S. Alexandris

Transcript

1 Εξατμισοδιαπνοή Evapotranspiration

2 Εξατμισοδιαπνοή Συμβολίζεται ως : ET Διαπνοή (Transpiration) + Η έννοια που είναι γνωστή ως εξατμισοδιαπνοή (ET), είναι η απώλεια του νερού που επιτυγχάνεται με την εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους και των φυτών με την συνδυασμένη απώλεια νερού μέσω της φυτοκόμης (διαπνοής). Είναι παράμετρος μεγάλης σπουδαιότητας για πολλές επιστήμες, συμπεριλαμβανομένου και : Εξάτμιση (Evaporation) Της σχεδίασης συστημάτων άρδευσης Του προγραμματισμού άρδευσης Των στραγγίσεων Των υδρολογικών μελετών

3 Εξάτμιση & Διαπνοή EVAPOT TRANS SPIRATIO ON 100% 80% LAI 60% 40% 20% transpiration evaporation ET 2 0% time

4 Διαπνοή Στομάτιο Υδρατμοί CΟ 2 Οριακή Στρώση Επιδερμίδα Επιδερμικά κύτταρα Μεσοφυλλικά κύτταρα Day Ξύλο night Στοματικό βοθρίο

5 Δυνητική Εξατμισοδιαπνοή (Potential) Συμβολίζεται ως :ET Συμβολίζεται ως :ET p Η έννοια της δυνητικής (potential) εξατμισοδιαπνοής εισήχθη αρχικά προς το τέλος της δεκαετίας του '40 και στις αρχές της δεκαετίας του 50 από τον Penman και ορίζεται ως "το ποσό του νερού που διαπνέεται και εξατμίζεται σε έναν δεδομένο χρόνο από μια χαμηλή πράσινη βλάστηση, που καλύπτει εντελώς το έδαφος, ομοιόμορφου ύψους και με επάρκεια εδαφικού νερού. Επισημάνεται ότι στον καθορισμό της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής, ο ρυθμός εξατμισοδιαπνοής δεν συσχετίζεται με μια συγκεκριμένη καλλιέργεια. χαμηλή πράσινη βλάστηση ΌΧΙ συγκεκριμένη καλλιέργεια.

6 Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς (Reference) Οι περισσότερες από τις επιδράσεις των δά διάφορων κλιματικών συνθηκών ενσωματώνονται στην εκτίμηση της ETο. Επομένως, η ETο αντιπροσωπεύει ένα δείκτης των κλιματικών απαιτήσεων. Οι μόνοι παράγοντας που έχουν επιπτώσεις στην ΕΤο είναι οι κλιματικές παράμετροι Ορισμοί δύο καλλιεργειών αναφοράς ETο για μια χαμηλή καλλιέργεια κατά προσέγγιση ύψος 0.12 m (όμοιοα με κουρεμένο γρασίδι). ET o ETr για μια υψηλή καλλιέργεια κατά προσέγγιση με ύψος 0.50 m (παρόμοια με την μηδική, πλήρης-κάλυψη ). ET r

7 Εξατμισοδιαπνοή αναφοράς γρασιδιού Συμβολίζεται ως : ET o Η ΕΤο ορίζεται ως: "Ο ρυθμός εξάτμισης από μία υποθετική καλλιέργεια αναφοράς με ύψος 0.12 m, με σταθερή συνολική αντίσταση επιφάνειας 70 sec/m και albedo 0.23, δηλαδή με συνθήκες παρόμοιες ρυθμόού εξατμισοδιαπνοής που προέρχεται από μια εκτεταμένη πράσινη επιφάνεια γρασιδιού (ψυχρούύ τύπου) ) ομοιόμορφου ύψους 8-12 cm, δυναμικά αυξανόμενη, επαρκώς αρδευόμενη, και με πλήρη κάλυψη του εδάφους " Grass (cool season)

8 Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς ή Βασική ET r Η ΕΤο ορίζεται ως: "Ο ρυθμός εξάτμισης από μία υποθετική καλλιέργεια αναφοράς με ύψος 0.50 m, με σταθερή συνολική αντίσταση επιφάνειας 45 sec/m και albedo 0.23, δηλαδή με συνθήκες παρόμοιες ρυθμόού εξατμισοδιαπνοής που προέρχεται Συμβολίζεται ως :ET Alfalfa από μια εκτεταμένη πράσινη επιφάνεια μηικής (alfalfa) ομοιόμορφου ύψους 50 cm, δυναμικά αυξανόμενη, επαρκώς αρδευόμενη, και με πλήρη κάλυψη του εδάφους "

9 Εξατμισοδιαπνοή Καλλιέργειας (crop) Συμβολίζεται ως : ET c crop (τυποποιημένες συνθήκες ) Εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ΕΤc είναι η μέγιστη εξατμισοδιαπνοή που παρατηρείται από μια δυναμικά αναπτυσσόμενη καλλιέργεια κάτω από τυποποιημένες συνθήκες με καλή λίπανση απαλλαγμένη ασθενειών, εγκατεστημένη σε μεγάλο αγρό και με βέλτιστες συνθήκες εδαφικής υγρασίας και η οποία θα μπορούσε να αποδώσει την μέγιστη παραγωγή, κάτω από συγκεκριμένες κλιματικές συνθήκες.

