stringtranslate.com

Эвапотранспирация

Водный цикл поверхности Земли, показывающий отдельные компоненты транспирации и испарения, составляющие эвапотранспирацию. Другие тесно связанные процессы, показанные на рисунке, — сток и пополнение подземных вод .
домашний питомец
Глобальное распределение потенциального эвапотранспирации, усредненное за 1981–2010 годы по данным CHELSA-BIOCLIM+ [1]

Эвапотранспирация ( ET ) относится к комбинированным процессам, которые перемещают воду с поверхности Земли (открытые водные и ледяные поверхности, голая почва и растительность ) в атмосферу . [2] : 2908  Он охватывает как испарение воды (перемещение воды в воздух непосредственно из почвы, полога и водоемов), так и транспирацию (испарение, которое происходит 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 . [3]

Определение

Эвапотранспирация определяется как: «Комбинированный процесс, посредством которого вода переносится в атмосферу с открытых водных и ледяных поверхностей, голой почвы и растительности , составляющих поверхность Земли». [2] : 2908 

Эвапотранспирация представляет собой комбинацию испарения и транспирации, измеряемую для лучшего понимания потребности сельскохозяйственных культур в воде, планирования орошения [4] и управления водоразделом. [5] Двумя ключевыми компонентами эвапотранспирации являются:

Эвапотранспирация обычно измеряется в миллиметрах воды (т.е. объем воды, перемещаемой на единицу площади поверхности Земли) за установленную единицу времени. [6] : Гл. 1, «Единицы»  В глобальном масштабе считается, что в среднем от трех пятых до трех четвертей осадков, выпадающих на суше, возвращается в атмосферу посредством эвапотранспирации. [7] [8] [9] : Гл. 1 

Эвапотранспирация, как правило, не учитывает другие механизмы, 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 влажность воздуха даже в стандартных условиях.

Факторы влияния

Диаграмма, показывающая влияние почвенного покрова на эвапотранспирацию и другие факторы водопользования.

Первичные факторы

Уровни эвапотранспирации в данной области в первую очередь контролируются тремя факторами: [10] Во-первых, количеством присутствующей воды. Во-вторых, количеством энергии, присутствующей в воздухе и почве (например, тепла, измеряемого глобальной температурой поверхности ); и, в-третьих, способностью атмосферы поглощать воду ( влажностью ).

Что касается второго фактора (энергия и тепло): изменение климата привело к повышению глобальной температуры (см. инструментальные данные по температуре ). Это глобальное потепление привело к увеличению эвапотранспирации над сушей. [11] : 1057  Увеличение эвапотранспирации является одним из последствий изменения климата для круговорота воды .

Вторичные факторы

Тип растительности

Тип растительности влияет на уровень эвапотранспирации. [12] Например, травянистые растения обычно испаряют меньше, чем древесные растения , потому что у них обычно менее обширная листва. Кроме того, растения с глубоко проникающими корнями могут испарять воду более постоянно, потому что эти корни могут втягивать больше воды в растение и листья. Другим примером является то, что хвойные леса, как правило, имеют более высокие показатели эвапотранспирации, чем лиственные широколиственные леса, особенно в период покоя зимой и ранней весной, потому что они вечнозеленые . [13]

Покрытие растительностью

Транспирация является более значительным компонентом эвапотранспирации (по сравнению с испарением) в районах с обильной растительностью. [14] В результате более густая растительность, например леса, может увеличить эвапотранспирацию и снизить водоотдачу.

Два исключения из этого правила — облачные леса и тропические леса . В облачных лесах деревья собирают жидкую воду в тумане или низких облаках на своей поверхности, которая в конечном итоге капает на землю. Эти деревья по-прежнему способствуют эвапотранспирации, но часто собирают больше воды, чем испаряют или транспирируют. [15] [16] В тропических лесах водоотдача увеличивается (по сравнению с расчищенными, не покрытыми лесом землями в той же климатической зоне), поскольку эвапотранспирация увеличивает влажность внутри леса (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 потери переносимой по воздуху влаги). Совокупный эффект приводит к увеличению потоков поверхностных рек и более высокому уровню грунтовых вод , в то время как тропический лес сохраняется. Расчистка тропических лесов часто приводит к опустыниванию, поскольку температура на уровне земли и скорость ветра увеличиваются, растительный покров теряется или намеренно уничтожается в результате расчистки и сжигания, влажность почвы уменьшается из-за ветра, а почвы легко разрушаются под воздействием сильного ветра и осадков. [17] [18]

Почва и орошение

В районах, которые не орошаются, фактическое эвапотранспирация обычно не больше осадков , с некоторым буфером и изменениями во времени в зависимости 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 почвенную матрицу обратно на поверхность. Если потенциальное эвапотранспирация больше фактического количества осадков, то почва будет высыхать до тех пор, пока условия не стабилизируются, если только не используется орошение .

Измерения

Прямое измерение

Конструкция лизиметра

Эвапотранспирацию можно измерить напрямую с помощью весового или лоткового лизиметра . Лизиметр непрерывно измеряет вес растения и связанной с ним почвы, а также любую воду, добавленную осадками или орошением. Затем изменение запаса воды в почве моделируется путем измерения изменения веса. При правильном использовании это позволяет точно измерять эвапотранспирацию на небольших площадях.

Косвенная оценка

Поскольку непосредственное измерение потока атмосферного пара затруднительно или занимает много времени, [9] : Гл. 1  эвапотранспирация обычно оценивается одним из нескольких различных методов, которые не основаны на прямом измерении.

Баланс водосборной воды

Эвапотранспирацию можно оценить, оценив уравнение водного баланса для данной области: Уравнение водного баланса связывает изменение количества воды, хранящейся в бассейне ( S ), с ее поступлением и оттоком:

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

Энергетический баланс

Второй метод оценки — расчет энергетического баланса.

где λE — энергия, необходимая для изменения фазы воды из жидкости в газ, R n — чистое излучение, G — поток тепла через почву, а H — явный поток тепла . Используя такие приборы, как сцинтиллятор , пластины для измерения потока тепла через почву или измерители радиации, можно рассчитать компоненты энергетического баланса и определить энергию, доступную для фактического испарения.

Алгоритмы SEBAL и METRIC решают энергетический баланс на поверхности Земли с использованием спутниковых снимков. Это позволяет рассчитывать как фактическую, так и потенциальную эвапотранспирацию попиксельно. Эвапотранспирация является ключевым показателем для управления водными ресурсами и эффективности орошения. SEBAL и METRIC могут отображать эти ключевые показатели во времени и пространстве на дни, недели или годы. [ 19]

Оценка по метеорологическим данным

Учитывая метеорологические данные, такие как ветер, температура и влажность, можно рассчитать эталонное значение ET. Наиболее общим и широко используемым уравнением для расчета эталонного значения ET является уравнение Пенмана . Вариация Пенмана–Монтейта рекомендована Продовольственной и сельскохозяйственной организацией [20] и Американским обществом инженеров-строителей [21] . Более простое уравнение Блейни–Криддла было популярно на западе США в течение многих лет, но оно не так точно во влажных регионах с более высокой влажностью. Другие уравнения для оценки эвапотранспирации по метеорологическим данным включают уравнение Маккинка, которое простое, но должно быть откалибровано для определенного места, и уравнения Харгривза.

Для преобразования эталонного эвапотранспирирования в фактическое эвапотранспирирование урожая необходимо использовать коэффициент урожая и коэффициент стресса. Коэффициенты урожая, используемые во многих гидрологических моделях, обычно изменяются в течение года, поскольку урожай является сезонным, и, в целом, поведение растений меняется в течение года: многолетние растения созревают в течение нескольких сезонов, в то время как однолетние растения не выживают более нескольких [ необходимо разъяснение ] , поэтому реакции на стресс могут существенно зависеть от многих аспектов типа и состояния растения.

Потенциальная эвапотранспирация

На этой анимации показан прогнозируемый рост потенциального испарения в Северной Америке к 2100 году по сравнению с 1980 годом, основанный на объединенных результатах нескольких климатических моделей .

Потенциальное суммарное испарение (ПЭТ) или потенциальное испарение (ПЭ) — это количество воды, которое испарилось бы и транспирировалось определенной культурой , почвой или экосистемой , если бы было достаточно воды. Это отражение энергии, доступной для испарения или транспирации воды, и ветра, доступного для переноса водяного пара от земли в нижние слои атмосферы и от первоначального местоположения. Потенциальное суммарное испарение выражается через глубину воды или процент влажности почвы.

Если фактическое эвапотранспирация рассматривается как чистый результат потребности атмосферы во влаге с поверхности и способности поверхности поставлять влагу, то PET является мерой стороны потребности (также называемой потребностью в испарении ). Температура поверхности и воздуха, инсоляция и ветер влияют на это. Засушливая земля — это место, где годовое потенциальное испарение превышает годовое количество осадков .

Часто значение потенциального эвапотранспирации рассчитывается на близлежащей климатической станции на эталонной поверхности, обычно на земле, где преобладает короткая трава (хотя это может отличаться от станции к станции). Это значение называется эталонным эвапотранспирацией (ET 0 ). Говорят, что фактическое эвапотранспирация равно потенциальному эвапотранспирации, когда присутствует достаточное количество воды. Эвапотранспирация никогда не может быть больше потенциального эвапотранспирации, но может быть ниже, если недостаточно воды для испарения или растения не способны транспирировать зрело и легко. Некоторые штаты США используют полнопокровную эталонную культуру люцерны высотой 0,5 м (1,6 фута), а не общую эталонную короткую зеленую траву из-за более высокого значения ET от эталонной люцерны . [22]

Потенциальное испарение выше летом, в более ясные и менее облачные дни, и ближе к экватору, из-за более высоких уровней солнечной радиации, которая обеспечивает энергию (тепло) для испарения. Потенциальное испарение также выше в ветреные дни, потому что испаряемая влага может быть быстро перемещена с поверхности земли или растения до того, как она выпадет в осадок, позволяя большему испарению заполнить ее место.

Список моделей эвапотранспирации, основанных на данных дистанционного зондирования

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Брун, П., Циммерманн, NE, Хари, К., Пеллиссье, Л., Каргер, DN (препринт): Глобальные климатические предикторы с километровым разрешением для прошлого и будущего. Обсуждение данных Earth Syst. Sci. https://doi.org/10.5194/essd-2022-212 Архивировано 08.01.2023 на Wayback Machine
  2. ^ ab IPCC, 2022: Приложение II: Глоссарий [Möller, V., R. van Diemen, JBR Matthews, C. Méndez, S. Semenov, JS Fuglestvedt, A. Reisinger (ред.)]. В: Изменение климата 2022: Воздействия, адаптация и уязвимость. Вклад Рабочей группы II в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [H.-O. Pörtner, DC Roberts, M. Tignor, ES Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, B. Rama (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, стр. 2897–2930, doi:10.1017/9781009325844.029.
  3. ^ "Эвапотранспирация - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Получено 2022-05-02 .
  4. ^ Гойал, Мег Р.; Хармсен, Эрик В. (2013-09-26). Эвапотранспирация: принципы и применение для управления водными ресурсами. CRC Press. стр. xxi. ISBN 978-1-926895-58-1.
  5. ^ Vörösmarty, CJ; Federer, CA; Schloss, AL (1998-06-25). "Сравнение функций потенциального испарения на водоразделах США: возможные последствия для глобального водного баланса и моделирования наземных экосистем". Journal of Hydrology . 207 (3): 147–169. Bibcode : 1998JHyd..207..147V. ​​doi : 10.1016/S0022-1694(98)00109-7. ISSN  0022-1694.
  6. ^ abc Allen, Rick G. (1998). Эвапотранспирация сельскохозяйственных культур: Руководство по расчету потребности сельскохозяйственных культур в воде. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций. ISBN 978-92-5-104219-9.
  7. ^ Юнг, Мартин; Райхштейн, Маркус; Сиаис, Филипп; Сеневиратне, Соня И.; Шеффилд, Джастин; Гулден, Майкл Л.; Бонан, Гордон; Ческатти, Алессандро; Чэнь, Цзицюань; де Же, Ричард; Долман, А. Йоханнес (21.10.2010). «Недавнее снижение глобальной тенденции эвапотранспирации земель из-за ограниченного запаса влаги». Nature . 467 (7318): 951–954. Bibcode :2010Natur.467..951J. doi :10.1038/nature09396. ISSN  1476-4687. PMID  20935626. S2CID  4334266.
  8. ^ Оки, Тайкан; Канаэ, Синдзиро (2006-08-25). «Глобальные гидрологические циклы и мировые водные ресурсы». Science . 313 (5790): 1068–1072. Bibcode :2006Sci...313.1068O. doi :10.1126/science.1128845. PMID  16931749. S2CID  39993634.
  9. ^ ab Alexandris, Stavros (2013-04-30). Эвапотранспирация: Обзор. BoD – Книги по запросу. ISBN 978-953-51-1115-3.
  10. ^ Альфьери, Дж. Г.; Кустас, В. П.; Андерсон, М. К. (2018-06-05), Краткий обзор подходов к измерению эвапотранспирации, Агрономические монографии, Мэдисон, Висконсин, США: Американское агрономическое общество, Американское общество растениеводства и Американское общество почвоведения, Inc., стр. 109–127, doi : 10.2134/agronmonogr60.2016.0034, ISBN 9780891183587, S2CID  133852825 , получено 2022-03-10
  11. ^ Douville, H., K. Raghavan, J. Renwick, RP Allan, PA Arias, M. Barlow, R. Cerezo-Mota, A. Cherchi, TY Gan, J. Gergis, D. Jiang, A. Khan, W. Pokam Mba, D. Rosenfeld, J. Tierney и O. Zolina, 2021: Глава 8: Изменения водного цикла. В Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, SL Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, MI Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, JBR Matthews, TK Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu и B. Zhou (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, стр. 1055–1210, doi:10.1017/9781009157896.010.
  12. ^ Giardina, Francesco; Gentine, Pierre; Konings, Alexandra G.; Seneviratne, Sonia I.; Stocker, Benjamin D. (25 августа 2023 г.). «Диагностика реакций эвапотранспирации на дефицит воды в биомах с использованием глубокого обучения». New Phytologist . 240 (3): 968–983. doi : 10.1111/nph.19197 . hdl : 20.500.11850/628261 . PMID  37621238. S2CID  261120782.
  13. ^ Суонк, Уэйн Т.; Дуглас, Джеймс Э. (1974-09-06). «Streamflow Greatly Reduced by Converting Leafiduous Hardwood Standings to Pine» (PDF) . Science . 185 (4154): 857–859. Bibcode :1974Sci...185..857S. doi :10.1126/science.185.4154.857. ISSN  0036-8075. PMID  17833698. S2CID  42654218. Архивировано из оригинала (PDF) 24.12.2012 . Получено 07.01.2020 .
  14. ^ Jasechko, Scott; Sharp, Zachary D.; Gibson, John J.; Birks, S. Jean; Yi, Yi; Fawcett, Peter J. (3 апреля 2013 г.). «Terrestrial water fluxes, dominated by transpiration». Nature . 496 (7445): 347–50. Bibcode :2013Natur.496..347J. doi :10.1038/nature11983. PMID  23552893. S2CID  4371468.
  15. ^ Холдер, Кертис Д. (2004-03-22). «Перехват осадков и выпадение 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.
  16. ^ "Cloud Forest". Community Cloud Forest Conservation . Получено 2022-05-02 .
  17. ^ «Как растения играют важную роль в выпадении осадков в тропических лесах | Britannica». www.britannica.com . Получено 2022-05-02 .
  18. ^ Шейл, Дуглас (2009-04-01). «Как леса привлекают дождь: исследование новой гипотезы». BioScience . Получено 2022-05-02 .
  19. ^ "SEBAL_ WaterWatch". Архивировано из оригинала 2011-07-13.
  20. ^ Аллен, RG; Перейра, LS; Раес, D.; Смит, M. (1998). Эвапотранспирация сельскохозяйственных культур: Руководство по расчету потребностей 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 2011-05-15 . Получено 2011-06-08 .
  21. ^ Рохас, Хосе П.; Шеффилд, Рональд Э. (2013). «Оценка методов ежедневной эталонной эвапотранспирации по сравнению с уравнением Пенмана-Монтейта ASCE-EWRI с использованием ограниченных данных о погоде в северо-восточной Луизиане». Журнал по ирригации и дренажной инженерии . 139 (4): 285–292. doi :10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000523. ISSN  0733-9437.
  22. ^ "Kimberly Research and Extension Center" (PDF) . extension.uidaho.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. . Получено 4 мая 2018 г. .
  23. ^ Андерсон, MC; Кустас, WP; Норман, JM; Хайн, CR; Мечикальски, JR; Шульц, L.; Гонсалес-Дуго, MP; Каммаллери, C.; д'Урсо, G.; Пимштейн, A.; Гао, F. (2011-01-21). «Картирование суточной эвапотранспирации в полевых и континентальных масштабах с использованием изображений с геостационарных и полярно-орбитальных спутников». Гидрология и науки о системе Земли . 15 (1): 223–239. Bibcode : 2011HESS...15..223A. doi : 10.5194/hess-15-223-2011 . hdl : 10447/53094 . ISSN  1607-7938.
  24. ^ Дхунгел, Рамеш; Айкен, Роберт; Колаицци, Пол Д.; Лин, Сяомао; О'Брайен, Дэн; Баумхардт, Р. Луис; Брауэр, Дэвид К.; Марек, Гэри В. (15.07.2019). «Оценка некалиброванной модели энергетического баланса (BAITSSS) для оценки эвапотранспирации в полузасушливом адвективном климате». Гидрологические процессы . 33 (15): 2110–2130. Bibcode : 2019HyPr...33.2110D. doi : 10.1002/hyp.13458. ISSN  0885-6087. S2CID  146551438.
  25. ^ Дхунгел, Рамеш; Аллен, Ричард Г.; Трецца, Рикардо; Робинсон, Кларенс В. (2016). «Эвапотранспирация между спутниковыми эстакадами: методология и исследование случая в сельскохозяйственных преобладающих полузасушливых районах». Meteorological Applications . 23 (4): 714–730. Bibcode : 2016MeApp..23..714D. doi : 10.1002/met.1596 . ISSN  1469-8080.
  26. ^ Аллен Ричард Г.; Тасуми Масахиро; Трецца Рикардо (2007-08-01). «Спутниковый энергетический баланс для картирования эвапотранспирации с внутренней калибровкой (METRIC) — модель». Журнал по ирригации и дренажной инженерии . 133 (4): 380–394. doi :10.1061/(ASCE)0733-9437(2007)133:4(380).
  27. ^ Эбтью В. Измерения и моделирование эвапотранспирации для трех систем водно-болотных угодий в Южной Флориде. J. Am. Water Resour. Assn. 1996;32:465–473.
  28. ^ Bastiaanssen, WGM; Menenti, M.; Feddes, RA; Holtslag, AAM (1998-12-01). "Алгоритм баланса энергии поверхности дистанционного зондирования для суши (SEBAL). 1. Формулировка". Журнал гидрологии . 212–213: 198–212. Bibcode : 1998JHyd..212..198B. ​​doi : 10.1016/S0022-1694(98)00253-4. ISSN  0022-1694.
  29. ^ Su, Z. (2002). «Система баланса поверхностной энергии (SEBS) для оценки турбулентных тепловых потоков». Гидрология и науки о системах Земли . 6 (1): 85–100. Bibcode : 2002HESS....6...85S. doi : 10.5194/hess-6-85-2002 . ISSN  1607-7938.
  30. ^ Сенай, Габриэль Б.; Бомс, Стефани; Сингх, Рамеш К.; Гоуда, Прасанна Х.; Велпури, Нага М.; Алему, Хенок; Вердин, Джеймс П. (13.05.2013). «Оперативное картирование эвапотранспирации с использованием наборов данных дистанционного зондирования и погоды: новая параметризация для подхода SSEB». Журнал JAWRA Американской ассоциации водных ресурсов . 49 (3): 577–591. Bibcode : 2013JAWRA..49..577S. doi : 10.1111/jawr.12057 . ISSN  1093-474X.
  31. ^ abc FAO. 2023. Дистанционное определение эвапотранспирации – алгоритмы, сильные и слабые стороны, неопределенность и наилучшее соответствие цели. Каир. https://doi.org/10.4060/cc8150en
  32. ^ Фишер Дж. Б., Ту КП и Балдокки Д. Д. 2008. Глобальные оценки потока воды между сушей и атмосферой на основе ежемесячных данных AVHRR и ISLSCP-II, проверенных на 16 сайтах FLUXNET. Дистанционное зондирование окружающей среды, 112: 901–919
  33. ^ Ху Г. и Цзя Л. 2015. Мониторинг эвапотранспирации в полузасушливом внутреннем речном бассейне путем объединения микроволновых и оптических дистанционных наблюдений. Дистанционное зондирование, 7: 3056-3087; https://doi.org/10.3390/rs70303056
  34. ^ ФАО. 2023. Дистанционное определение эвапотранспирации – алгоритмы, сильные и слабые стороны, неопределенность и наилучшее соответствие цели. Каир. https://doi.org/10.4060/cc8150en
  35. ^ Wu B., Zhu W., Yan N., Xing Q., Xu J., Ma Z. и Wang L. 2020. Региональная фактическая оценка эвапотранспирации с использованием наземных и метеорологических переменных, полученных из многоисточниковых спутниковых данных. Дистанционное зондирование, 12, 332; https://doi.org/10.3390/rs12020332

Внешние ссылки