Published January 1, 2017 | Version v1
Publication Open

Numerical Simulation of Surface Energy and Water Balances over a Semiarid Grassland Ecosystem in the West African Savanna

Creators

  • 1. Kwame Nkrumah University of Science and Technology
  • 2. Japan Atomic Energy Agency
  • 3. Karlsruhe Institute of Technology
  • 4. University of Augsburg
  • 5. Federal University of Technology

Description

To understand surface energy exchange processes over the semiarid regions in West Africa, numerical simulations of surface energy and water balances were carried out using a one-dimensional multilayer atmosphere-SOil-VEGetation (SOLVEG) model for selected days of the dry and rainy seasons over a savanna grassland ecosystem in Sumbrungu in the Upper East region of Ghana. The measured Bowen ratio was used to partition the residual energy into the observed sensible heat flux (H) and latent heat flux (LE) in order to investigate the impact of the surface energy closure on model performance. The results showed that the model overall reproduced the diurnal changes in the observed energy fluxes, especially the net radiation (Rn), compared to half-hourly eddy covariance flux measurements, for the study periods. The performance measure in terms of the correlation coefficient (R), centred root mean square error (RMSE), and normalized standard deviation ( σ ) between the simulated H and LE and their corresponding uncorrected observed values ranged between R = 0.63–0.99 and 0.83–0.94, RMSE = 0.88–1.25 and 0.88–1.92, and σ = 0.95–2.23 and 0.13–2.82 for the dry and rainy periods respectively, indicating a moderate to good model performance. The partitioning of H and LE by SOLVEG was generally in agreement with the observations during the dry period but showed clear discrepancies during the rainy period, particularly after rainfall events. Further sensitivity tests over longer simulation periods (e.g., 1 year) are required to improve model performance and to investigate seasonal exchanges of surface energy fluxes over the West African Savanna ecosystems in more details.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لفهم عمليات تبادل الطاقة السطحية عبر المناطق شبه القاحلة في غرب إفريقيا، تم إجراء عمليات محاكاة رقمية للطاقة السطحية وتوازنات المياه باستخدام نموذج الغلاف الجوي متعدد الطبقات أحادي البعد (SOLVEG) لأيام مختارة من المواسم الجافة والممطرة على نظام بيئي لمراعي السافانا في سومبرونغو في المنطقة الشرقية العليا من غانا. تم استخدام نسبة بوين المقاسة لتقسيم الطاقة المتبقية إلى التدفق الحراري المعقول المرصود (H) والتدفق الحراري الكامن (LE) من أجل التحقيق في تأثير إغلاق الطاقة السطحية على أداء النموذج. أظهرت النتائج أن النموذج بشكل عام أعاد إنتاج التغيرات النهارية في تدفقات الطاقة المرصودة، وخاصة صافي الإشعاع (Rn)، مقارنة بقياسات تدفق التباين الدوامي لمدة نصف ساعة، لفترات الدراسة. يتراوح مقياس الأداء من حيث معامل الارتباط (R)، ومتوسط الجذر المركزي للخطأ التربيعي (RMSE)، والانحراف المعياري المعياري ( σ ) بين H و LE المحاكاة والقيم المرصودة المقابلة غير المصححة بين R = 0.63-0.99 و 0.83-0.94، RMSE = 0.88-1.25 و 0.88-1.92، و σ = 0.95-2.23 و 0.13-2.82 للفترات الجافة والممطرة على التوالي، مما يشير إلى أداء نموذج معتدل إلى جيد. كان تقسيم H و LE بواسطة SOLVEG متفقًا بشكل عام مع الملاحظات خلال فترة الجفاف ولكنه أظهر تناقضات واضحة خلال فترة الأمطار، خاصة بعد أحداث هطول الأمطار. هناك حاجة إلى مزيد من اختبارات الحساسية على مدى فترات محاكاة أطول (على سبيل المثال، سنة واحدة) لتحسين أداء النموذج والتحقيق في التبادلات الموسمية لتدفقات الطاقة السطحية فوق النظم الإيكولوجية لسافانا غرب إفريقيا بمزيد من التفاصيل.

Translated Description (French)