10 Πραγματική Εξατμισοδιαπνοή Συμβολίζεται ως : ET εξαρτώμενο a Είναι το ποσό του νερού που αφαιρείται πραγματικά από μια καλλιεργούμενη επιφάνεια λόγω των διαδικασιών της εξάτμισης και της διαπνοής καικάτω από τις υπάρχουσες πραγματικές συνθήκες διάθεσης του εδαφικού νερού Πραγματικά αφαιρούμενο νερό από την καλλιέργεια και από την εκάστοτε εδαφική υγρασία Λυσίμετρο Lysimiter

11 Συντελεστής καλλιέργειας (Crop coefficient) K c Στην προσέγγιση K c -ET o, διαφορές στην φυτοκόμη και στην αεροδυναμική αντίσταση σε σχέση με την καλλιέργεια αναφοράς λαμβάνονται υπόψη και ενσωματώνονται στον συντελεστή καλλιέργειας. Ο K c χρησιμεύει ως μια συνάθροιση των φυσικών και φυσιολογικών διαφορών μεταξύ των καλλιεργειών ET c K ET c o(gra ss) ET c K ET c r(alfalfa)

12 ET c K c ET o Υπολογιζόμενη εξατμισοδιαπνοή αναφοράς Μικρομετεωρολογικός σταθμός Χαρακτηριστικά καλλιέργειας Γρασίδι

13 Χαρακτηριστικά του K c O συντελεστής K c αντιπροσωπεύει την ολοκληρωμένη λ επίδραση τεσσάρων αρχικών χαρακτηριστικών που διαφοροποιούν μια καλλιέργεια από την επιφάνεια αναφοράς (grass ή alfalfa). Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι: 1. Crop height. Το ύψος καλλιέργειας επηρεάζει τον αεροδυναμικό όρο αντίστασης, r a, της εξίσωσης FAO Penman-Monteith και την στροβιλώδη μεταφορά των υδρατμών στηνη ατμόσφαιρα. 2. Albedo (συντελεστής ανάκλασης) της καλλιέργειας και της επιφάνειας του εδάφους. Το albedo επηρεάζεται απότοποσοστόκάλυψης της βλάστησης ηςκαι από την υγρασία εδαφικής επιφάνειας και συνεπώς άμεσα την καθαρή ακτινοβολία της επιφάνειας, Rnet, η οποία η βασική πηγή της ενεργειακής ανταλλαγής στη διαδικασία της εξάτμισης. 3. Αντίσταση φυτοκόμης. Η αντίσταση της φυτοκόμης στη μεταφορά του υδρατμού ατμού επηρεάζεται από την φυλλική επιφάνεια LAI, τον αριθμό στοματίων, την ηλικία και τον μηχανισμό ελέγχου των στοματίων. 4. Εξάτμιση από το γυμνό έδαφος ειδικά το ποσοστό του ακάλυπτου από την καλλιέργεια.

14 K ratio K calfalfa K K (Allen et al., 1998) ratio c grass h Kratio U RHmin K ratio Con nversion n factor K Areas U2=1 m/sec U2=2 m/sec U2=3 m/sec U2=4 m/sec U2=5 m/sec arid Semi arid Sub humid Calm Humid humid Minimum daily relative humidity RH %

15 Στάδια ανάπτυξης και K c 1.20 Αρχικό στάδιο Στάδιο ανάπτυξησ Στάδιο Μέγιστης ανάπτυξης Τελικό στάδιο ς Κc Συντ τελεστή Ανά άπτυξη καλ λλιέργειας K c 0.20 Καλλιεργητική περίοδος Στάδιο συγκομιδής Βάθος Ριζοστρώματος

16 K c στο μέσο στάδιο ανάπτυξης Τυπικές τιμές K c για διαφορετικές καλλιέργειες σε πλήρη ανάπτυξη FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56 ET o Sugar cane Large vegetables Apples Maize Pineapple Citrus Cherries Peaches Small vegetables Cotton

17 Εύρος διακύμανσης Κ c λόγω διαφορετικών κλιματικών συνθηκών FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56 ασίας έμου λής υγρα τητα ανέ κες υψηλ ρή ταχύτ Συνθήκ με μικρ Onion Cabbage Beans Sugar cane maize Cotton ες με συνθήκε νέμους ξερικές σ υρούς αν κραίες ξ ισχυ Ακ ET o Kc

