Hydrologia. L6 Haihdunta. Määritelmiä

Transkriptio

1 Hydrologia L6 Haihdunta Määritelmiä Evaporaatio: haihdunta maan, veden tai lumen pinnalta Transpiraatio: kasvien elintoimintoihin liittyvä haihdunta Evapotranspiraatio: maa-alueilta tapahtuva kokonaishaihdunta Potentiaalinen evapotranspiraatio: edellinen, kun veden puute ei sitä rajoita Potentiaalinen evaporaatio: puhtaasta vapaasta vedenpinnasta tapahtuva haihdunta Todellinen haihdunta: haihdunta, joka todellisuudessa tapahtuu tietyltä alueelta Interseptiohaihdunta: kasvien pinnoille pidättyneen veden haihdunta 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 2 1

2 Haihdunta ilmiönä Toisin kuin kiehumista, haihtumista voi tapahtua kaikissa lämpötiloissa. Vedestä ilmaan siirtyvien vesimolekyylien määrä > ilmasta veteen haihdunta Vesimolekyylien määrä ilmassa pysyy pienenä (ts. vesihöyryn paine pieni) ja energiaa riittävästi haihdunta jatkuu Energia pinnasta tai säteilystä Molekyylejä siirtää: turbulenssi ja molekyläärinen diffuusio Kyllästystilassa haihdunta loppuu. Kyllästetyn vesihöyryn osapaine riippuu lämpötilasta 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 3 Haihduntaan vaikuttavia tekijöitä, pinnan saama veden täydennys Paljaalta maan pinnalta haihtuminen voi jatkua samalla tasolla vain, jos vettä siirtyy syvemmältä. Jos veden nousu pienempää kuin ilman haihduntavaatimus syntyy pintaan kuiva kerros ja haihdunta vähenee 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 4 2

3 Transpiraatio Haihtuminen kasvien elintoimintojen avulla Veden käyttö liittyy fotosynteesiin ja respiraatioon, pystyssä pysymiseen ja jäähdytykseen Tapahtuu ilmarakojen kautta CO 2 -kaasunvaihto Vedennousussa osmoosilla ja kapillaarisella nousulla osamerkitys. Suurin merkitys haihdunnan aiheuttamalla imulla Siirtää vettä maavesivyöhykkeestä 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 5 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 6 3

4 Maankosteus ja todellinen haihdunta Suhteellisen haihdunnan riippuvuus hyötykapasiteetista eri tutkimuksissa Vesipitoisuus lakastumisrajalla: 1 (hiekka).24 tilavuus% (savi) Kenttäkapasiteettia vastaava vesipitoisuus 45 (hiekka) 95 tilavuus% (turve) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 7 Maan pinnan energiatase missä R n = nettosäteily (sis. Pitkä- että lyhytaaltoisen osan), LE=haihduntaan kuluva energia (L=höyrystymislämpö, E=haihdunta), C = havaittava lämmönvuo, G = maahan tai veteen siirtyvä energia, M=fotosynteesiin yms. kuluva energia erilaiset säteilytaseet erilaisille maan pinnoille 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 8 4

5 Maan pinnan energiatasee n komponentit Vakkilaine n, 1982 Otaniemi Nurmipinta Kesä /01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 9 Haihdunnan mittausmenetelmiä Vesitaseen käyttö Lysimetrit Vesihöyryn vertikaalisen vuon mittaukset aerodynaamiset menetelmät energiatasemenetelmä turbulenssimenetelmä Haihtumisastioiden käyttö Empiiriset ja puoliempiiriset menetelmät 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 10 5

6 Vesitasemenetelmä missä E = haihdunta, P = sadanta, Q= nettovalunta, S= varaston muutos (voi olla + tai -) sopii pitkille jaksoille, esim. vuosihaihdunta valuma-alueelta järvissä, joiden ala suuri valuma-alueeseen verrattuna (tulovirtaaman epätarkkuus ei häiritse) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 11 Lysimetrit Mitataan vesimäärä maaperään upotetussa astiassa Mittaus: punnitseminen tai vesitasemäärityksenä Ei operatiivisessa käytössä 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 12 6

7 Vesihöyryn vertikaalisen vuon määrittämiseen perustuvat menetelmät Turbulenttinen diffuusio siirtää vesihöyryä pinnasta ilmaan Aerodynaamiset menetelmät Energiatase Suorat turbulenssimittaukset 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 13 Aerodynaamiset menetelmät missä =ilman tiheys, =vesihöyryn ja kuivan ilman molekyylipainojen suhde, p=ilmanpaine, k=von Karman vakio, u=tuulennopeus, e=vesihöyrynpaine, z=mittauskorkeus, d=tuulen nollapisteen siirtymä perustuu von Prandlin rajakerrosteoriaan perusideana useiden muuttujien arvojen mittaaminen kahdelta korkeudelta 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 14 7

8 Energiatase missä = Bowenin suhde, R n = nettosäteily, LE=haihduntaan kuluva energia (L=höyrystymislämpö, E=haihdunta), C = havaittava lämmönvuo, G = maahan tai veteen siirtyvä energia, T=lämpötila, e=vesihöyryn paine, =0.61, alaindeksit 1 ja 2 viittaavat eri korkeuksilla tehtyihin havaintoihin (veden ja ilman rajapinta 1=s ja 2 ilmassa tarvittavat mittaukset: nettosäteily, lämpötilat, kosteus, lämmönvuo maahan esim. useilla lämpömittareilla eri syvyyksillä 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 15 Turbulenssimenetelmä missä a =ilman tiheys, w =veden tiheys, q =vesihöyryn määrän hetkellinen poikkeama keskiarvosta, w = ilman virtausnopeuden vertikaalikomponentin hetkellinen poikkeama keskiarvosta Mitataan sekä vesihöyrypitoisuus että nopeusvektori hyvin taajasti, esim. 10 Hz Samanaikaisten vertikaalikomponenttien tulo antaa hetkellisen vuon Käytössä mm. Hyytiälän SMEAR asemalla SMEAR 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 16 8

9 Haihtumisastioita, CLASS-A ja GGI-3000 E 0 =P- W 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 17 Astiahaihdunnan ja PET:n suhde erilaisilla astioilla Otanimen lysimetrikentän tuloksia, Vakkilainen 1982 t = aika alkaen 1.5. korjauskerroin kasvaa kesän edetessä CLASS-A tulos paras 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 18 9

10 Astiahaihdunnan korjaus missä E L =haihdunta järvestä, E 0 =haihdunta astiassa, e 0 =vesihöyryn kyllästyspaine järven veden lämpötilassa, e 2 =vallitseva vesihöyryn paine 2 m korkeudella, lämpötilassa, e 0 1 =vesihöyryn kyllästyspaine astian veden lämpötilassa astiahaihdunnan lisäksi tarvitaan lämpötila ja kosteusmittaukset 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 19 PET/Penmannin kaava Tulokset Otaniemen lysimetrikentältä. Vakkilainen, 1982 Penmannin kaava näyttää antavan hyviä tuloksia kautta koko PET:n vaihteluvälin ja läpi kesän 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 20 10

11 Empiiriset menetelmät missä E p =potentiaalinen haihdunta, c=kasvin tyypistä ja kehitysvaiheesta riippuva kerroin, p=kuukauden prosenttiosuus auringonpaistetunneista, T m =kuukauden keskilämpötila Blaney ja Cridle (1950) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 21 Empiiriset menetelmät.. missä E ps =potentiaalinen haihdunta paljaasta maasta, =psykrometrivakio, =vesihöyrypainekäyrän kaltevuus, L= höyrystymislämpö, R n =säteily maan pinnasta, l=lehtialaindeksi=lehtien ala jaettuna maa-alalla Ritchie (1972) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 22 11

12 Todellinen haihdunta, Monteith+Rijtema missä a =ilman tiheys, =psykrometrivakio, =vesihöyrypainekäyrän kaltevuus, r s = pintavastus, r a =aerodynaaminen vastus (riippuu kasvuston pituudesta ja tuulennopeudesta), e s e a =ilman kyllästysvajaus pintavastus=kasvuston aiheuttama vastus maasta ilmaan pyrkivälle vedelle interseptiossa r s =0, peltokasveilla potentiaalisen haihdunnan tilanteessa r s =40 60 sm -1, havumetsässä = sm -1 aerodynaaminen vastus=vesihöyryn siirtovastus maasta 11/01/2013 ilmakehään WETS150 Hydrologia T.Huttula 23 Haihdunnan mittaus Tuusulanjärvellä 1(3) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 24 12

13 Haihdunnan mittaus Tuusulanjärvellä 2(3) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 25 Haihdunnan mittaus Tuusulanjärvellä 3(3) 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 26 13

14 Tämnaren Norunda Råksjö Uppsala Tämnaren - depth m - surface are 37 km 2 - fetch at meas. site km Råksjö - depth 4.3 m (max 10 m) - surface area 1.5 km 2 - fetch ~500m Energy Exchange over two Lakes in NOPEX M.Heikinheimo, T. Tourula, A. Venäläinen & A.-J. Elo Tämnaren, masto 14

15 Tämnaren, lautta turbulenssimittaukset Mittaukset menossa mastoa järven poikki vetäen Toinen lautta kiinteänä referenssinä 11/01/2013 Råksjö WETS150 Hydrologia T.Huttula 30 15

16 Kiinteä lautta Säteily-, ilmanläm pötila-, kosteus ja tuulimitta ukset 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 31 Råksjö, lautta Comparison of latent heat flux Norunda/Tämnaren/Råksjö diurnal variation 16

17 Comparison of sensible heat flux Norunda/Tämnaren/Råksjö diurnal variation Comparison of latent and sensible heat flux Norunda/Tämnaren/Råksjö seasonal variation Latent heat flux (Wm -2 )) ) Sensible heat flux (Wm -2 ) -10 May Jun Jul Aug Sep May Jun Jul Aug Sep Month Month Tämnaren Råksjön Norunda

18 Haihdunta Suomessa Suuret arvot järvisillä alueilla Suuret arvot lounaassa Yleisesti ottaen arvot pienevät Keski- Suomesta pohjoista kohden mentäessä Pienimmät arvot Kilpisjärven seudulla 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 35 Haihdunta eri leveysasteilla, Holland 1978 Havaittuja ja gloobalimallilla laskettuja haihduntoja maalla ja merellä eri leveysasteilla Erot johtuvat pinnan laadusta (maaperä, kasvillisuus ) ja tilasta (lämpötila, peitteisyys ) ja tuulioloista 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 36 18

19 Vuotuinen haihdunta maapallolla 11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 37 19