissance de la couche limite et la stabilité de l atmosphère (couplage temporel local) ainsi que via des circulations à méso-échelle créées par des gradients spatiaux d humidité du sol (couplage spatial). Les buts de cette thèse sont les suivants: Tout d abord, de tester l importance des texture du sol pour les interactions entre la surface et l atmosphère en Europe dans un modèle régional climatique (RCM). La texture du sol peut contrôler l humidité du sol, sa relation à EF et, ainsi, le climat. Ensuite, d étudier à l aide d outils statistiques le couplage entre la surface et les précipitations, à partir de données de mesure. Une première analyse se concentre sur l Amérique du Nord, où le couplage temporel local et ses contrôles sont examinés. Puis, des analyses et comparaisons des couplage temporels et spatiaux sont appliquées à l échelle globale. Dans la première partie de cette thèse, des simulations régionales climatiques utilisant différentes cartes de textures du sol sont comparées. En pratique, les textures du sol définissent un nombre de paramètres thermiques et hydrauliques du sol dans un modèle de surface. Les effets du choix d une carte du sol sur le climat moyen simulé en été sont conséquents dans certaines régions: jusqu à 2 C en température et 20% en précipitations. Ces effets sont iii

5 comparables aux différences entre des simulations de modèles climatiques différents, et soulignent l importance des caractéristiques du sol pour les simulations du climat. De plus, j identifie les paramètres du sol qui contribuent le plus aux effets observés (capacité au champ, point de flétrissement permanent, diffusivité hydraulique) et je démontre l importance du profile vertical de l humidité du sol dans ces simulations. Dans la deuxième partie, des études du couplage entre la surface et les précipitations en Amérique du Nord révèlent de larges incertitudes liées aux jeux de données. Les résultats d une étude précédente, qui a identifié un couplage positif à l Est des États-Unis dans une réanalyse, ne peuvent pas être confirmé à l aide d autres données de mesure. Au contraire, sur la base de mesures par satellite, je trouve un couplage positif au Centre et à l Ouest des États- Unis. L analyse détaillée des facteurs contribuant au couplage montre que la persistance des précipitations joue un rôle majeur et empêche d identifier clairement une relation de cause à effet. De plus, le signal trouvé sur l Est des États-Unis est contrôlé par une surestimation de l évaporation de l eau interceptée par la végétation ainsi que par les contrôles de l atmosphère sur EF. Dans les produits de mesures satellite, le signal positif trouvé au Centre et à l Ouest des États-Unis est probablement lié à l humidité du sol. Ces découvertes expliquent certains des désaccords entre différents résultats de la littérature. À l échelle globale, je trouve un couplage spatial négatif clairement dominant, comme souligné dans des études précédentes. Ce résultat contraste avec une domination de relations positives temporellement dans la plupart des régions, où les événements de pluie se produisent ainsi le plus souvent lorsque les sols sont humides mais sont localisés au-dessus de parcelles plus sèches. Si la relation temporelle correspond à une relation de cause à effet, ces résultats suggèrent que les métriques de couplage temporel et spatial quantifient différents processus. On peut s attendre à ce que la surface amplifie et perpétue les anomalies temporelles, tout en réduisant simultanément les gradient spatiaux d humidité du sol. La suite de ce travail va analyser les processus liés aux couplages respectifs et l origine du signal temporel. Les résultats de cette thèse éclaircissent certaines des questions ouvertes au sujet du couplage entre l humidité du sol et les précipitations. Ils offrent des aperçus sur les contradictions apparentes entre différentes études sur le sujet, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives de recherche. Ils soulignent également la complexité des processus physiques impliqués, ainsi que le besoin de jeux de données plus précis et plus complets. Dans les prochaines années, l amélioration continue de produits de données par satellite ainsi que les découvertes et interprétations proposées ici pourraient contribuer à une compréhension plus affinée et plus précise du couplage entre la surface et les précipitations. iv