18 Μοντέλα Penman για την Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς (Συνδυαστικά( Μοντέλα) )

19 Γενική μορφή μεθόδου Penman Καθαρή ροή ακτινοβολίας Ροή θερμότητας στο έδαφος Λανθάνουσα θερμότητα Έλλειμμα κορεσμού στην ατμόσφαιρα εξάτμισης 1 ET o R n G K w w f VPD Κλίση καμπύλης κορεσμένων υδρατμών Ψυχρομετρική σταθερά Συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου K 6.43 w K w Συντελεστής μετατροπής μονάδων Ημερήσιο βήμα εκτίμησης mm/day Ωριαίο βήμα εκτίμησης mm/hour

20 (Harrison, 1963) =2.501-(2.361 x 10 ) T MJ / kg air 2.50 KJ J/kg MJ / at 20 o C kg Temperature o C

21 Έλλειμμα κορεσμού στην ατμόσφαιρα T e s exp T RHhr ea es 100 VPD e e For Hourly s a time step calculation T ( ) exp T min ( min ) exp e s T T min max e s Tmax T max e max s T es es 1 RH max RH ea min max 2 es T es T min ( ) ( Tmin ) 2 For Daily time step calculation

22 Συνάρτηση Ταχύτητας του Ανέμου w a b u f w w 2 Wind speed (m/sec) Ροή θερμότητας στο έδαφος For daily time step calculation G 0 For hourly time step calculation For Rnet 0 G 0.1R For Rnet 0 G 0.5R net net

23 1. Μέθοδος ET o Penman 1963 (Original Penman 1963) grass reference PEN-1963 w u f 2 Hourly Daily 2. Kimberly Penman (Wright and Jensen,1972) w u f 2 alfalfa reference KPEN-1982 Hourly Daily 3. FAO-24 Penman. (Doorenbos & Pruitt, 1977) w u f 2 alfalfa reference FAO24-PEN Hourly Daily

24 4. Μέθοδος Kimberly Penman 1982 (Wright, 1982) 2 J 173 a w exp 58 2 J 243 b w exp 80 Hourly Daily wf aw bw u2 alfalfa reference (Wright, 1982) KPEN Μέθοδος Kimberly Penman 1982 (Wright, 1996) J 170 aw exp J 228 b w exp 67 Hourly Daily wf aw bw u2 grass reference (Wright, 1996) KPEN-1996

25 6. CIMIS-Penman California Irrigation Management Information System (George et al., 1985; Snyder and Pruitt, 1985; Snyder and Pruitt, 1992 ) Only Hourly time step calculation PEN-CIMIS grass reference ET (mm / h) R mm/ h o n w f VPD R 0 n Rn 0 w u f 2 wf u2 R net calculation (Dong et al., 1992) T P P z z a 7 2

26 8. FAO-24 FAO-24 Corrected Penman (Doorenbos and Pruitt, 1977) grass reference w u f 2 Daily FAO24-PENC 9. FAO-24 FAO-24 Corrected Penman (Doorenbos and Pruitt, 1977) ETo c R n G K w w f VPD U c RHmax 0.018R s 0.068Ud U U d U d RHmax Rs Ud Un U d U 1 d n Frevert et al.,1983 grass reference Daily FAO24-PENC1 3.0 R RHmax 90 Ud 9.0 U s a d n

27 S. Alexandris 2003 D FAO24-PENC2 Allen and Pruitt.1989 C2 c U U R RH R Ud Ud Ud RHmax Ud RHmax R s U U n d d s max s U RH R U U RH Ud U RH R RH R 2 d d max s d max Un U n d max s m ax n 2 2 s

28 General form of Penman-Monteith Model Latent heat flux density for evaporation Soil heat flux density Net Radiation flux density Factor for conversion Atmospheric Density Vapor pressure deficit Specific heat moist air ET R G K c e e n time p a d Slope of the saturation vapor curve 1 r s 1 Blk f it Psychrometric costant r a r a Bulk surface resistance For the canopy and soil Aerodynamic resistance

29 Aerodynamic and Crop surface resistance Sensor measurement level l (2m) U2, T, RH Wind Aerodynamic Resistance r a r a zm d zh d ln ln z om z oh 2 ku z stom mata εξατμίζουσα επιφάνεια epidermis soil U=0 Bulk surface Resistanse = r r s Z om = roughness parameter for momentum Z oh =roughness parameter for heat and vapor d h c d = 2/3h c z om = 0.123h c z m, z h z oh =0.1 z om r s r LAI r 1 r LAI 1 1 active Bulk stomata resistance sec m

