Υδροµετεωρολογία ιήθηση-εξάτµιση Νίκος Μαµάσης, Αθήνα 29 ΚΑΤΑΚΡΑΤΗΣΗ- ΙΗΘΗΣΗ-ΑΠΟΡΡΟΗ Κατακράτηση χιονιού ιαπνοή Κατακράτηση βροχής Παρεµπόδιση από χλωρίδα Παγίδευση σε επιφανειακές κοιλότητες Εξάτµιση ιήθηση Κορεσµένο έδαφος Ακόρεστο έδαφος Άµεσα κατακρηµνίσµατα στο υδατόρευµα Επίγεια ροή Υπόγεια ροή Επίγεια ροή ιήθηση Υποδερµική ροή Υπόγεια ροή 1
ΙΗΘΗΣΗ ιήθηση είναι η φυσική διεργασία της εισχώρησης στο έδαφος νερού που προέρχεται από βροχόπτωση, τήξη χιονιού ή άρδευση. Εξαρτάται από: τη διαθεσιµότητανερούγιαδιήθηση τις ιδιότητες του εδάφους ως προς τη δυνατότητα κίνησης του νερού Η διήθηση είναι σηµαντική υδρολογική συνιστώσα αφού επηρεάζει: την επιφανειακή απορροή την εξατµισoδιαπvoή και κατά συνέπεια το βιολογικό κύκλο των φυτών την επαναφόρτιση των υδροφορέων τη µεταφορά διαλυµένων ουσιών στο έδαφος Ο ρυθµός διήθησης είναι µεταβλητός, στο χώρο και το χρόνο και εξαρτάται από: την ένταση και διάρκεια των βροχοπτώσεων τις φυσικές ιδιότητες του εδάφους, την κατάσταση του επιφανειακού εδαφικού καλύµµατος και την παρουσία ή όχι χλωρίδας την περιεκτικότητα σε υγρασία του επιφανειακού εδάφους στην αρχή της βροχής τη θερµοκρασία και την ποιότητα του βρόχινου νερού ΙΗΘΗΣΗ Η κίνηση του νερού κατά τη διεργασία της διήθησης πραγµατοποιείται κάτω από την επίδραση των δυνάµεων της βαρύτητας που κυριαρχεί όταν οι πόροι του εδάφους κορεστούν από νερό. της µύζησης που αναπτύσσονται στο εδαφικό νερό στην ακόρεστη ροή (όταν οι εδαφικοί πόροι είναι µερικώς κορεσµένοι από νερό και µερικώς από αέρα), και υπερτερούν της βαρύτητας µεαποτέλεσµατησυγκράτηση του νερού στο έδαφος. Οι δυνάµεις µύζησης οφείλονται στους µηχανισµούς προσρόφησης τριχοειδών ώσµωσης 2
ΥΝΑΜΕΙΣ ΜΥΖΗΣΗΣ Ο µηχανισµός προσρόφησης του νερού στην επιφάνεια των εδαφικών κόκκων δηµιουργείται από ηλεκτροστατικές δυνάµεις (εξαιτίας της πολικότητας των µορίων του νερού). Οι δυνάµεις αυτές είναι ισχυρές µόνο πολύ κοντά στη διεπιφάνεια νερού-εδαφικών κόκκων και γι' αυτό το αποτέλεσµά τους είναι ο σχηµατισµός λεπτών υδάτινων µεµβρανών γύρω από τους κόκκους που ονοµάζονται υγροσκοπικό νερό. Οι δυνάµεις είναι ανάλογες της ολικής επιφάνειας των σωµατιδίων ανά µονάδα όγκου των εδαφών, και γι' αυτό η ποσότητα υγροσκοπικού νερού αυξάνεται µε τη µείωση της διαµέτρου των εδαφικών κόκκων. Οι δυνάµεις τριχοειδούς προκαλούνται από την επιφανειακή τάση στη διεπιφάνεια µεταξύ νερού και αέρα, µέσα στους τριχοειδείς σωληνίσκους που σχηµατίζουν οι πόροι του εδάφους. Και αυτές οι δυνάµεις αυξάνονται µε τη µείωση του µεγέθους των πόρων, άρα και του µεγέθους των κόκκων. Οι δυνάµεις ωσµωτικής πίεσης είναι λιγότερο σηµαντικές από τις δύο προηγούµενες εµφανίζονται όταν υπάρχουν διαφορές συγκέντρωσης µιας διαλυµένης ουσίας εκατέρωθεν µιας ηµιπερατής µεµβράνης. Στα εδάφη, το ρόλο των µεµβρανών µπορεί να παίζουν οι ίδιοι οι εδαφικοί πόροι, όταν επιτρέπουν την κίνήση µέσω αυτών του νερού αλλά όχι της διαλυµένης ουσίας. ΣΤΑ ΙΑ ΙΗΘΗΣΗΣ Πραγµατοποίηση βροχής µετά από περίοδο ξηρασίας Αρχικά, πραγµατοποιείται η υγροσκοπική διαβροχή υπό την επίδραση των δυνάµεων προσρόφησης Μετά την κάλυψη των αναγκών σε υγροσκοπικό νερό, το διηθούµενο νερό κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας και των τριχοειδών, τα οποία στη φάση αυτή δρουν προσθετικά. Το νερό κατέρχεται στο έδαφος λόγω του βάρους του και συγχρόνως αναρροφάται από τις ελκτικές τάσεις που αναπτύσσει το τριχοειδές της αέριας φάσης. προκαλώντας υψηλή αρχική τιµήτουρυθµού διήθησης Ο ρυθµός διήθησης µε την πάροδο του χρόνου µειώνεται, αφού το πεδίο των τριχοειδών, από προσθετικό στην αρχή της βροχής, µηδενίζεται µε τονκορεσµό του εδάφους Μετά το τέλος της βροχόπτωσης, η διήθηση στην επιφάνεια του εδάφους σταµατά, αλλά η κίνηση του νερού κάτω από αυτή εξακολουθεί για µακρό διάστηµα. Η καθοδική κίνηση του νερού, που οδηγείται από τη βαρύτητα, επιβραδύνεται Με την πάροδο του χρόνου ένα τµήµα της εδαφικής υγρασίας του ανώτερου εδαφικού στρώµατος εξατµίζεται ή διαπνέεται µέσω των φυτών, µε αποτέλεσµα η περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους, να έχει µικρότερες τιµές προς τα πάνω και µεγαλύτερες προς τα κάτω. Έτσι οι δυνάµεις τριχοειδών αλλάζουν φορά και κατευθύνονται προς τα πάνω, µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται πάνω από τον υπόγειο ορίζοντα µια ζώνη τριχοειδούς ανύψωσης 3
ΙΗΘΗΣΗ ιάρκεια βροχόπτωσης Ένταση βροχής Παρεµπόδιση από φυτοκάλυψη Υετόγραµµα Κατακράτηση από επιφανειακές κοιλότητες f ιήθηση από επιφανειακές κοιλότητες Καµπύλη διήθησης f = f + (f f ) exp( kt) c c fc Χρόνος ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ ιηθησόµετρο µε διπλό δακτύλιο 4
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ ιήθηση f (cm/hr) f f c f = f c + (f o -f c )*e -kt Horton Χρόνος, t όπου f διήθηση (cm/hr) f αρχική διήθηση (cm/hr) f c τελική διήθηση (cm/hr) h k παράµετρος t χρόνος f f c = (f o -f c )*e -kt ln(f - f c ) = ln(f o -f c ) k*t ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ f = a*f pn + f c F p =n*h-f Holtan όπου f διήθηση (cm/hr) F p διαθέσιµη αποθήκευση f c τελική διήθηση (cm/hr) n παράµετρος n πορώδες h βάθος εδάφους F αθροιστική διήθηση (cm) f - f c = a*f p n ln(f - f c ) = lna + n*lnf p Kostiakov F = a*t b lnf = lna+blnt όπου F αθροιστική διήθηση (cm) f c τελική διήθηση (cm/hr) a, b παράµετροι t χρόνος 5
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ Green-Ampt f = K s +a*k s *F -1 όπου f διήθηση (cm/hr) F αθροιστική διήθηση (cm) K s, a παράµετροι Philip f =.5*S*t -.5 +A όπου f διήθηση (cm/hr) t χρόνος S, A παράµετροι ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ Προσαρµογή 5 µοντέλων διήθησης ιήθηση (cm/hr) 7 6 5 4 3 Horton Kostiakov Holtan Green Ampt Philip 2 1 2 4 6 8 1 12 14 Χρόνος (min) 6
lnf = lna+blnt ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΙΗΘΗΣΗΣ ln(f-f c ) = ln(f o -f c ) k*t t (min) t (hr) F (cm) log t (hr) log F (cm) F (Kostiakov) f (cm) t (hr) f (cm/hr) f-fc ln (f-fc) f (Horton) 3,5,34-1,3 -,47,29,34,5 6,72 4,72 1,55 3,21 5,8,44-1,8 -,36,43,1,3 3,12 1,12,11 3,17 1,17,7 -,78 -,16,73,26,8 3,7 1,7,7 3,8 15,25,96 -,6 -,2 1,1,26,8 3,17 1,17,16 3, 2,33 1,21 -,48,8 1,26,25,8 2,96,96 -,4 2,92 25,42 1,43 -,38,16 1,49,22,8 2,68,68 -,39 2,85 3,5 1,65 -,3,22 1,72,22,8 2,58,58 -,54 2,78 35,58 1,86 -,23,27 1,94,22,8 2,6,6 -,5 2,72 4,67 2,7 -,18,32 2,15,21,8 2,51,51 -,68 2,66 45,75 2,28 -,12,36 2,35,21,8 2,53,53 -,63 2,61 5,83 2,5 -,8,4 2,55,21,8 2,57,57 -,57 2,56 55,92 2,69 -,4,43 2,74,19,8 2,33,33-1,11 2,52 6 1, 2,88,,46 2,94,19,8 2,27,27-1,32 2,48 65 1,8 3,8,3,49 3,12,2,8 2,38,38 -,98 2,44... 1 1,67 4,41,22,64 4,36,2,8 2,35,35-1,4 2,26 15 1,75 4,59,24,66 4,52,19,8 2,22,22-1,51 2,24 11 1,83 4,79,26,68 4,69,19,8 2,33,33-1,11 2,22 115 1,92 4,97,28,7 4,85,18,8 2,16,16-1,83 2,21 12 2, 5,15,3,71 5,2,19,8 2,23,23-1,46 2,19 125 2,8 5,35,32,73 5,18,2,8 2,39,39 -,95 2,18 13 2,17 5,52,34,74 5,34,17,8 2,3,3-3,58 2,17 135 2,25 5,7,35,76 5,49,18,8 2,15,15-1,91 2,16 14 2,33 5,9,37,77 5,65,2,8 2,39,39 -,95 2,15 F=a*t^b fc= 2 b=,7728945 k= -1,118366 SLOPE(K5:K78;B5:B78) INTERCEPT(E5:E78;D5 loga=,4676752 ln(f-fc)=,226869 1,2469 f= 3,27493294 SLOPE(E5:E78;D5:D78) a= 2,9354532 INTERCEPT(K5:K78;B5:B78) Εισαγωγικές έννοιες Εξάτµιση (evaporation): η µετατροπή του νερού από την υγρή στην αέρια φάση Ορυθµός εξάτµισης εξαρτάται από: 1. τη φυσική διαθεσιµότητα του νερού 2. τη διαθεσιµότητα ενέργειας στην επιφάνεια 3. τη δυνατότητα διάχυσης των παραγόµενων υδρατµών στην ατµόσφαιρα ιαπνοή (transpiration): η µετατροπή του νερού σε υδρατµούς που πραγµατοποιείται στους πόρους της χλωρίδας, και ιδίως των φυλλωµάτων των φυτών (έδαφος ρίζες αγγειακό σύστηµα πόροι φυλλωµάτων στόµατα). εδοµένου ότι ο ρυθµός διαπνοής ελέγχεται από τα φυτά µέσω της ρύθµισης του ανοίγµατος των στοµάτων, η διαπνοή ελαττώνεται όταν η διαθεσιµότητα νερού είναι µικρή και µηδενίζεται κατά τη διάρκεια της νύκτας όπου η διαδικασία της φωτοσύνθεσης διακόπτεται και τα στόµατα κλείνουν. 7
