Il Bilancio idrico

Il modello 3D-CMCC include un proprio bilancio idrico basato sulla simulazione di più strati vegetazionali su scala mensile. Nel caso più semplice di una foresta mono-strato l'acqua entra nel ciclo mediante la pioggia (mmH2O month-1) (RP) (per ora le precipitazioni di carattere nevoso non

vengono prese in considerazione); una parte esce dal sistema per evaporazione dal suolo (ES), se la coperture delle chiome non è completa e una parte esce per evapotraspirazione (ET), in funzione del

grado di copertura della cella dell'unico strato. L'evapotraspirazione è modellizzata utilizzando l'equazione di Penman-Monteith (Campbell & Norman, 1998) mediante:

E_T=R_P∗i_R∗ET_P (38)

iR rappresenta la frazione di pioggia intercettata e successivamente evaporata dalla copertura

vegetale, ETP è la evapotraspirazione potenziale al livello di chioma che viene così calcolata:

ET_P=e20∗RADNetdefTerm

duv (39)

dove e20 è il coefficiente di correlazione fra la pressione di vapore saturo e la temperatura (kPa°C-1)

(per T = 20 °C) e RADNet è la radiazione netta (W m-2). Le variabili defTerm e duv vengono invece

così calcolate:

defTerm=_Air∗∗VPD_Conv∗VPD∗BLCond (40)

duv =1e20BLCond gC

(41)

ρAir rappresenta la densità dell'aria (Kg m-3), λ è il calore latente di evaporazione (MJ kg-1), VPDConv

è una costante che converte il VPD al deficit di saturazione, BLCond è la Canopy Boundary Layer

Conductance e gC è la conduttanza al livello di chioma. Parte delle precipitazioni vengono

intercettate dalla copertura vegetale e sono quindi strettamente legate all'indice di area fogliare del popolamento. L'acqua in eccesso presente nel suolo (cioè quando ASW è maggiore di MaxASW) viene considerata persa per ruscellamento o per infiltrazione negli strati profondi del suolo dove non è considerata più disponibile per le radici. La conduttanza stomatica viene modellizzata al

livello di chioma ed è anch'essa direttamente legata all'indice di area fogliare e alla conduttanza stomatica stessa che risulta essere specie-specifica e poi rapportata al livello di chioma. Questa aumenta all'aumentare della quantità di foglie presenti fino ad un massimo oltre il quale si mantiene costante e risulta inoltre strettamente legata anche al deficit di pressione di vapor acqueo, alla quantità di acqua presente nel suolo e all'età del popolamento. L'equazione generale del bilancio idrico è così modellizzata:

 _S=1−i_R∗R_p−E_TE_S (42)

L'intercettazione, come prima accennato, cresce al crescere del LAI fino ad un massimo iRx:

i_R=i_Rx∗min {1,  LAI

LAI_ix} (43)

dove LAIix rappresenta il LAI per cui si ha il massimo di intercettazione al livello di chioma e LAI è

l'indice di area fogliare della classe presa in considerazione.

L'evapotraspirazione è poi calcolata su base mensile mediante l'equazione di Penman-Monteith che tiene in considerazione la radiazione solare, il deficit di pressione di vapore, la conduttanza al livello di chioma gC (m s-1), a sua volta condizionata dall'età del popolamento, dal VPD e dalla

disponibilità idrica nel suolo tramite il modificatore fisiologico φ, e aumenta all'aumentare del LAI

Fig. 27: Rappresentazione dell'intercettazione delle precipitazioni in una foresta mono-

fino ad un massimo definito dal parametro gCx (m s-1):

g_C=g_Cx∗∗min {1 , LAI LAICx

} (44)

dove LAICx rappresenta il LAI per cui si ha il massimo di conduttanza al livello di chioma.

- L'intercettazione delle precipitazioni e l'evapotraspirazione in un modello multistrato

Nel modello 3D-CMCC ogni strato partecipa direttamente (se in fase vegetativa) o indirettamente (se in fase di riposo) al bilancio idrico. Il modello ricorsivamente su scala mensile partendo dallo strato dominante calcola l'evapotraspirazione e l'intercettazione della pioggia da parte delle foglie per ogni strato. Così come per il modulo che calcola la quantità di luce disponibile, anche il modulo che calcola il bilancio idrico tiene conto della copertura vegetale di ogni singolo piano rispetto alla cella di riferimento. Partendo dallo strato dominante (top_layer) il modello calcola l'intercettazione della pioggia e l'evapotraspirazione con le modalità precedentemente descritte. L'implementazione della legge di Beer, per il calcolo della luce disponibile per la fotosintesi, è stata utilizzata anche per stimare la quantità di radiazione incidente (W m-2_{) che riesce ad attraversare lo strato dominante e}

raggiungere i piani sottostanti. La quantità di radiazione che gli strati più inferiori riescono ad intercettare permette di determinare il tasso di evapotraspirazione di questi mentre la conoscenza della copertura del piano dominante permette di determinare la quantità di pioggia che questo intercetta e quindi la quantità di pioggia che gli strati sottostanti possono a loro volta intercettare. Nel caso dell'evapotraspirazione il modello determina la quantità (in forma percentuale) di luce che

Fig. 28: Relazione tra conduttanza al livello di chioma e indice di area fogliare

viene intercettata dallo strato sovrastante e la quantità di luce non intercettata, caso in cui la copertura sovrastante non sia chiusa ( CanopyCover1 ), fa una media e restituisce un valore di radiazione netta che si considera possa arrivare al di sotto del piano dominante (W m-2_{). Assumendo}

che A sia la specie dominante e B la specie dominata la radiazione netta che arriva allo strato dominato viene così calcolata:

RAD_NetB=RAD_Net0∗1−CanCover_A−{[RAD_Net0∗Light Absorbed_A]∗CanCover_A} (45)

Nel caso dell'intercettazione della pioggia il modello stima la quantità di pioggia intercettata dallo strato dominante (RainA) e la sottrae alla quantità totale di pioggia caduta (Rain0). Una parte di

questa (RainB), se la copertura sovrastante non è chiusa ( GapA0 o CanCoverA1 ), verrà

intercettata dagli strati sottostanti (CanCoverB). Tramite la seguente equazione è possibile stimare

quindi la quantità di pioggia intercettabile dal layer dominato e dai successivi piani fino a stimare la quantità di acqua che raggiunge il suolo:

Con Gap_ACanCover_B

Rain_B=Rain₀−Rain_A∗CanCover_B (46)

Con Gap_ACanCover_B

Rain_B=Rain₀−Rain_A∗Gap_A (47)

Con la simulazione dell'ultimo strato presente il modello somma la quantità totale di pioggia intercettata (iRTOT) e l'evapotraspirazione totale (ETTOT)di tutti gli strati e, se presente, il gap della copertura totale per il calcolo dell'evaporazione dal suolo (ES) sottoposto ad irraggiamento diretto.

L'equazione del bilancio idrico per la simulazione di una foresta multi-strato viene così modificata: