Soil moisture dynamics in water- and energy-limited ecosystems. Application to slope stability

Abstract

I investigate the daily dynamics of the soil-water-climate system in water- and energy-limited environments. I analyze the stochastic component of radiation at the Earth's surface in the photosynthetically active spectral band in 28 sites located around the world and propose a clear-sky based methodology to model it. In order to study the e_ect of stochastic radiation on soil moisture and evapotranspiration, we use the proposed radiation model and the ecohydrological model of Rodr__guez-Iturbe et al. I introduce a semi-analytical equation to analyze the dynamics of evapotranspiration as a function of stochastic rainfall and radiation. With climatic and physiological measurements from the FLUXNET dataset, and taking into account the coupling of water and CO2 uxes through the leaf plant, I parameterize the link of transpiration and available energy, which is used to extend the ecohydrological model to energy-limited ecosystems. Finally, I carry out an application to landslides triggered by rainfall, relating the factor of safety of a slope to soil moisture, and examine the widely used threshold rainfall approach to estimate the landslides occurrence.

Resumen: En esta tesis se investiga la dinámica diaria del agua en el sistema clima-suelo-vegetación en ambientes limitados por agua y energía. Se analiza la componente estocástica de la radiación fotosintéticamente activa en superficie en 28 sitios localizados alrededor del mundo, y se propone una metodóloga basada en el índice clear-sky para modelar su comportamiento. Con el modelo de radiación se estudia el efecto de la estocasticidad de la energía disponible en la dinámica de la humedad del suelo y de la evapotranspiración, proponiendo una ecuación semianalitica para modelar la transpiración en función de la lluvia y la radiación estocásticas. Usando mediciones de diferentes variables climáticas y fisiológicas, y considerando el acoplamiento de los flujos de agua y CO2 a través de la planta, se parametriza la relación entre la transpiración y la energía disponible, y se extiende el modelo ecohidrolóogico de Rodríguez-Iturbe et al. a ecosistemas limitados por energía. Por _último, se hace una aplicación a deslizamientos detonados por lluvias, relacionando el factor de seguridad de una ladera con la humedad del suelo, y se examina el enfoque de umbrales de lluvia en la determinación de la ocurrencia de deslizamientos.