stringtranslate.com

Эвапотранспирация

Водный цикл поверхности Земли, показывающий отдельные компоненты транспирации и испарения, составляющие суммарное испарение. Другими показанными тесно связанными процессами являются сток и пополнение подземных вод .
домашний питомец
Глобальное распределение потенциальной эвапотранспирации, усредненной за 1981–2010 годы из набора данных CHELSA-BIOCLIM+ [1]

Эвапотранспирация ( ЭТ ) – это совокупный процесс, который перемещает воду с поверхности Земли в атмосферу . Оно охватывает как испарение воды (перемещение воды в воздух непосредственно из почвы, крон и водоемов), так и транспирацию (испарение, происходящее через устьица или отверстия в листьях растений). Эвапотранспирация является важной частью местного водного цикла и климата , и ее измерение играет ключевую роль в сельскохозяйственном орошении и управлении водными ресурсами . [2]

Определение эвапотранспирации

Эвапотранспирация представляет собой комбинацию испарения и транспирации, измеряемую для лучшего понимания потребностей сельскохозяйственных культур в воде, планирования орошения [3] и управления водосборами. [4] Двумя ключевыми компонентами эвапотранспирации являются:

Эвапотранспирация обычно измеряется в миллиметрах воды (т.е. объёме воды, перемещаемой на единицу площади поверхности Земли) за установленную единицу времени. [5] : Гл. 1, «Единицы»  По оценкам, в глобальном масштабе в среднем от трех пятых до трех четвертей осадков на суше возвращается в атмосферу посредством эвапотранспирации. [6] [7] [8] : Гл. 1 

Эвапотранспирация, как правило, не объясняет других механизмов, которые участвуют в возврате воды в атмосферу, хотя некоторые из них, такие как сублимация снега и льда в регионах, расположенных на большой высоте или в высоких широтах, могут вносить большой вклад в атмосферную влажность даже в стандартных условиях.

Факторы, влияющие на уровень эвапотранспирации

Основные факторы

Поскольку испарение и транспирация происходят, когда вода попадает в воздух, уровень суммарного испарения на данной территории в первую очередь контролируется: [9]

Вторичные факторы

Тип растительности

Тип растительности влияет на уровень эвапотранспирации. [10] Например:

Растительный покров

Транспирация является более крупным компонентом суммарного испарения (по сравнению с испарением) на территориях с обильной растительностью. [12] В результате более густая растительность, такая как леса, может увеличить суммарное испарение и снизить водоотдачу.

Двумя исключениями из этого правила являются облачные леса и тропические леса . В облачных лесах деревья собирают жидкую воду в виде тумана или низких облаков на свою поверхность, которая в конечном итоге стекает на землю. Эти деревья по-прежнему способствуют эвапотранспирации, но часто собирают больше воды, чем испаряют или испаряют. [13] [14] В тропических лесах выход воды увеличивается (по сравнению с расчищенными, незасаженными лесом землями в той же климатической зоне), поскольку эвапотранспирация увеличивает влажность в лесу (часть которой конденсируется и быстро возвращается в виде осадков, выпадающих на уровне земли в виде дождя ). Плотность растительности блокирует солнечный свет и снижает температуру на уровне земли (тем самым уменьшая потери из-за испарения с поверхности), а также снижает скорость ветра (тем самым уменьшая потерю влаги в воздухе). Совокупный эффект приводит к увеличению поверхностного стока рек и повышению уровня грунтовых вод при сохранении тропических лесов. Вырубка тропических лесов часто приводит к опустыниванию , поскольку температура на уровне земли и скорость ветра повышаются, растительный покров теряется или намеренно уничтожается в результате вырубки и сжигания, влажность почвы снижается из-за ветра, а почвы легко подвергаются эрозии из-за сильного ветра и осадков. [15] [16]

Почва и орошение

На неорошаемых территориях фактическое суммарное испарение обычно не превышает количества осадков , с некоторым буфером и изменениями во времени, зависящими от способности почвы удерживать воду. Обычно оно будет меньше, поскольку часть воды будет потеряна из-за просачивания или поверхностного стока . Исключением являются районы с высоким уровнем грунтовых вод , где капиллярное действие может привести к тому, что вода из грунтовых вод поднимется через матрицу почвы обратно на поверхность. Если потенциальная эвапотранспирация превышает фактическое количество осадков, то почва будет высыхать до тех пор, пока условия не стабилизируются, если не будет использоваться орошение .

Измерение суммарного испарения

Прямое измерение

Конструкция лизиметра

Эвапотранспирацию можно измерить непосредственно с помощью весового или чашечного лизиметра . Лизиметр непрерывно измеряет вес растения и связанной с ним почвы, а также любой воды, добавленной в результате осадков или орошения. Затем изменение запаса воды в почве моделируется путем измерения изменения веса. При правильном использовании это позволяет точно измерить суммарное испарение на небольших площадях.

Косвенная оценка

Поскольку непосредственное измерение потока атмосферного пара затруднено или требует много времени, [8] : Гл. 1  Эвапотранспирация обычно оценивается одним из нескольких методов, не основанных на прямых измерениях.

Водный баланс водосбора

Эвапотранспирацию можно оценить путем расчета уравнения водного баланса для данной территории: Уравнение водного баланса связывает изменение количества воды, хранящейся в бассейне ( S ), с ее входом и выходом:

В уравнении изменение количества воды, хранящейся в бассейне ( ΔS ), связано с осадками ( P ) (вода, поступающая в бассейн), и эвапотранспирацией ( ET ), речным стоком ( Q ) и пополнением подземных вод ( D ) (вода, выходящая из бассейна). бассейн). Переставив уравнение, можно оценить ET, если известны значения других переменных:

Энергетический баланс

Второй метод оценки заключается в расчете энергетического баланса.

где λE — энергия, необходимая для перехода воды из жидкого состояния в газообразное, R n — чистая радиация, G — тепловой поток почвы, а H — поток явного тепла . Используя такие инструменты, как сцинтилометр , пластины теплового потока почвы или измерители радиации, можно рассчитать компоненты энергетического баланса и определить энергию, доступную для фактического испарения.

Алгоритмы SEBAL и METRIC определяют энергетический баланс на поверхности Земли с использованием спутниковых изображений. Это позволяет рассчитывать как фактическое, так и потенциальное суммарное испарение на попиксельной основе. Эвапотранспирация является ключевым показателем эффективности управления водными ресурсами и орошения. SEBAL и METRIC могут отображать эти ключевые показатели во времени и пространстве, в течение дней, недель или лет. [17]

Оценка по метеорологическим данным

Учитывая метеорологические данные, такие как ветер, температура и влажность, можно рассчитать эталонную ET. Наиболее общим и широко используемым уравнением для расчета эталонной ЕТ является уравнение Пенмана . Вариант Пенмана -Монтейта рекомендован Продовольственной и сельскохозяйственной организацией [18] и Американским обществом инженеров-строителей . [19] Более простое уравнение Блейни-Криддла было популярно на западе США в течение многих лет, но оно не столь точно во влажных регионах с более высокой влажностью. Другие уравнения для оценки суммарного испарения на основе метеорологических данных включают уравнение Маккинка, которое простое, но должно быть откалибровано для конкретного местоположения, и уравнения Харгривза.

Чтобы преобразовать эталонную эвапотранспирацию в фактическую эвапотранспирацию сельскохозяйственных культур, необходимо использовать коэффициент культуры и коэффициент стресса. Коэффициенты сельскохозяйственных культур, используемые во многих гидрологических моделях, обычно меняются в течение года, поскольку сельскохозяйственные культуры являются сезонными, и, в целом, поведение растений меняется в течение года: многолетние растения созревают в течение нескольких сезонов, тогда как однолетние растения не выживают более нескольких сезонов . ] , поэтому реакции на стресс могут существенно зависеть от многих аспектов типа и состояния растения.

Потенциальная эвапотранспирация

Ежемесячная оценка потенциального суммарного испарения и измеренное испарение с поверхности воды для двух мест на Гавайях : Хило и Пахала.

Потенциальная эвапотранспирация (ПЭТ) – это количество воды, которое испарилось бы и транспирировалось конкретной культурой, почвой или экосистемой, если бы было достаточно воды . Это отражение энергии, доступной для испарения или испарения воды, а также ветра, доступного для переноса водяного пара от земли вверх в нижние слои атмосферы и от первоначального местоположения. Часто значение потенциальной эвапотранспирации рассчитывается на ближайшей климатической станции на эталонной поверхности, обычно на суше, где преобладает невысокая трава (хотя это может отличаться от станции к станции). Эта величина называется эталонной эвапотранспирацией (ET 0 ). Говорят, что фактическое суммарное испарение равно потенциальному суммарному испарению при наличии достаточного количества воды. Эвапотранспирация никогда не может быть больше потенциальной эвапотранспирации, но может быть ниже, если воды недостаточно для испарения или растения неспособны к зрелой и легкой транспирации.

В некоторых штатах США используется эталонная культура люцерны с полным покрытием высотой 0,5 м (1,6 фута) вместо обычной эталонной короткой зеленой травы из-за более высокого значения ET для эталонной люцерны. [20] Потенциальное суммарное испарение выше летом, в более ясные и менее пасмурные дни и ближе к экватору из-за более высоких уровней солнечной радиации, которая обеспечивает энергию (тепло) для испарения. Потенциальное суммарное испарение также выше в ветреные дни, поскольку испаряемая влага может быть быстро удалена с земли или поверхности растений до того, как она выпадет в осадок, позволяя большему количеству испарений заполнить ее место.

Потенциальное суммарное испарение выражается через глубину воды или процент влажности почвы и может быть отображено на графике в течение года (см. рисунок).

Потенциальная эвапотранспирация обычно измеряется косвенно, исходя из других климатических факторов, но также зависит от типа поверхности, например наличия свободной воды (для озер и океанов), типа почвы для голой почвы, а также плотности и разнообразия растительности . Часто значение потенциальной эвапотранспирации рассчитывается на ближайшей климатической станции на эталонной поверхности, обычно на короткой траве (см. выше). Это значение называется эталонным суммарным испарением и может быть преобразовано в потенциальное суммарное испарение путем умножения на поверхностный коэффициент. В сельском хозяйстве это называется коэффициентом урожая. Разница между потенциальной эвапотранспирацией и фактическими осадками используется при планировании орошения .

Среднегодовую потенциальную эвапотранспирацию часто сравнивают со среднегодовыми осадками, обозначенными символом P. Соотношение этих двух показателей P / PET является индексом засушливости . Влажный субтропический климат — это зона климата с жарким и влажным летом и холодной или мягкой зимой. В субарктических регионах, между 50° с.ш. [21] и 70° с.ш., лето короткое, мягкое, а зима морозная, в зависимости от местного климата. Осадки и суммарное испарение низкие (по сравнению с более теплыми вариантами), растительность характерна для хвойно-таежного леса.

Список моделей эвапотранспирации, основанных на дистанционном зондировании

Классификация моделей ET на основе RS, основанных на подходах к оценке разумного теплового потока
Классификация моделей ET на основе RS, основанных на подходах к оценке разумного теплового потока

