Universität zu Köln

Korres, Wolfgang (2013). Analysis of surface soil moisture patterns in an agricultural landscape utilizing measurements and ecohydrological modeling. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Soil moisture and its distribution in space and time plays a decisive role in terrestrial water and energy cycles. It controls the partitioning of precipitation into infiltration and runoff as well as the partitioning of solar radiation into latent and sensible heat flux. Therefore it has a strong impact on numerous processes, e.g., controlling floods, crop yield, erosion, and climate processes. Soil moisture, and surface soil moisture in particular, is highly variable in space and time and its spatial and temporal patterns in an agricultural landscape are affected by multiple natural (precipitation, soil, etc.) and agricultural (soil management, fertilization etc.) parameters. Against this background, the current study investigates the spatial and temporal patterns of surface soil moisture in an agricultural landscape, to determine the dominant parameters and the underlying processes controlling these patterns. The study was conducted on different spatial scales, from the field scale to the whole catchment scale of the river Rur (2364 km2) in Western Germany, because observed patterns are intrinsically connected to the scale on which they are observed. For the investigation three different approaches were used: Analysis based on A) Field measurements, B) Radar remote sensing, and C) Ecohydrological modeling. Extensive field measurements were carried out in a small arable land and grassland test site, measuring surface soil moisture, plant parameters, meteorological parameters, and soil parameters. These measurements were used to analyze the small scale (field scale) patterns of surface soil moisture and for the validation of the two other methods. Since large scale investigations based on field measurements are generally not feasible, surface soil moisture maps from radar remote sensing and ecohydrological modeling were used to analyze large scale patterns of surface soil moisture and their scaling properties. Precipitation, vegetation patterns, topography and soil properties were found to be the dominant parameters for soil moisture patterns in an agriculturally used landscape. Precipitation can be assumed to be homogeneous on the small scale, but can be very heterogeneous on the large scale at the same time. Evapotranspiration causes high small scale variability, especially during the growing season. If analyzed on coarser resolutions, this small scale pattern is smoothed out. Topography is a source of small scale patterns only on wet surface soil moisture states, because of the lateral redistribution of water during or shortly after precipitation events. Soils have a major influence on the variability of surface soil moisture on all scales, due to the large heterogeneity of soil properties within a given soil type (small scale) and between different soil types (large scale). Altogether, the variability of surface soil moisture increases with an increasing size of the investigation area and with an increasing resolution within the investigation area. During the course of the year surface soil moisture variability and its scaling properties are being influenced by different parameters with temporally varying intensities. During the growing season, at the time of high small scale variability of evapotranspiration, the variability of surface soil moisture is high and decreases much stronger with decreasing spatial resolution of the investigation, than during times outside the growing season. In the beginning and towards the end of the year (outside the growing season, when the soil is wet) the patterns and their scaling properties are mainly determined by soil properties. Precipitation events generally superimpose their large scale patterns for a short period of time and diminish the small scale variability induced by evapotranspiration. This thesis improves the knowledge about surface soil moisture patterns in agriculturally used areas and their underlying processes. The results of the scaling analysis indicate the potential to use vegetation and precipitation parameters for downscaling purposes. Understanding the subscale soil moisture heterogeneity is, for example, particularly relevant to better utilize coarse scale soil moisture data derived from SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) or the upcoming SMAP (Soil Moisture Active Passive) satellite measurements.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Bodenfeuchte und ihre räumliche und zeitliche Verteilung spielen eine entscheidende Rolle im terrestrischen Wasser- und Energiekreislauf. Sie kontrolliert die Aufteilung von Niederschlägen in Versickerung und Oberflächenabfluss und die Aufteilung von Sonnenenergie in latenten und fühlbaren Wärmestrom. Dies begründet den unmittelbaren Einfluss dieser Größe auf vielfältigste Prozesse, wie zum Beispiel auf Überflutungs- oder Erosionsereignisse, auf Erntemengen oder klimatisch wichtige Größen wie zum Beispiel die Lufttemperatur. Insbesondere die oberflächennahe Bodenfeuchte ist räumlich und zeitlich sehr variabel und ihre Muster werden auf landwirtschaftlich genutzten Flächen von einer Vielzahl natürlicher (z.B. Niederschlag, Bodeneigenschaften) und Bewirtschaftungsfaktoren (z.B. Bodenbearbeitung, Saattermine, Erntetermine) bestimmt. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Studie die räumlichen und zeitlichen Muster der oberflächennahen Bodenfeuchte auf landwirtschaftlich genutzten Flächen und analysiert die wichtigsten Einflussfaktoren und zugrundeliegenden Prozesse, die diese Muster verursachen. Da ein beobachtetes Muster immer direkt mit der Skala, auf der diese Beobachtung gemacht wurde, verknüpft ist, wurde diese Studie auf verschiedenen räumlichen Skalen durchgeführt, die von der Feldskala bis hin zur Skala des Gesamteinzugsgebiets der Rur mit einer Größe von 2364 km2 reicht. Für diese Arbeit wurden drei unterschiedliche methodische Herangehensweisen verwendet: Analysen basierend auf A) Feldmessungen, B) Radar-Fernerkundung und C) ökohydrologischer Modellierung. In einem ackerbaulich genutzten Testgebiet und in einem Grünlandtestgebiet wurden umfangreiche Feldmessungen der Bodenfeuchte, von Pflanzenparametern, von meteorologischen Parametern und Bodenparametern durchgeführt. Diese wurden zur Analyse der oberflächennahen Bodenfeuchtemuster auf der kleinen Skala (Feldgröße) und zur Validierung der beiden weiteren Methoden verwendet. Da großflächige Untersuchungen auf der Basis von Feldmessungen nicht durchführbar sind, wurden für die Untersuchung der Bodenfeuchtemuster auf großen Skala und deren Skalierungseigenschaften Bodenfeuchtekarten genutzt, die aus der Radar-Fernerkundung abgeleitet wurden oder aus der ökohydrologischen Modellierung stammen. Als Haupteinflussfaktoren für oberflächennahe Bodenfeuchtemuster in landwirtschaftlich genutzten Gebieten wurden Niederschlag, Landnutzung, Topographie und Boden ermittelt. Niederschlag kann zwar auf der kleinen Skala als homogen angenommen werden, aber gleichzeitig große Heterogenität auf der großen Skala zeigen. Evapotranspiration im Zusammenhang mit kleinräumigen Landnutzungsmustern verursacht kleinräumige Variabilität, vor allem in der Hauptwachstumsperiode der Pflanzen. Mit einer Verkleinerung der Auflösung der Untersuchung werden diese kleinräumigen Muster durch Mittelung geglättet. Topographie verursacht ebenfalls kleinräumige Muster der Bodenfeuchte unter feuchten Bedingungen, da Wasser aus Niederschlagsereignissen lateral in tieferliegende Gebiete abgeleitet wird und dort zu einem Anstieg der Versickerung führen kann. Böden haben einen sehr großen Einfluss auf die Variabilität der Bodenfeuchte auf allen Skalen, da die Heterogenität der hydraulischen Bodeneigenschaften innerhalb eines Bodentyps auf der kleinen Skala ebenso groß sein kann wie zwischen unterschiedlichen Bodentypen auf der großen Skala. Insgesamt nimmt die Variabilität der oberflächennahen Bodenfeuchte mit der Vergrößerung der Auflösung der Untersuchung und der Größe des Untersuchungsgebietes zu. Im Laufe eines Jahres verändern sich der Einfluss verschiedener Faktoren und deren Intensität auf die Muster und deren Skalierungsverhalten. Während der Hauptwachstumsperiode ist die durch die Evapotranspiration verursachte kleinräumige Variabilität sehr hoch, sinkt dann allerdings auch wesentlich schneller mit der Verringerung der Auflösung der Untersuchung als außerhalb der Hauptwachstumsperiode. In dieser Zeit, am Anfang und gegen Ende des Jahres, wenn der Boden feucht ist, bestimmen hauptsächlich Bodeneigenschaften das Muster und die Skalierung. Niederschlagsereignisse mit ihrem großskaligen Muster überlagern und dämpfen die durch die Evapotranspiration verursachte kleinskalige Heterogenität für einen kurzen Zeitraum. Insgesamt verbesserte diese Arbeit das Verständnis von oberflächennahen Bodenfeuchtemustern auf landwirtschaftlich genutzten Flächen und deren zugrundeliegenden Prozessen. Die Ergebnisse der Skalierungsanalyse zeigen das Potenzial von Vegetations- und Niederschlagsparametern zur Anwendung eines Downscaling-Verfahrens. Das Verständnis der subskaligen Heterogenität von oberflächennaher Bodenfeuchte ist von besonderem Interesse, um zum Beispiel großskalige aber gering aufgelöste Bodenfeuchtedaten aus SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) oder den kommenden SMAP (Soil Moisture Active Passive) Satellitenmessungen besser nutzen zu können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Korres, Wolfgang wolfgang.korres@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-50653
Date:	2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut
Subjects:	Earth sciences Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Soil moisture, Catchment hydrology, Pattern, Scale, Ecohydrological modelling English Bodenfeuchte, Einzugsgebietshydrologie, Muster, Skalierung, Ökohydrologische Modellierung German
Date of oral exam:	14 January 2013
Referee:	Name Academic Title Schneider, Karl Prof. Dr. Bareth, Georg Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5065