Numerical Study on the Stomatal Responses to Dry-Hot Wind Episodes and Its Effects on Land-Atmosphere Interactions
- 1. Peking University
- 2. The University of Texas at Austin
- 3. Institute of Atmospheric Physics
- 4. Chinese Academy of Sciences
Description
The wheat production in midland China is under serious threat by frequent Dry-Hot Wind (DHW) episodes with high temperature, low moisture and specific wind as well as intensive heat transfer and evapotranspiration. The numerical simulations of these episodes are important for monitoring grain yield and estimating agricultural water demand. However, uncertainties still remain despite that enormous experiments and modeling studies have been conducted concerning this issue, due to either inaccurate synoptic situation derived from mesoscale weather models or unrealistic parameterizations of stomatal physiology in land surface models. Hereby, we investigated the synoptic characteristics of DHW with widely-used mesoscale model Weather Research and Forecasting (WRF) and the effects of leaf physiology on surface evapotranspiration by comparing two land surface models: The Noah land surface model, and Peking University Land Model (PKULM) with stomata processes included. Results show that the WRF model could well replicate the synoptic situations of DHW. Two types of DHW were identified: (1) prevailing heated dry wind stream forces the formation of DHW along with intense sensible heating and (2) dry adiabatic processes overflowing mountains. Under both situations, the PKULM can reasonably model the stomatal closure phenomena, which significantly decreases both evapotranspiration and net ecosystem exchange of canopy, while these phenomena cannot be resolved in the Noah simulations. Therefore, our findings suggest that the WRF-PKULM coupled method may be a more reliable tool to investigate and forecast DHW as well as be instructive to crop models.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يتعرض إنتاج القمح في وسط الصين لتهديد خطير بسبب نوبات الرياح الجافة الساخنة المتكررة (DHW) مع ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة المنخفضة والرياح المحددة بالإضافة إلى النقل المكثف للحرارة والتبخر. المحاكاة العددية لهذه الحلقات مهمة لرصد محصول الحبوب وتقدير الطلب على المياه الزراعية. ومع ذلك، لا تزال هناك شكوك على الرغم من إجراء تجارب ودراسات نمذجة هائلة بشأن هذه المسألة، إما بسبب الوضع السينوبتيكي غير الدقيق المستمد من نماذج الطقس متوسطة الحجم أو المعلمات غير الواقعية لعلم وظائف الأعضاء الفموية في نماذج سطح الأرض. هنا، قمنا بالتحقيق في الخصائص الشاملة لـ DHW مع نموذج متوسط النطاق المستخدم على نطاق واسع لأبحاث الطقس والتنبؤ به (WRF) وتأثيرات فسيولوجيا الأوراق على التبخر السطحي من خلال مقارنة نموذجين لسطح الأرض: نموذج سطح أرض نوح، ونموذج أرض جامعة بكين (PKULM) مع عمليات الثغور المتضمنة. تظهر النتائج أن نموذج WRF يمكن أن يكرر بشكل جيد المواقف الشاملة لـ DHW. تم تحديد نوعين من DHW: (1) تيار الرياح الجافة الساخن السائد يجبر على تكوين DHW جنبًا إلى جنب مع التسخين المعقول المكثف و (2) العمليات الأديباتية الجافة التي تفيض بالجبال. في كلتا الحالتين، يمكن لـ PKULM نمذجة ظواهر إغلاق الفم بشكل معقول، مما يقلل بشكل كبير من كل من التبخر والنتح وصافي تبادل النظام البيئي للمظلة، في حين لا يمكن حل هذه الظواهر في محاكاة نواه. لذلك، تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن الطريقة المقترنة بـ WRF - PKULM قد تكون أداة أكثر موثوقية للتحقيق والتنبؤ بـ DHW بالإضافة إلى كونها مفيدة لنماذج المحاصيل.Translated Description (French)
La production de blé dans le centre de la Chine est gravement menacée par de fréquents épisodes de vent chaud sec (DHW) avec des températures élevées, une faible humidité et un vent spécifique ainsi qu'un transfert de chaleur intensif et une évapotranspiration. Les simulations numériques de ces épisodes sont importantes pour le suivi du rendement céréalier et l'estimation de la demande en eau agricole. Cependant, des incertitudes subsistent malgré les énormes expériences et études de modélisation menées sur cette question, en raison soit d'une situation synoptique inexacte dérivée de modèles météorologiques à méso-échelle, soit de paramétrisations irréalistes de la physiologie stomatique dans les modèles de surface terrestre. Par la présente, nous avons étudié les caractéristiques synoptiques de l'ECS avec un modèle méso-échelle largement utilisé de recherche et de prévision météorologiques (WRF) et les effets de la physiologie foliaire sur l'évapotranspiration de surface en comparant deux modèles de surface terrestre : le modèle de surface terrestre Noah et le modèle terrestre de l'Université de Pékin (PKULM) avec des processus de stomates inclus. Les résultats montrent que le modèle WRF pourrait bien reproduire les situations synoptiques de l'ECS. Deux types d'ECS ont été identifiés : (1) le courant de vent sec chauffé dominant force la formation d'ECS avec un chauffage sensible intense et (2) les processus adiabatiques secs débordant des montagnes. Dans les deux situations, le PKULM peut modéliser raisonnablement les phénomènes de fermeture stomatique, ce qui diminue considérablement à la fois l'évapotranspiration et l'échange écosystémique net de la canopée, alors que ces phénomènes ne peuvent pas être résolus dans les simulations de Noah. Par conséquent, nos résultats suggèrent que la méthode couplée WRF-PKULM peut être un outil plus fiable pour étudier et prévoir l'ECS ainsi que pour instruire les modèles de culture.Translated Description (Spanish)