Программное обеспечение для расчета

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Брун, П., Циммерманн, Н.Э., Хари, К., Пеллиссье, Л., Каргер, Д.Н. (препринт): Глобальные предсказатели, связанные с климатом, с километровым разрешением для прошлого и будущего. Система Земли. наук. Данные Обсудить. https://doi.org/10.5194/essd-2022-212. Архивировано 8 января 2023 г. в Wayback Machine.
  2. ^ «Эвапотранспирация - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 2 мая 2022 г.
  3. ^ Гоял, Мег Р.; Хармсен, Эрик В. (26 сентября 2013 г.). Эвапотранспирация: принципы и применение для управления водными ресурсами. ЦРК Пресс. стр. XXI. ISBN 978-1-926895-58-1.
  4. ^ Вёрёсмарти, CJ; Федерер, Калифорния; Шлосс, Алабама (25 июня 1998 г.). «Потенциальные функции испарения по сравнению с водоразделами США: возможные последствия для глобального водного баланса и моделирования наземных экосистем». Журнал гидрологии . 207 (3): 147–169. Бибкод : 1998JHyd..207..147V. дои : 10.1016/S0022-1694(98)00109-7. ISSN  0022-1694.
  5. ^ abc Аллен, Рик Г. (1998). Эвапотранспирация сельскохозяйственных культур: Рекомендации по расчету потребности сельскохозяйственных культур в воде. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций. ISBN 978-92-5-104219-9.
  6. ^ Юнг, Мартин; Райхштейн, Маркус; Сиа, Филипп; Сеневиратне, Соня И.; Шеффилд, Джастин; Гулден, Майкл Л.; Бонан, Гордон; Ческатти, Алессандро; Чен, Цзицюань; де Же, Ричард; Долман, А. Йоханнес (21 октября 2010 г.). «Недавнее снижение глобальной тенденции эвапотранспирации на суше из-за ограниченного запаса влаги». Природа . 467 (7318): 951–954. Бибкод : 2010Natur.467..951J. дои : 10.1038/nature09396. ISSN  1476-4687. PMID  20935626. S2CID  4334266.
  7. ^ Оки, Тайкан; Канаэ, Синдзиро (25 августа 2006 г.). «Глобальные гидрологические циклы и мировые водные ресурсы». Наука . 313 (5790): 1068–1072. Бибкод : 2006Sci...313.1068O. дои : 10.1126/science.1128845. PMID  16931749. S2CID  39993634.
  8. ^ аб Александрис, Ставрос (30 апреля 2013 г.). Эвапотранспирация: обзор. Совет директоров – Книги по запросу. ISBN 978-953-51-1115-3.
  9. ^ Альфьери, JG; Кустас, В.П.; Андерсон, MC (05.06.2018), Краткий обзор подходов к измерению суммарного испарения, Монографии по агрономии, Мэдисон, Висконсин, США: Американское общество агрономии, Американское общество растениеводства и Американское общество почвоведения, Inc., стр. 109–127, doi : 10.2134/agronmonogr60.2016.0034, ISBN. 9780891183587, S2CID  133852825 , получено 10 марта 2022 г.
  10. ^ Джардина, Франческо; Гентин, Пьер; Конингс, Александра Г.; Сеневиратне, Соня И.; Стокер, Бенджамин Д. (25 августа 2023 г.). «Диагностика реакции эвапотранспирации на дефицит воды в биомах с использованием глубокого обучения». Новый фитолог . дои : 10.1111/nph.19197 . hdl : 20.500.11850/628261 . PMID  37621238. S2CID  261120782 . Проверено 30 августа 2023 г.
  11. ^ Суонк, Уэйн Т.; Дуглас, Джеймс Э. (6 сентября 1974 г.). «Ручной сток значительно сократился за счет преобразования лиственных древостоев в сосны» (PDF) . Наука . 185 (4154): 857–859. Бибкод : 1974Sci...185..857S. дои : 10.1126/science.185.4154.857. ISSN  0036-8075. PMID  17833698. S2CID  42654218.
  12. ^ Ясечко, Скотт; Шарп, Закари Д.; Гибсон, Джон Дж.; Биркс, С. Джин; Йи, Йи; Фосетт, Питер Дж. (3 апреля 2013 г.). «В потоках наземных вод преобладает транспирация». Природа . 496 (7445): 347–50. Бибкод : 2013Natur.496..347J. дои : 10.1038/nature11983. PMID  23552893. S2CID  4371468.
  13. ^ Холдер, Кертис Д. (22 марта 2004 г.). «Перехват осадков и осадки тумана в тропическом горном облачном лесу Гватемалы». Лесная экология и управление . 190 (2): 373–384. doi :10.1016/j.foreco.2003.11.004. ISSN  0378-1127.
  14. ^ «Облачный лес». Сообщество охраны облачных лесов . Проверено 2 мая 2022 г.
  15. ^ «Как растения играют жизненно важную роль в выпадении осадков в тропических лесах | Британника» . www.britanica.com . Проверено 2 мая 2022 г.
  16. ^ Шейл, Дуглас (1 апреля 2009 г.). «Как леса привлекают дождь: проверка новой гипотезы». Бионаука . Проверено 2 мая 2022 г.
  17. ^ "SEBAL_ WaterWatch" . Архивировано из оригинала 13 июля 2011 г.
  18. ^ Аллен, Р.Г.; Перейра, Л.С.; Раес, Д.; Смит, М. (1998). Эвапотранспирация сельскохозяйственных культур: Рекомендации по расчету потребности сельскохозяйственных культур в воде. Документ ФАО по ирригации и дренажу 56. Рим, Италия: Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций. ISBN 978-92-5-104219-9. Архивировано из оригинала 15 мая 2011 г. Проверено 8 июня 2011 г.
