A New Surfgace Runoff Parameterization ...
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A new surface runo parameterization with subgrid-scale soil heterogeneity for land surface models Xu Liang * , Zhenghui Xie 1 Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Berkeley, CA 94720-1710, USA Received 13 June 2000; received in revised form 23 December 2000; accepted 30 March 2001 Abstract Soil heterogeneity plays an important role in determining surface runo generation mechanisms. At the spatial scales represented by land surface models used in regional climate model and/or global general circulation models GCMs) for numerical weather prediction and climate studies, both in®ltration excess Horton) and saturation excess Dunne) runo may be present within a studied area or a model grid cell. Proper modeling of surface runo is essential to a reasonable representation of feedbacks in the land±atmosphere system. In this paper, a new surface runo parameterization that dynamically represents both Horton and Dunne runo generation mechanisms within a model grid cell is presented. The new parameterization takes into account of eects of soil heterogeneity on Horton and Dunne runo. A series of numerical experiments are conducted to study the eects of soil hetero- geneity on Horton and Dunne runo and on soil moisture storage under dierent soil and precipitation conditions. The new pa- rameterization is implemented into the current version of the hydrologically based variable in®ltration capacity VIC) land surface model and tested over three watersheds in Pennsylvania. Results show that the new parameterization plays a very important role in partitioning the water budget between surface runo and soil moisture in the atmosphere±land coupling system. Signi®cant un- derestimation of the surface runo and overestimation of subsurface runo and soil moisture could be resulted if the Horton runo mechanism were not taken into account. Also, the results show that the Horton runo mechanism should be considered within the context of subgrid-scale spatial variability of soil properties and precipitation. An assumption of time-invariant spatial distribution of potential in®ltration rate may result in large errors in surface runo and soil moisture. In addition, the total surface runo from the new parameterization is less sensitive to the choice of the soil moisture shape parameter of the distribution. Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Rainfall; Surface runo; Subgrid-scale spatial variability; Soil heterogeneity; Land surface models; Hydrologic models; Soil moisture 1. Introduction Numerous ®eld studies have shown that surface runo is mainly generated by two mechanisms, in®ltra- tion excess runo Hortonian ¯ow) and saturation ex- cess runo Dunne ¯ow); and that the spatial variability of soil properties, antecedent soil moisture, topography, and rainfall will result in dierent surface runo gener- ation mechanisms that produce storm hydrograph. For a large area e.g., a model grid size of a regional climate model or a general circulation model), these runo generation mechanisms are commonly present at dif- ferent portions of a grid cell simultaneously. Missing one of the two major runo generation mechanisms and lacking of the consideration of spatial soil variability can result in signi®cant under/over estimation of surface runo which can introduce directly large errors in soil moisture states over each model grid cell. Therefore, proper modeling of surface runo is essential to a reasonable representation of feedbacks in a land± atmosphere system. This is because the generated amount of surface runo directly aects soil moisture which can signi®cantly aect the regional atmospheric budgets of water and energy at dierent time scales. The partitions of rainfall into runo, and soil moisture stor- age, however, vary widely among the current generation of land surface models used for numerical weather pre- diction and climate studies. This is clearly illustrated by Advances in Water Resources 24 2001) 1173±1193 www.elsevier.com/locate/advwatres * Corresponding author. Tel.: +1-510-642-2648; fax: +1-510-642- 7483. E-mail address: [email protected] X. Liang). 1 Current address: ICCES and LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Science, Beijing, China. 0309-1708/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0309-170801)00032-X
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