Εξατµισοδιαπνοή ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ Εισαγωγικές έννοιες Eξατµισοδιαπνοή evapotranspiration): το σύνολο των πραγµατικών απωλειών νερού από την εξάτµιση εδαφών και από τη διαπνοή της χλωρίδας. υνητική εξατµισοδιαπνοή (potential evapotranspiration): η ποσότητα της εξατµισοδιαπνοής που πραγµατοποιείται από εδαφικές επιφάνειες, πλήρως και οµοιόµορφα καλυµµένες από αναπτυσσόµενη χλωρίδα, σε συνθήκες απεριόριστης διαθεσιµότητας νερού. Εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (reference crop evapotranspiration): ηεξατµισοδιαπνοή από µια ιδεατή εκτεταµένη επιφάνεια καλυµµένη πλήρως από οµοιόµορφη χαµηλού ύψους χλόη που σκιάζει πλήρως το έδαφος και βρίσκεται σε συνθήκες ενεργού ανάπτυξης χωρίς έλλειψη νερού. 8
Φυσικό πλαίσιο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΙΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΦΑΣΗΣ ΣΤΟ ΝΕΡΟ Απορρόφηση 8 θερµίδων (calories) Λανθάνουσα θερµότητα τήξης Απορρόφηση 1 θερµίδων (calories) Απορρόφηση 54 θερµίδων (calories) Λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης Πάγος 1 gr o C Νερό 1 gr o C Νερό 1 gr 1 o C Υδρατµοί 1 gr 1 o C Απελευθέρωση 8 θερµίδων (calories) Λανθάνουσα θερµότητα πήξης Απελευθέρωση 1 θερµίδων (calories) Απελευθέρωση 54 θερµίδων (calories) Λανθάνουσα θερµότητα συµπύκνωσης Ενεργειακό ισοζύγιο της γης ΙΑΣΤΗΜΑ ΒΡΑΧΕΑ ΚΥΜΑΤΑ ΜΑΚΡΑ ΚΥΜΑΤΑ 19 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Απορρόφηση από το Ο 3 Απορρόφηση απ τα σύννεφα Απορρόφηση από τους υδρατµούς και τη σκόνη ΩΚΕΑΝΟΙ, Ε ΑΦΟΣ Εισερχόµενη 1 ηλιακή ακτινοβολία Εξερχόµενη ακτινοβολία βραχέων και µακρών κυµάτων 1 6 2 4 6 64 51 ιάχυση απ την ατµόσφαιρα Ανάκλαση απ τα σύννεφα Απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας απ την επιφάνεια Ανάκλαση απ την επιφάνεια 117 Εκποµπή µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια Απορρόφηση και εκποµπή απ τα αέρια Απορρόφηση θερµοκηπίου και εκποµπή (CO 2, H 2 O κ.ά.) απ τα σύννεφα 111 Ροή αισθητής θερµότητας (αγωγή, κατακόρυφη µεταφορά) 96 Απορρόφηση µακρών κυµάτων απ την επιφάνεια 7 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος (1999) Ροή λανθάνουσας θερµότητας (εξατµιση, διαπνοή) 23 9
