A study on the temporal and spatial soil moisture variability of over South America, and its interactions with evapotranspiration and precipitation at different time scales

Es aceptado que la humedad del suelo puede alterar las condiciones de la atmósfera a partir del control del balance energético e hidrológico. Es por esto que el objetivo general de esta Tesis, se basa en mejorar la comprensión del efecto que tienen las interacciones superficie terrestre-atmósfera sobre Sudamérica en distintas escalas temporales a partir de un conocimiento más profundo de la humedad del suelo y su variabilidad, así como también de la evapotranspiración, y los posibles mecanismos de control de estas variables sobre los procesos que favorecerían la ocurrencia de lluvia en forma local. Debido a la escasez de observaciones de las variables del suelo, es que se utilizaron las simulaciones de humedad del suelo del Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Las mismas fueron evaluadas respecto a diversas estimaciones, proxies, y mediciones in-situ de las condiciones hídricas del suelo sobre Sudamérica. El buen acuerdo mostrado por GLDAS, permitió realizar una climatología enfocada principalmente en las simulaciones de humedad del suelo. En primer lugar, se documentaron las características medias y las distintas escalas temporales y espaciales de variabilidad de la humedad del suelo. De particular importancia resulto ser la variabilidad de baja frecuencia sobre grandes regiones del dominio, acentuada en los espesores más profundos del suelo. En algunas de las regiones analizadas se observaron picos de energía con ciclos significativos de 17, 8, 3 años, ciclos menores a los 12 meses, así como también en escalas intraestacionales. Además, se observó que el patrón espacial dominante respecto a la variabilidad temporal de la humedad del suelo fuera de las áreas tropicales es, a grandes rasgos, dipolar. Por otro lado, se estudió el grado de interacción entre la humedad del suelo, la evapotranspiración y la precipitación. En el sudeste de Sudamérica y en otras regiones aisladas se observó que las anomalías de humedad del suelo ejercen cierto grado de control sobre la precipitación, y en mayor grado sobre la evapotranspiración. En otras regiones, el comportamiento fue opuesto, donde la atmósfera estaría controlando las condiciones del suelo. En base a estos resultados, se analizó la variabilidad y el acople sueloatmósfera de un sistema de pronostico estacional, para evaluar la utilización de los resultados hallados en GLDAS, en la predicción estacional. Este sistema de pronóstico, si bien puede reproducir algunas de las características de la humedad del suelo observadas en GLDAS, tiene errores sistemáticos. Asimismo, ciertos procesos fundamentales de las interacciones entre el suelo y la atmósfera, no estarían adecuadamente representados, lo cual podría limitar la capacidad predictiva en baja frecuencia asociada a los modos acoplados suelo-atmósfera.It is widely accepted that soil moisture conditions can influence the atmosphere by altering the control of the energy and hydrological balance. In this sense, the overall objective of this Thesis is to improve the understanding of the effect of land-atmosphere interactions over South America at different time scales. This is carried out, by studying soil moisture and evapotranspiration variability, and their possible control mechanisms on the processes that favor the occurrence of local precipitation. The Global Land Data Assimilation System (GLDAS) soil moisture simulations were used, due to the scarcity of observations characterizing the soil states state of the soil variables. The GLDAS soil moisture was assessed against estimations, proxies, and in-situ measurements of soil water conditions over South America. Based on the good agreement shown by GLDAS, a climatology based on these soil moisture simulations was performed. The mean characteristics of soil moisture and its different temporal and spatial variability scales were documented. The low-frequency variability is important over large regions of the domain, accentuated in deeper soil layers. In some regions, the variability showed significant cycles of 17, 8 and 3 years, also cycles shorter than 12 months, as well as significant cycles in the intraseasonal range. Moreover, it was found that the dominant spatial pattern of soil moisture temporal variability, outside tropical areas is mostly dipolar. On the other hand, the degree of interaction between soil moisture, evapotranspiration and precipitation was analyzed. In southeastern South America, as well as in other isolated regions, soil moisture anomalies exert some degree of control on precipitation and a higher control on evapotranspiration. In other regions, an opposite behavior was observed, where the atmosphere seems to control soil conditions. Based on these results, the variability and land-atmosphere coupling strength of a seasonal forecast system was analyzed. The potential prediction skill was evaluated against GLDAS. The forecast system is able to reproduce some characteristics of soil moisture behavior observed in GLDAS. However, it has systematic errors and some fundamental processes of the land-atmosphere interactions are possible not adequately represented, which could limit the predictive ability in low frequency associated with soil-atmosphere coupled modes.Fil:Spennemann, Pablo Cristian. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina