Contribution to modeling of soil-plant-atmosphere interactions and coupled hydro-geophysical data assimilation

Understanding the complex feedback mechanisms regulating the land-atmosphere system has become a scientific imperative, as human induced changes may impact the stability of the Biosphere, both locally and globally. The present thesis work aims at improving current understanding and forecasting capabilities of the Soil-Plant-Atmosphere (SPA) continuum. To this purpose a numerical model of soil moisture dynamics is coupled with plant transpiration and photosynthesis. Soil moisture dynamics is modeled by the 3-D Richards equation and plant uptake is described by an Ohm's law type model accounting for water potential gradients and root, xylem and stomatal conductances. The transpiration flux from soil to the atmosphere is driven by the leaf water potential which is controlled by both local soil moisture conditions and atmospheric forcing. The hydraulic model is linked to the atmosphere by the calculation of the stomatal conductance which is optimized for maximum carbon gain considering Fickian mass transfer of CO2 and H2O through stomata and a biochemical model of photosynthesis. The model is used to investigate competition for water among multiple tree rooting systems in a Loblolly pine (Pinus Taeda) plantation and then coupled with a crop growth module to investigate farmland productivity at the field scale. In order to provide a fully-coupled description of the SPA system, the soil-plant model is then coupled with a slab representation of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) and used to investigate the role of water table fluctuations and free atmospheric state on convective rainfall initiation. Model results compared well with measurements of soil moisture, sap flow in the plant xylem as well as energy fluxes above the canopy and convective rainfall initiation time. In order to deal with the high degree of uncertainty related to both measurement and model errors the applicability of a data assimilation algorithm has also been explored to incorporate physical measurements into the transient hydrological model. Given the recent development of indirect geophysical surveys to monitor soil-plant interactions in the vadose zone, we tested an innovative iterative particle filter approach for coupled hydro-geophysical inversion of Electrical Resistivity Tomography (ERT) data. Model results demonstrate the ability of the method to improve model prediction and estimate multiple model parameters and this work lays the foundation for application of the methodology to soil-plant-atmosphere modeling.

La comprensione dei molteplici meccanismi che regolano l'interazione tra suolo, vegetazione e atmosfera è oggi divenuta un imperativo nel campo della ricerca scientifica, poichè numerose sono le conseguenze che la presenza antropica puo avere sulla stabilità della Biosfera, a livello sia globale che locale. Questo lavoro di tesi si propone l'obiettivo di sviluppare nuovi strumenti modellistici che consentano una più accurata comprensione e descrizione del sistema suolo-vegetazione-atmosfera. A tal fine, un modello di trapirazione e fotosintesi della vegetazione è stato introdotto in un codice numerico per la descrizione del flusso in mezzi porosi. La dinamica dell'umidita del suolo e descritta dall'equazione tridimensionale di Richards, mentre il trasporto d'acqua attraverso le radici ed all'interno della pianta e definito tramite un modello di resistenze e potenziali idrici basato sulla legge di Ohm. Il flusso traspirativo è regolato dal potenziale fogliare, a sua volta determinato da condizioni locali di umidità del suolo e dalle forzanti atmosferiche. Il modello idraulico di assorbimento radicale è collegato all'atmosfera tramite il calcolo della resistenza stomatica, determinata sulla base di un modello di ottimizzazione dell'apertura degli stomi che massimizza la fotosintesi (descritta per mezzo di un modello biochimico) e minimizza la traspirazione. Tale approccio modellistico è stato impiegato per comprendere i meccanismi di competizione tra diverse piante per l'assorbimento idrico in una piantagione di Pinus Taeda. Il modello è stato inoltre integrato con un modulo di crescita del mais (Zea mays L.) per studiare la produttività agricola alla scala di bacino. Al fine di descrivere in modo completo le interazioni fra vegetazione ed atmosfera, il modello è stato poi accoppiato con la dinamica dello strato limite planetario ed utilizzato per comprendere l'effetto della falda e delle condizioni dell'atmosfera libera sugli eventi di precipitazione dovuti alla formazione di nubi convettive. I risultati modellistici illustrati in questa tesi sono confrontati con osservazioni di contenuto d'acqua nel suolo, misure di flussi xilematici, flussi energetici al di sopra della canopy ed eventi convettivi di precipitazione, dimostrando le ottime capacità predittive del modello sviluppato. Sia le osservazioni che i risultati numerici sono tuttavia caratterizzati da un certo grado di errore. Per ovviare a tale incertezza è stato pertanto studiato un algoritmo di assimilazione dei dati che consente di incorporare le osservazioni fisiche nel modello dinamico idrologico. Dal momento che recenti studi di settore si sono focalizzati sull'utilizzo di metodi geofisici indiretti per la caratterizzazione dei processi di interazione fra suolo e vegetazione, in questo lavoro di tesi è stato sviluppato un metodo particle filter iterativo per l'inversione idro-geofisica accoppiata di dati di tomografia elettrica. I risultati presentati in questa tesi dimostrano l'abilità del metodo proposto di migliorare le previsioni e stimare i parametri del modello e pongono le basi per un nuovo approccio alla simulazione numerica del sistema suolo-vegetazione-atmosfera.