ιαθέσιµηενέργειαεξάτµισης R n : Ολική καθαρή ακτινοβολία R n = S n L n Λ + Η S n : Καθαρή ακτινοβολία βραχέων κυµάτων L n : Καθαρή ακτινοβολία µακρών κυµάτων Η S n εξαρτάται από: Τη ροή ηλιακής ενέργειας στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας σε επίπεδη επιφάνεια S o Τη λευκαύγεια (albedo) Τη διάρκεια ηλιοφάνειας Το γεωγραφικό πλάτος Λ: Λανθάνουσα θερµότητα Η: Αισθητή θερµότητα Η L n εξαρτάται από: Τη θερµοκρασία Την πίεση υδρατµών Τη διάρκεια ηλιοφάνειας S n µικροκυµατική ακτινοβολία n = (1 r)* S *(.29*cosφ +.55* ) kj Ν S n m 2 day L n µακροκυµατική ακτινοβολία.5 n *(.56.9* e )*(.1+.9* ) kj Ν m day 4 L n = σ * Τκ 2 Παράδειγµα Μήνας Ιούνιος, 4 ο Ν, T=18 o C, U=55%, n/n=.81, r=.6 S o =417 kj/m 2 /day, S n =262 kj/m 2 /day, L n =75 kj/m 2 /day S o =482 w/m 2, S n =33 w/m 2, L n =87 w/m 2 Ακτινοβολία στην ατµόσφαιρα ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΘΕΣΗΣ ΗΛΙΟΥ (γεωγραφικό πλάτος 4 ο ) 21 Μαρτίου Ηµέρα 8 (4 o N, 8,12) (4 o N, 172,12) (4 o N, 355,12) (4 o N, 355,17) W (4 o N, 8,18) (4 o N, 172,19) 21 Ιουνίου Ηµέρα 172 S N 21 εκεµβρίου Ηµέρα 355 (4 o N, 355, 8) E (4 o N, 8, 7) (4 o N, 172,6) Το ύψος και το αζιµούθιο του Ηλίου είναι συνάρτηση των Γεωγραφικό πλάτος Ηµέρας Ώρας της ηµέρας 1
Ακτινοβολία στην ατµόσφαιρα Γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτινών το µεσηµέρι, σε επίπεδη επιφάνεια και σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο Ισηµερίες Γωνία πρόσπτωσης α: 9-39=51 o α 9 o 39 o Θερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 9-(39-23.5)=73.5 o Χειµερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 9-(39+23.5)=27.5 o α α 9 o 39 o 23.5 o 9 o 39 o 23.5 o Υψόµετρο ήλιου και εισερχόµενη ακτινοβολία σε επίπεδη επιφάνεια και σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΥΨΟΜΕΤΡΟ ΗΛΙΟΥ o ( ) 9 6 3 21/12 21/3 22/6 ΥΨΟΜΕΤΡΟ ΗΛΙΟΥ ( ο ) 21/12 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh/m 2 ) 3.94 8.19 11.6 21/3 22/6 22/6 ΜΕΣΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 164.2 341.4 483.8 ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 21/3 21/12 15 1 5 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: ΩΡΕΣ 11
Υπολογισµός της εκκεντρότητας (eccentricity) και της ηλιακής σταθεράς (solar constant) EARTH 4 July D 1 152*1 6 km E D 2 147*1 6 km EARTH 3 January SUN Συντελεστής εκκεντρότητας d = (D mean /D j ) 2 D mean Η µέσηαπόστασηγης-ηλίου ( 149.6*1 6 km) D j ηαπόστασηγης-ηλίου την ηµέρα J Συνολική ηλιακή ενέργεια E=3.9*1 26 W Ηλιακή ακτινοβολία στη γη I=E/(4*π*D 2 ) W/m 2 Ηλιακή σταθερά I o =E/(4*π*D mean2 ) W/m 2 ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΟΡΙΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (W/m 2 ) Πηγή: Christopherson, 2 12
ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΟΡΙΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (W/m 2 ) 6 5 4 3 2 1 Βόρειος πόλος (9 ο Β) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ 6 5 4 3 2 1 Ισηµερινός ( ο ) ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ 6 Νότιος πόλος (9 ο Ν) 6 Νέα Υόρκη (4 ο Β) 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΙΑΝ ΦΕΒ ΜΑΡ ΑΠΡ ΜΑΙ ΙΟΥΝ ΙΟΥΛ ΑΥΓ ΣΕΠ ΟΚΤ ΝΟΕ ΕΚ ΕΝ ΕΙΚΤΙΚΕΣ ΤΙΜΕΣ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ (ALBEDO) Albedo (%) Σελήνη 6-8% Φρέσκο χιόνι 8-95% Γρασίδι 25-3% άσος 1-2% Καλλιέργειες 1-25% Άσφαλτος 5-1% Τσιµέντο 17-27% Σκούρα στέγη 8-18% Υδάτινα σώµατα 1-6% Εξαρτάται από το υψόµετρο του ηλίου Ανοικτή στέγη 8-18% Πέτρεςτούβλα 2-4% 13
ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΕ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟ Ε ΑΦΟΣ (W/m 2 ) Πηγή: Christopherson, 2 ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ Ε ΑΦΟΣ (W/m 2 ) Πηγή: Christopherson, 2 14
ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ (W/m 2 ) Πηγή: Christopherson, 2 Μέτρηση της εξάτµισης Όργανο: εξατµισίµετρο ιάφοροι τύποι λεκάνης, π.χ. λεκάνη τύπου Α, λεκάνη τύπου Colorado, λεκάνη GGI-3, λεκάνη 2 m 2 κτλ. Μετρούµενο µέγεθος: όχι η φυσική εξάτµιση Ε αλλά η προφανώς διαφοροποιηµένη εξάτµιση από το εξατµισίµετρο Ε m. Εκτίµηση της φυσικής εξάτµισης από υδάτινο σώµα ήτης εξατµοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς Ε = k E m όπου k ο συντελεστής εξατµισιµέτρου, κατά κανόνα µικρότερος από 1. Λόγω της αβεβαιότητας ως προς την τιµή τουk και της συχνής αναξιοπιστίας των µετρήσεων του εξατµισιµέτρου, κατά κανόνα είναι προτιµότερηηεκτίµηση της εξάτµισης ή εξατµοδιαπνοής µε εφαρµογή της µεθόδου Penman ή των τροποποιήσεών της. 15
Εξατµισίµετρο Εξατµισίµετρο 16
ΛΥΣΙΜΕΤΡΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ (E) ΚΑΤΑ PENMAN U: σχετική υγρασία (%) Τ: θερµοκρασία ( o C) u 2 : ταχύτητα ανέµου σε ύψος 2 m (m/sec) e s : πίεση κορεσµού των υδρατµών = e s 17.27*T 6.11* 2.718T+ 237.3 hpa λ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ λ = 251 2.361* T Κ kj / kg ΚΛΙΣΗ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΚΟΡΕΣΜΟΥ Υ ΡΑΤΜΩΝ 498* e = s hpa 2 o ( T + 237.3) C S n αλγεβρικό άθροισµαεισερχόµενης µείον ανακλώµενης µικροκυµατικής ακτινοβολίας n = (1 r)* S kj *(.29*cosφ +.55* ) Ν m day S n 2 F(u) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ ( u) =.26*(1 +.54* u kg 2) m day F 2 Rn γ E = * + * F( u)* D + γ λ + γ Rn ΟΛΙΚΗ ΚΑΘΑΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Rn = Sn L kj n 2 m day kg 2 m day γ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ γ =.67 hpa o C e: τάση υδρατµών e = e * U s hpa 1 D ΕΛΛΕΙΜΑ ΚΟΡΕΣΜΟΥ Υ ΡΑΤΜΩΝ D = e e hpa L n καθαρή µακροκυµατική ακτινοβολία 4.5 n σ * Τ *(.56.9* e )*(.1+.9* ) kj Ν m day L n = κ 2 s r: ανακλαστικότητα εδάφους (αlbedo) <r<1 φ: γεωγραφικό πλάτος της θέσης ( o ) So: ακτινοβολία βραχέων κυµάτων kj 2 στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας m day Εκτιµάται (Πίνακας 3.1) µεβάσητοµήνα και το γεωγραφικό πλάτος n: πραγµατική ηλιοφάνεια (hr) Ν: δυνητική ηλιοφάνεια (hr) Εκτιµάται (Πίνακας 3.2) µεβάσητο µήνα και το γεωγραφικό πλάτος σ: σταθερά Stefan-Bolzmann σ = 4.9*1 6 Τ κ : θερµοκρασία σε Kelvin Τ = T + 273 Kelvin κ kj m 2 k 4 day 17
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ (E) ΚΑΤΑ PENMAN-MONTEITH U: σχετική υγρασία (%) Τ: θερµοκρασία ( o C) u 2 : ταχύτητα ανέµου σε ύψος 2 m (m/sec) e s : πίεση κορεσµού των υδρατµών = e s 17.27*T 6.11* 2.718T+ 237.3 hpa λ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ λ = 251 2.361* Τ kj/kg ΚΛΙΣΗ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΚΟΡΕΣΜΟΥ Υ ΡΑΤΜΩΝ 498* e = s hpa 2 o ( T + 237.3) C S n αλγεβρικό άθροισµαεισερχόµενης µείον ανακλώµενης µικροκυµατικής ακτινοβολίας n = (1 r)* S kj *(.29*cosφ +.55* ) Ν m day S n 2 F(u) ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΑΝΕΜΟΥ 9 F( u) = * u kg 2 2 T + 273 m day ' Rn γ E = * + * F( u)* D ' ' + γ λ + γ Rn ΟΛΙΚΗ ΚΑΘΑΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Rn = Sn L kj n 2 m day kg 2 m day γ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ' γ =.67*(1 +.33* u2) hpa o C e: τάση υδρατµών e = e * U s hpa 1 D ΕΛΛΕΙΜΑ ΚΟΡΕΣΜΟΥ Υ ΡΑΤΜΩΝ D = e L n καθαρή µακροκυµατική ακτινοβολία 4.5 n σ * Τ *(.56.9* e )*(.1+.9* ) kj Ν m day L n = κ 2 s e hpa r: ανακλαστικότητα εδάφους (αlbedo) <r<1 φ: γεωγραφικό πλάτος της θέσης ( o ) So: ακτινοβολία βραχέων κυµάτων kj 2 στο εξωτερικό όριο της ατµόσφαιρας m day Εκτιµάται (Πίνακας 3.1) µεβάσητοµήνα και το γεωγραφικό πλάτος n: πραγµατική ηλιοφάνεια (hr) Ν: δυνητική ηλιοφάνεια (hr) Εκτιµάται (Πίνακας 3.2) µεβάσητο µήνα και το γεωγραφικό πλάτος σ: σταθερά Stefan-Bolzmann σ = 4.9*1 6 Τ κ : θερµοκρασία σε Kelvin Τ = T + 273 Kelvin κ kj m 2 k 4 day ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟ ΙΑΠΝΟΗΣ ΚΑΤΑ BLANEY-CRIDDLE (195) E= K*(1.8*T+32)*p 3.94 όπου: K φυτικός συντελεστής (από πίνακα 3.7) Τ µέση µηνιαία θερµοκρασίααέρασεοc p το ποσοστό ωρών ηµέρας του συγκεκριµένου µήνα σε σχέση µετο σύνολοτωνωρώνηµέρας του έτους (%). Υπολογίζεται από τη σχέση: p=1*n*µ/(365*12) όπου: Ν αστρονοµική διάρκεια ηµέρας (hr) (από πίνακα 3.2) µ ηµέρες του µήνα 18