  19. ^ Рохас, Хосе П.; Шеффилд, Рональд Э. (2013). «Оценка ежедневных эталонных методов эвапотранспирации по сравнению с уравнением Пенмана-Монтейта ASCE-EWRI с использованием ограниченных данных о погоде в северо-восточной Луизиане». Журнал ирригационной и дренажной техники . 139 (4): 285–292. doi : 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000523. ISSN  0733-9437.
  20. ^ «Центр исследований и распространения знаний Кимберли» (PDF) . расширение.uidaho.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года . Проверено 4 мая 2018 г.
  21. ^ «Влажный субтропический климат (Cfa) | Авиационная безопасность SKYbrary» . skybrary.aero . Проверено 19 октября 2023 г.
  22. ^ Андерсон, MC; Кустас, В.П.; Норман, Дж. М.; Хейн, ЧР; Мецикальски-младший; Шульц, Л.; Гонсалес-Дуго, член парламента; Каммаллери, К.; д'Урсо, Г.; Пимштейн, А.; Гао, Ф. (21 января 2011 г.). «Составление карты ежедневного суммарного испарения на местах в континентальных масштабах с использованием спутниковых изображений, находящихся на геостационарной и полярной орбите». Гидрология и науки о системе Земли . 15 (1): 223–239. Бибкод : 2011HESS...15..223A. doi : 10.5194/hess-15-223-2011 . hdl : 10447/53094 . ISSN  1607-7938.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  23. ^ Дхунгель, Рамеш; Эйкен, Роберт; Колаицци, Пол Д.; Линь, Сяомао; О'Брайен, Дэн; Баумхардт, Р. Луи; Брауэр, Дэвид К.; Марек, Гэри В. (15 июля 2019 г.). «Оценка некалиброванной модели энергетического баланса (BAITSSS) для оценки суммарного испарения в полузасушливом адвективном климате». Гидрологические процессы . 33 (15): 2110–2130. Бибкод : 2019HyPr...33.2110D. дои : 10.1002/hyp.13458. ISSN  0885-6087. S2CID  146551438.
  24. ^ Дхунгель, Рамеш; Аллен, Ричард Г.; Тредза, Рикардо; Робисон, Кларенс В. (2016). «Эвапотранспирация между спутниковыми эстакадами: методология и тематическое исследование в полузасушливых районах с преобладанием сельского хозяйства». Метеорологические приложения . 23 (4): 714–730. Бибкод : 2016MeApp..23..714D. дои : 10.1002/met.1596 . ISSN  1469-8080.
  25. ^ Аллен Ричард Г.; Тасуми Масахиро; Трецца Рикардо (1 августа 2007 г.). «Спутниковый энергетический баланс для картирования суммарного испарения с внутренней калибровкой (METRIC) — модель». Журнал ирригационной и дренажной техники . 133 (4): 380–394. дои : 10.1061/(ASCE) 0733-9437 (2007) 133: 4 (380).
  26. ^ Абтью В. Измерения и моделирование эвапотранспирации для трех систем водно-болотных угодий в Южной Флориде. Варенье. Водный ресурс. Ассн. 1996;32:465–473.
  27. ^ Бастианссен, WGM; Мененти, М.; Феддес, РА; Хольцлаг, ААМ (1 декабря 1998 г.). «Алгоритм баланса приземной энергии дистанционного зондирования Земли (SEBAL). 1. Формулировка». Журнал гидрологии . 212–213: 198–212. Бибкод : 1998JHyd..212..198B. дои : 10.1016/S0022-1694(98)00253-4. ISSN  0022-1694.
  28. ^ Су, З. (2002). «Система баланса поверхностной энергии (SEBS) для оценки турбулентных тепловых потоков». Гидрология и науки о системе Земли . 6 (1): 85–100. Бибкод : 2002HESS....6...85S. doi : 10.5194/hess-6-85-2002 . ISSN  1607-7938.
  29. ^ Сенай, Габриэль Б.; Бомс, Стефани; Сингх, Рамеш К.; Гауда, Прасанна Х.; Велпури, Нага М.; Алему, Хенок; Вердин, Джеймс П. (13 мая 2013 г.). «Оперативное картирование суммарного испарения с использованием наборов данных дистанционного зондирования и погодных данных: новая параметризация для подхода SSEB». Журнал JAWRA Американской ассоциации водных ресурсов . 49 (3): 577–591. Бибкод : 2013JAWRA..49..577S. дои : 10.1111/jawr.12057 . ISSN  1093-474X.
  30. ^ abc ФАО. 2023. Определение суммарного испарения с помощью дистанционного зондирования. Алгоритмы, сильные и слабые стороны, неопределенность и наилучшее соответствие целям. Каир. https://doi.org/10.4060/cc8150en
  31. ^ Фишер Дж. Б., Ту К. П. и Бальдокки Д. Д. 2008. Глобальные оценки потока воды из суши в атмосферу на основе ежемесячных данных AVHRR и ISLSCP-II, проверенных на 16 сайтах FLUXNET. Дистанционное зондирование окружающей среды., 112: 901–919.
  32. ^ Ху Г. и Цзя Л. 2015. Мониторинг суммарного испарения в полузасушливом внутреннем речном бассейне путем объединения микроволновых и оптических наблюдений дистанционного зондирования. Дистанционное зондирование, 7:3056-3087; https://doi.org/10.3390/rs70303056
  33. ^ ФАО. 2023. Определение суммарного испарения с помощью дистанционного зондирования. Алгоритмы, сильные и слабые стороны, неопределенность и наилучшее соответствие целям. Каир. https://doi.org/10.4060/cc8150en
  34. ^ Ву Б., Чжу В., Ян Н., Син Ц., Сюй Дж., Ма З. и Ван Л. 2020. Региональная фактическая оценка суммарного испарения с использованием наземных и метеорологических переменных, полученных на основе спутниковых данных из нескольких источников. Дистанционное зондирование, 12, 332; https://doi.org/10.3390/rs12020332

Внешние ссылки