30 ASCE-Penman Monteith ASCE Committee on evapotranspiration in Irrigation and Hydrology, January 2000 Daily and Hourly time step ET ref C R n G u 2 e s e T 273 1C u n d 2 Calculation time step ΕT ο (grass) ET r (alfalfa) C n C d C n C d Daily Hourly Rn > Rn <

31 Empirical methods of Potential & Rfeference Evapotranspiration

32 1.Blaney-Criddle corrected, FAO-24 Blaney-Criddle (Doorenbos and Pruitt,1977) ETo a bf F 0.46Tm 8.13 p d n p 100 N N a RH min N i i i d i 1 Frevert et al., 1983 B1 FAO24BC-B1 n n b a a RH a a u a RH a RH U N N o 1 min 2 3 d 4 min 5 min d Allen and Pruit,1989 B2 FAO24BC-B2B2 n b RH 2 min ln Ud 1 N n n RHmin RHmin Ud 0.281ln Ud 1 ln 1 N N 2 n ln Ud 1 ln RHmin 1 ln 1 (B23) N 2

33 HAR Hargreaves 1975 (Original) HAR-1985 ETo R s (Tmean 17.8) ΕΤ ο [mm/day] T mean [ o C] R s [mm/day] 3. Hargreaves - Samani ET T T T 17.8 R o max min a ΕΤ ο [mm/day] T mean, T max,t min [ o C] R a [mm/day] R k T T R s Rs max min a k rs correction factor [ ο C -0.5 ] T max R s Tm ax Tm in krs Ra Tmax Tmin T T T mean T max min min Tmean 2 2 2

34 4. Priestley-Taylor (1972) PT-1972 ETo R n G ET -2-1 ο o [mm/day] R n, G [cal cm day ] Δ, γ [mb/ C] λ [cal/gr] ET o [mm/day] R n,g[mj m -2 day -1 ] Δ, γ [kpa/ ο C] λ [MJ/kg] 5. Turc (1961) TURC RH > 50% RH < 50% T ET R 50 o s T15 T ETo R s RH T ΕΤ ο [mm/day] Τ [ o C] R s [cal cm -2 day].

35 6. FAO-24 Radiation (Doorenbos and Pruitt,1977) Frevert et al., 1983 FAO24-RAD ETo b R s0.3 b = ( RH mean ) (U d ) ( RH mean U d ) (RH -2 mean ) (U d ) 2 ET o [mm/d] RH mean [0.5(RH max +RH min )] (Doorenbos and Pruitt 1977) R s [mm/d ] U d [m/sec] 1 10 RHmax RHmin 100%, 0 Ud 10 m sec 2 7. Jensen-Haise Radiation Method (1963, 1966) Fitted coefficients for centralgreece r ET T 3 R JH-1963 ET T R JH-1963 r ΕΤ r [mm/day] Τ [ o C] R s [mm/day]. s s

36 Other methods: MAKKINK 8. MAKKINK (1957) R s ET ET o [mm/day] R s [MJ m -2 day -1 ] Δ, γ [kpa/ ο C] λ [MJ/kg] 9. Solar Thermal Unit Method (STU) ( Caprio, 1974 ) 9 ET R 1.8 T 1 STU o s m ET o [mm/day] R s [MJ m -2 day -1 ]Tm [ ο C] Thornthwaite (1948) Modified Thornthwaite (Siegert and Schrodter, 1975) Linacre (1977) Modified Linacre (1992) Albrecht formula (1950) Antal formula (Muler et al, 1990; Wendlng et al.,1991) Haude formula (Original, 1952) Haude (Heger 1978, hourly) Haude modified (Lopmeier,1994) Naumann formula (1987) Sh Schendel dlformula (1968) Wendling formula ( ) 1995) MCl McCloud d(1955) COST 711 REPORT (February 1998). H. Friesland, K.-C. Kersebaum & F.-J. Löpmeier. Operational use of irrigation models using medium range. Weather forecast working group on irrigation participants: Germany (ZALF e. V. Müncheberg, ZAMF, German Weather Service (2), Austria (Central Institute for Meteorology and Geodynamics,), Hungary (Orszagos Meteorologiai Szolgalat,),Italy (Nazionale delle Ricerche, I.A.T.A.,IATA)

37 Method characteristics Method ΕΤ ο ΕΤ r H D M n T RH U 2 R s R n G Penman 1963 Kimberly 1972 Pen Kimberly 1982 Pen FAO24 Penman FAO24 Penman corrected CIMIS Penman FAO56 PM ASCE PM 2000 FAO24 Blaney-Criddle Hargreaves 1974 Hargreaves 1985 Turc Priestley-Taylor FAO24-Radiation i Jensen-Haise Makkink Solar Thermal Unit (STU) COPAIS