u 2 = u 1 z ln z z ln z 2 1 Υψοµετρική µεταβολή της ταχύτητας ανέµου όπου u 1, u 2 ηταχύτηταανέµου σε ύψη z 1 και z 2 αντίστοιχα z ηπαράµετρος τραχύτητας Τυπικές τιµές της παραµέτρου τραχύτητας z για διάφορες φυσικές επιφάνειες (cm) Πάγος.1 Ασφαλτοστρωµένη επιφάνεια.2 Υδάτινη επιφάνεια.1-.6 Χλόη ύψους µέχρι 1cm.1 Χλόη ύψους µέχρι 1-1 cm.1-.2 Χλόη-σιτηρά κλπ ύψους 1-5 cm 2-5 Φυτοκάλυψη ύψους 1-2 m 2 ένδρα ύψους 1-15 m 4-7 Σύγκριση της µεθόδου Priestley-Taylor µετιςµεθόδους Penman και Penman-Montieth Εξάτµιση ή εξατµοδιαπνοή (mm) 25 2 15 1 Penman για υδάτινη επιφάνεια Penman-Monteith για καλλιέργεια αναφοράς Priestley-Taylor για υδάτινη επιφάνεια Priestley-Taylor για καλλιέργεια αναφοράς 5 Οκτ Νοε εκ Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ εδοµένα: Καστράκι ( ΕΗ), 1986-87 Πηγή: Κουτσογιάννης και Ξανθόπουλος (1997) 19
Solar elevation Παράγοντες που υπεισέρχονται στον υπολογισµό της γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας SOUTH I 1 I o f EAST ZENITH Surface s aspect NADIR Surface s slope Unit inclined surface Solar azimuth NORTH Αζιµούθιο ηλίου-azimuth (Azm) Ηγωνίαµεταξύ (α) του επιπέδου που περνάει από τον ήλιο, τον παρατηρητή και το zenith του και (β) της γραµµής που συνδέει τον παρατηρητή και το Βορρά Η γωνία µετριέται από το Βορρά στη φορά των δεικτών του ρολογιού σε µοίρες (-36). ιεύθυνση κυτάρων-aspect (Asp) Η διεύθυνση που βλέπει ηκλίση. Η γωνίαµετριέται από το Βορρά στη φορά των δεικτών του ρολογιού σε µοίρες (-36). Επίπεδα κύταρα παίρνουν την τιµή -1. Υψόµετρο ηλίου-elevation (Elv). Η γωνία µεταξύ (α) της γραµµής του ορίζοντα του παρατηρητή και (β) της γραµµής που συνδέει τον παρατηρητή και τον ήλιο. Η γωνία µετριέται από τον ορίζοντα προς τα πάνω σε µοίρες (-9). Κλίση κυτάρων -Slope (Slp) Ηκλίσηενόςκυτάρουείναιηµεγαλύτερη κλίση ενός επιπέδου που ορίζεται από το κύταρο και τα οκτώ γειτονικά του. Η γωνία µετριέται σε µοίρες (-9). Υπολογισµός της δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) I = I o * d * cosf I o 1367 W/m 2 cosf= sinazm*coselv*cos(9-slp)*sinasp+ cosazm*coselv*cos(9-slp)*cosasp+ sinelv*sin(9-slp) d=1+.34*cos(2*π*j/365-.5) 2
Ψηφιακό µοντέλο εδάφους ιάσταση κανάβου: 2x2 m Αριθµός pixels: 45722 Μέσο υψόµετρο: 626 m Ηµερήσιες κατανοµές δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) 21 Μαρτίου 21 Ιουνίου 22 Σεπτεµβρίου 21 εκεµβρίου - 5 5-1 1-15 15-2 2-25 W/m 2 25-3 3-35 35-4 4-45 >45 21
Ετήσια κατανοµή δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) 5 AREA (%) 4 3 2 1 4.6 38.4 12.6 3.5 3.8..2 1. <1 1-15 15-2 2-25 25-3 3-35 35-4 >4 POTENTIAL RADIATION (W/m 2 ) -5 5-1 1-15 15-2 2-25 W/m 2 Calculated mean: 323 Expected mean: 334 25-3 3-35 35-4 >4 22