Evaluation of Land Surface Scheme SABAE-HW in Simulating Snow Depth,Soil Temperature and Soil Moisture within the BOREAS Site,Saskatchewan

The Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) model is a multilayered, one-dimensional, physically based version of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) and uses the same methodologies as CLASS, version 2.6. SABAE provides an improved interface for groundwater modelling to simulate soil moisture, soil temperature, energy fluxes and snow depth for a wide range of soil and vegetation. This paper reports the results of the first field comparison of SABAE-HW using an extensive ten-year dataset from the Boreal Ecosystem Atmosphere Study (BOREAS) and the Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) project, an area in central Saskatchewan, Canada, rich in terms of hydrological and meteorological data. The model is also independently tested and verified with the Simultaneous Heat and Water (SHAW) model, which is an unsaturated-zone transport model. Two boundary conditions are considered at the bottom of the soil profile: a water table boundary condition and a unit gradient boundary condition. There was substantial agreement between the results of the simulations and observations in terms of snow depth and soil temperature. Snow depth and soil temperature were simulated reasonably well by SABAE, with correlation values of 0.96 and 0.98, respectively. However, there were some discrepancies for simulated soil temperature in winter. General agreement was obtained in terms of unfrozen soil moisture results, especially at greater depths, but there were general similarities in observed and simulated soil moisture trends in winter. An average correlation of 0.55 was found for SABAE while the correlation for SHAW was much smaller (less than 0.30), which indicates a better fit between simulated and field data by SABAE. Although a unit gradient boundary condition does not influence soil moisture, it was found that unit gradient boundary runs resulted in increased bias towards overestimation of the soil temperature. Thus, a safer and more accurate approach, we believe, is to adopt a first type boundary (i.e., water table) condition at the bottom of the domain. This has implications for climate and weather modelling in general. The result of this field testing demonstrated the potential and high accuracy of SABAE-HW as a Canadian model capable of simulating snow depth, snow temperature, soil moisture, energy fluxes, and we believe it is now appropriate to include this land surface scheme with its counterparts.

R ésumé ?Traduit par la rédaction] Le modèle Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) est une version multicouche, à une dimension, basée sur la physique du schéma CLASS (Canadian Land Surface Scheme) qui utilise les mêmes méthodologies que le CLASS version 2.6. Le SABAE offre une interface améliorée pour la modélisation des eaux sous-terraines permettant de simuler l'humidité du sol, la température du sol, les flux d'énergie et l'épaisseur de la neige pour une grande variété de sols et de végétation. Cet article présente les résultats de la première comparaison terrain du SABAE-HW en utilisant une base de données étendue de dix ans de l'Étude de l'atmosphère et des écosystèmes boréaux (BOREAS) et du projet des Sites de recherche et de surveillance des écosystèmes boréaux (BERMS), une région du centre de la Saskatchewan, au Canada, riche en données hydrologiques et météorologiques. Le modèle est aussi indépendamment testé et vérifié à l'aide du Simultaneous Heat and Water (SHAW), un modèle de transport en zone non saturée. Deux conditions aux limites sont supposées au fond du profil du sol : une condition aux limites de nappe phréatique et une condition aux limites de gradient unitaire. On a trouvé une concordance importante entre les résultats des simulations et les observations en ce qui a trait à l'épaisseur de la neige et à la température du sol. L'épaisseur de la neige et la température du sol ont été raisonnablement bien simulées par le modèle SABAE, avec des corrélations de 0,96 et 0,98, respectivement. Cependant, il y avait certaines divergences pour la température simulée du sol en hiver. Pour ce qui est des résultats concernant l'humidité du sol non gelé, ils s'accordaient généralement, surtout pour les plus grandes profondeurs, mais il y avait des similarités générales dans les tendances observées et simulées de l'humidité du sol en hiver. Nous avons trouvé une corrélation moyenne de 0,55 pour le SABAE alors que la corrélation pour le SHAW était beaucoup plus faible (0,30), ce qui indique un meilleur ajustement des données simulées aux données de terrain pour le SABAE. Même si une condition aux limites de gradient unitaire n'influence pas l'humidité du sol, il ressort que des passes faites avec un gradient unitaire aux limites ont produit un biais accru vers la surestimation de la température du sol. Donc, nous croyons qu'une approche plus sûre et plus précise serait d'adopter une condition aux limites de Dirichlet (c.-à-d. une nappe phréatique) au fond du domaine. Ceci a des répercussions sur la modélisation du climat et du temps en général. Le résultat de cet essai sur le terrain a démontré le potentiel et la grande exactitude du SABAE-HW en tant que modèle canadien capable de simuler l'épaisseur de la neige, la température du sol, l'humidité du sol et les flux d'énergie et nous croyons qu'il est maintenant approprié d'inclure ce schéma de surface avec ses contreparties.