La producción de trigo en el centro de China está seriamente amenazada por frecuentes episodios de Viento Seco-Caliente (ACS) con alta temperatura, baja humedad y viento específico, así como por una intensa transferencia de calor y evapotranspiración. Las simulaciones numéricas de estos episodios son importantes para monitorear el rendimiento de los granos y estimar la demanda de agua agrícola. Sin embargo, siguen existiendo incertidumbres a pesar de que se han realizado enormes experimentos y estudios de modelización sobre este tema, debido a una situación sinóptica inexacta derivada de los modelos meteorológicos a mesoescala o a parametrizaciones poco realistas de la fisiología del estoma en modelos de superficie terrestre. Por la presente, investigamos las características sinópticas de DHW con el modelo de investigación y pronóstico meteorológico (WRF) de mesoescala ampliamente utilizado y los efectos de la fisiología de las hojas en la evapotranspiración de la superficie mediante la comparación de dos modelos de superficie terrestre: el modelo de superficie terrestre Noah y el modelo de tierra de la Universidad de Pekín (PKULM) con procesos de estomas incluidos. Los resultados muestran que el modelo WRF bien podría replicar las situaciones sinópticas de ACS. Se identificaron dos tipos de ACS: (1) la corriente de viento seco calentado predominante fuerza la formación de ACS junto con el calentamiento sensible intenso y (2) los procesos adiabáticos secos que desbordan las montañas. En ambas situaciones, el PKULM puede modelar razonablemente los fenómenos de cierre estomático, lo que disminuye significativamente tanto la evapotranspiración como el intercambio neto de dosel del ecosistema, mientras que estos fenómenos no se pueden resolver en las simulaciones de Noah. Por lo tanto, nuestros hallazgos sugieren que el método acoplado WRF-PKULM puede ser una herramienta más confiable para investigar y pronosticar ACS, así como para ser instructivo para los modelos de cultivos.Files
journal.pone.0162852&type=printable.pdf
Files
(4.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:528a26ca08570e4470f413f5aa0b97db
|
4.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دراسة عددية حول الاستجابات الفموية لنوبات الرياح الجافة الساخنة وآثارها على التفاعلات بين الأرض والغلاف الجوي
- Translated title (French)
- Étude numérique sur les réponses stomatiques aux épisodes de vent sec et chaud et ses effets sur les interactions terre-atmosphère
- Translated title (Spanish)
- Estudio numérico sobre las respuestas estomáticas a los episodios de viento seco-caliente y sus efectos en las interacciones tierra-atmósfera
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2520343896
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0162852
References
- https://openalex.org/W1490443704
- https://openalex.org/W1532758497
- https://openalex.org/W1607551827
- https://openalex.org/W1896011130
- https://openalex.org/W1965122835
- https://openalex.org/W1985688288
- https://openalex.org/W1990758643
- https://openalex.org/W1997274071
- https://openalex.org/W2006200303
- https://openalex.org/W2006563460
- https://openalex.org/W2011599296
- https://openalex.org/W2028979275
- https://openalex.org/W2029074727
- https://openalex.org/W2036918772
- https://openalex.org/W2048968715
- https://openalex.org/W2058885540
- https://openalex.org/W2060410182
- https://openalex.org/W2068914580
- https://openalex.org/W2071716521
- https://openalex.org/W2081704177
- https://openalex.org/W2084659566
- https://openalex.org/W2097703795
- https://openalex.org/W2103353034
- https://openalex.org/W2105440644
- https://openalex.org/W2110179017
- https://openalex.org/W2118921617
- https://openalex.org/W2119007429
- https://openalex.org/W2127559745
- https://openalex.org/W2128225313
- https://openalex.org/W2130372071
- https://openalex.org/W2135233387
- https://openalex.org/W2139429070
- https://openalex.org/W2165037481
- https://openalex.org/W2174939564
- https://openalex.org/W2179250365
- https://openalex.org/W2282377530
- https://openalex.org/W2299040367
- https://openalex.org/W2309730957
- https://openalex.org/W2352509983
- https://openalex.org/W2374084831
- https://openalex.org/W2374814744
- https://openalex.org/W2506933885
- https://openalex.org/W3021173691
- https://openalex.org/W3142039726
- https://openalex.org/W4247860859