Pour comprendre les processus d'échange d'énergie de surface dans les régions semi-arides d'Afrique de l'Ouest, des simulations numériques de l'énergie de surface et des bilans hydriques ont été effectuées à l'aide d'un modèle multicouche unidimensionnel atmosphère-Ouil-VEGétation (SOLVEG) pour certains jours des saisons sèche et pluvieuse sur un écosystème de prairies de savane à Sumbrungu dans la région du Haut-Orient du Ghana. Le rapport de Bowen mesuré a été utilisé pour diviser l'énergie résiduelle en flux de chaleur sensible (H) et flux de chaleur latente (LE) observés afin d'étudier l'impact de la fermeture d'énergie de surface sur la performance du modèle. Les résultats ont montré que le modèle reproduisait globalement les changements diurnes dans les flux d'énergie observés, en particulier le rayonnement net (Rn), par rapport aux mesures de flux de covariance de Foucault à la demi-heure, pour les périodes d'étude. La mesure de performance en termes de coefficient de corrélation (R), d'erreur quadratique moyenne centrée (RMSE) et d'écart-type normalisé ( σ ) entre le H et le LE simulés et leurs valeurs observées non corrigées correspondantes se situait entre R = 0,63-0,99 et 0,83-0,94, RMSE = 0,88-1,25 et 0,88-1,92, et σ = 0,95-2,23 et 0,13-2,82 pour les périodes sèche et pluvieuse respectivement, indiquant une performance modérée à bonne du modèle. La partition de H et LE par SOLVEG était généralement en accord avec les observations pendant la période sèche mais a montré des écarts clairs pendant la période pluvieuse, en particulier après les événements pluviométriques. D'autres tests de sensibilité sur des périodes de simulation plus longues (par exemple, 1 an) sont nécessaires pour améliorer les performances du modèle et pour étudier plus en détail les échanges saisonniers de flux d'énergie de surface sur les écosystèmes de la savane ouest-africaine.

Translated Description (Spanish)

Para comprender los procesos de intercambio de energía superficial en las regiones semiáridas de África Occidental, se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la energía superficial y los balances hídricos utilizando un modelo unidimensional de atmósfera multicapa-Soil-VEGetation (SOLVEG) para días seleccionados de las estaciones seca y lluviosa en un ecosistema de pastizales de sabana en Sumbrungu, en la región del Alto Oriente de Ghana. La relación Bowen medida se utilizó para dividir la energía residual en el flujo de calor sensible observado (H) y el flujo de calor latente (LE) con el fin de investigar el impacto del cierre de energía superficial en el rendimiento del modelo. Los resultados mostraron que el modelo en general reproducía los cambios diurnos en los flujos de energía observados, especialmente la radiación neta (Rn), en comparación con las mediciones de flujo de covarianza de remolino de media hora, para los períodos de estudio. La medida de rendimiento en términos del coeficiente de correlación (R), el error cuadrático medio centrado (RMSE) y la desviación estándar normalizada ( σ ) entre H y LE simulados y sus valores observados no corregidos correspondientes osciló entre R = 0.63-0.99 y 0.83-0.94, RMSE = 0.88-1.25 y 0.88-1.92, y σ = 0.95-2.23 y 0.13-2.82 para los períodos seco y lluvioso respectivamente, lo que indica un rendimiento moderado a bueno del modelo. La partición de H y LE por SOLVEG estuvo generalmente de acuerdo con lo observado durante el periodo seco, pero mostró claras discrepancias durante el periodo lluvioso, particularmente después de los eventos de lluvia. Se requieren más pruebas de sensibilidad durante períodos de simulación más largos (por ejemplo, 1 año) para mejorar el rendimiento del modelo e investigar con más detalle los intercambios estacionales de flujos de energía superficial en los ecosistemas de la sabana de África Occidental.

Files

6258180.pdf.pdf

Files (4.5 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:0c9c247f69815d4afddacaaa0f8c2a71
4.5 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
المحاكاة العددية للطاقة السطحية وتوازنات المياه على نظام بيئي شبه قاحل في السافانا في غرب إفريقيا
Translated title (French)
Simulation numérique des équilibres de l'énergie de surface et de l'eau sur un écosystème de prairie semi-aride dans la savane ouest-africaine
Translated title (Spanish)
Simulación numérica de los balances de energía superficial y agua en un ecosistema de pastizales semiáridos en la sabana de África occidental

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2566841971
DOI
10.1155/2017/6258180

Is supplement to
https://openalex.org/W4379054598 (Other)
https://openalex.org/W4296741931 (Other)
https://openalex.org/W2992337937 (Other)
https://openalex.org/W2890767331 (Other)
https://openalex.org/W2789330073 (Other)
https://openalex.org/W2163606831 (Other)
https://openalex.org/W2133615664 (Other)
https://openalex.org/W2093943074 (Other)
https://openalex.org/W2036930708 (Other)
https://openalex.org/W2015218468 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Nigeria

References

  • https://openalex.org/W1970109038
  • https://openalex.org/W1972132876
  • https://openalex.org/W1980142432
  • https://openalex.org/W1985479415
  • https://openalex.org/W2004015900
  • https://openalex.org/W2007325944
  • https://openalex.org/W2043534786
  • https://openalex.org/W2050299094
  • https://openalex.org/W2077245414
  • https://openalex.org/W2098455129
  • https://openalex.org/W2103353034
  • https://openalex.org/W2111537121
  • https://openalex.org/W2119895530
  • https://openalex.org/W2141274870
  • https://openalex.org/W2141766893
  • https://openalex.org/W2153828129
  • https://openalex.org/W2162604832
  • https://openalex.org/W2163606831
  • https://openalex.org/W2171800852
  • https://openalex.org/W2174090208