Modeling of the Radiation, Energy and Water budget of a Faidherbia albida agroforestry park in the Sahel.

5 mois : février - juin 2023

(English version below)

Modélisation du bilan radiatif, énergétique et hydrique d’un parc agroforestier de Faidherbia albida au Sahel

Au Sahel, le climat et la disponibilité des nutriments pour les plantes limitent fortement les pratiques agricoles. Ces régions manquent d’eau et de nutriments et sont sujettes à la sécheresse avec des températures élevées et un apport énergétique important, ce qui entraîne la mortalité des plantes et un faible rendement des cultures. Depuis des siècles, les agriculteurs locaux se sont adaptés à ces conditions. Lorsque cela est possible, ils ont mis en place des pratiques agroforestières qui consistent à protéger les cultures de céréales ou d’arachides par des arbres dispersés, notamment Faidherbia albida qui perdent leurs feuilles pendant la période de croissance des cultures (phénologie inversée). Les arbres font de l’ombre aux cultures, et remontent l’eau des ressources en eau profonde qui profite à la végétation sous canopé. Le stage aura pour objectif de modéliser de tels écosystèmes hydro-éco-climatiques à l’aide d’un modèle hydrologique permettant de simuler les transferts d’énergie (y compris le rayonnement) et d’eau. Parflow-CLM résout les équations de Richards ainsi qu’une équation d’onde cinématique pour simuler les transferts verticaux et latéraux dans la zone saturée, dans la zone non saturée et le ruissellement à la surface. Il est couplé à un modèle de surface terrestre (SVAT) qui résout le rayonnement et le bilan énergétique incluant le rayonnement net, les flux de chaleur sensible et latente. Ce dernier est un puits pour l’équation de Richards. De tels modèles nécessitent une grande quantité de données pour construire le modèle hydrologique, pour forcer et évaluer les simulations.

Dans le cadre de l’Observatoire AMMA-CATCH, un parc agroforestier de Faidherbia albida a été instrumenté à Niakhar pour lequel plusieurs années d’observations sont disponibles, comprenant les caractéristiques du sol, les données micro-météorologiques, les flux de sève dans les troncs et les racines des arbres Faidherbia, les flux turbulents sur le sous-étage et sur l’ensemble des écosystèmes, la respiration du sol, les flux d’eau de surface vers l’étang voisin. Cet ensemble complet d’observations permettra de préparer des modèles 1D, 2D et 3D et de simuler la réponse hydrologique à la variabilité climatique. Certains scénarios simples de changement climatique pourraient être appliqués par la suite pour simuler l’impact de ces écosystèmes dans le futur.

english version :
Modeling of the Radiation, Energy and Water budget of a Faidherbia albida agroforestry park in Sénégal

In the Sahel, the climate and the availability of nutrients for plants strongly constrain agricultural practices. These areas lack water and nutrients and are prone to drought with high temperatures and high energy input leading to plant mortality and low crop yields. For centuries, local farmers have adapted to such conditions. When possible, they have implemented agroforestry practices which consist of protecting cereal or peanut crops by dispersed trees, specifically Faidherbia albida which lose their leaves during the crop growth period. The trees shade the crops and uplift water from deep water resources which benefit to the understory. The internship will aim to model such hydro-eco-climatic eco-systems using a hydrological model to simulate energy (including radiation) and water transfers. Parflow-CLM use to solve Richards Equations together with a kinematic wave equation to simulate vertical and lateral transfers in the saturated, in the unsaturated zone and the runoff at the surface. It is coupled to a Land Surface Model (LSM) that solves the radiation and the energy budget including Net radiation, sensible and Latent heat fluxes. The latest is a sink for the Richards equation. Such models require a large amount of data to build the hydrological model, to force and evaluate the simulations.

In the framework of the AMMA-CATCH Observatory, a Faidherbia albida agroforestry park has been instrumented in Niakhar (Sénégal) and provided several years of observations including ground characteristics, micro-meteorological data, sap flows in trunks, and roots of Faidherbia trees, turbulent fluxes over the understory and over the all ecosystems, soil respiration, surface water fluxes to the pond nearby. This complete set of observations will allow us to prepare 1D, 2D, and 3D models and simulate the hydrological response to climate variability. Some simple climate change scenarios could be applied afterward to simulate how such ecosystems will be impacted in the future.