GWC 2: Evapora-on CTB3300WCx: Introduc2on to Water and - - PowerPoint PPT Presentation
GWC 2: Evapora-on CTB3300WCx: Introduc2on to Water and Climate Prof.dr.ir. Hubert H.G. Savenije Importance of Evapora-on Generally the largest outgoing flux
Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡
GWC ¡2: ¡Evapora-on ¡
CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡
Importance ¡of ¡Evapora-on ¡
§ Generally ¡the ¡largest ¡outgoing ¡flux ¡ § Par;cularly ¡in ¡dry ¡climates ¡ § Is ¡o?en ¡seen ¡as ¡a ¡‘loss’ ¡(Sudd) ¡ § But ¡is ¡an ¡important ¡supplier ¡of ¡ ¡ ¡con;nental ¡precipita;on ¡ ¡(moisture ¡recycling) ¡
Types ¡of ¡Evapora-on ¡
§ Direct ¡evapora;on ¡(physical ¡process) ¡
§ Open ¡water ¡evapora;on ¡Eo § Soil ¡evapora;on Es § Intercep;on ¡evapora;on ¡Ei § Sublima;on ¡of ¡snow ¡or ¡ice ¡Esnow
§ Transpira;on ¡ET ¡(bio-‑physical ¡process) ¡ § Total ¡evapora;on ¡E = Eo+Es+Ei+Esnow+ET
Evapora-on ¡or ¡‘evapotranspira-on’ ¡
Avoid ¡to ¡use ¡the ¡term ¡‘Evapotranspira3on’ ¡
¡
§ ‘Evapotranspira;on’ ¡is ¡opaque ¡jargon ¡for ¡bulk ¡ ¡evapora-on, ¡masking ¡that ¡we ¡do ¡not ¡know ¡its ¡ ¡composi;on ¡ à ¡Use ¡(total) ¡evapora2on ¡instead ¡
¡ ¡
Poten-al ¡Evapora-on ¡
Poten3al ¡evapora3on, ¡Ep ¡ ¡
§ Would ¡occur ¡if ¡there ¡is ¡no ¡shortage ¡of ¡water, ¡ § Or ¡other ¡factors ¡that ¡may ¡limit ¡transpira;on ¡(temperature, ¡ solar ¡radia2on, ¡humidity). ¡ ¡
Actual ¡evapora-on, ¡E ¡
§ occurs ¡if ¡these ¡stress ¡factors ¡are ¡accounted ¡for
Average ¡(annual) ¡evapora-on ¡
is ¡the ¡mean ¡annual ¡runoff ¡[mm/a] ¡ is ¡the ¡mean ¡annual ¡precipita;on ¡[mm/a] ¡ is ¡the ¡mean ¡annual ¡evapora;on ¡[mm/a] ¡
Q P E
Actual ¡evapora-on ¡
Energy ¡constraint ¡ Moisture ¡constraint ¡
Budyko ¡Curve ¡
§ If ¡P → 0, E = P § If ¡P → ∞, E = Ep
Budyko ¡(1920-‑2001) ¡
0,00 ¡ 0,10 ¡ 0,20 ¡ 0,30 ¡ 0,40 ¡ 0,50 ¡ 0,60 ¡ 0,70 ¡ 0,80 ¡ 0,90 ¡ 1,00 ¡ 0,00 ¡ 0,50 ¡ 1,00 ¡ 1,50 ¡ 2,00 ¡ 2,50 ¡ 3,00 ¡ 3,50 ¡ 4,00 ¡ 4,50 ¡ 5,00 ¡
E/P ¡ Epot/P ¡ ¡ ¡= ¡ ¡Aridity ¡index ¡
Congo ¡ Yangtze ¡ Yellow ¡River ¡ Brahmaputra/Ganges ¡ Lena ¡ Parana ¡ Amazon ¡ Mississippi ¡ Mackenzie ¡ Danube ¡ Volga ¡
Meteorological ¡factors ¡affec-ng ¡evapora-on ¡
§ Energy ¡balance ¡ § Radia;on ¡ § Humidity ¡ § Aerodynamic ¡resistance ¡
Radia-on ¡Balance ¡
B C N
RN : Net short wave radiation [W/m2] RC : Incoming short wave radiation RB : Outgoing long wave radiation r : Albedo or whiteness
Surface ¡ Albedo ¡(r) ¡
Open ¡water ¡ 0.06 ¡ Grass ¡ 0.24 ¡ Bare ¡soil ¡ 0.10 ¡– ¡0.30 ¡ Fresh ¡snow ¡ 0.90 ¡
Short ¡wave ¡ ¡Long ¡wave ¡
RA ¡ RB ¡ rRC ¡ RC ¡
Radiometer ¡
Sunshine ¡Recorder ¡
§ RC ¡can ¡be ¡determined ¡empirically ¡by ¡the ¡ ¡theore;cal ¡sun ¡hours ¡and ¡n/N ¡ § n/N ¡is ¡the ¡ra;o ¡of ¡recorded ¡sun ¡hours ¡to ¡the ¡ ¡theore;cal ¡(poten;al) ¡sun ¡hours ¡ ¡
Netherlands ¡ RC = (0.20 + 0.48 n/N)RA Average ¡ RC = (0.25 + 0.50 n/N)RA New ¡Delhi ¡ RC = (0.31 + 0.60 n/N)RA Singapore ¡ RC = (0.21 + 0.48 n/N)RA
Short ¡wave ¡radia3on ¡ expressed ¡in ¡terms ¡of ¡ evapora3on ¡ ¡ RA/λ in ¡kg m-2day-1 ¡ Maximum ¡amount ¡
N ¡ ¡
Outgoing ¡Long ¡wave ¡radia-on ¡
§ RB ¡is ¡calculated ¡through ¡an ¡empirical ¡equa;on ¡
le? ¡ middle ¡ right ¡
Humidity ¡
es = 0.61exp 19.9ta 273+ ta ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ s = des dt = 5430es 273+ ta
( )
2
ea(ta) = es(tw)−γ (ta − tw)
Psychrometer ¡
ta is the dry bulb temperature tw is the wet bulb temperature es(tw) is the saturation pressure at the wet bulb temperature γ is the psychrometer constant (0.066 kPa/oC h is the relative humidity
Energy ¡balance ¡
E N
[Wm-‑2] ¡
N C B
[m/d] ¡ Assume: ¡ ¡
ΔS/Δt=0, A=0
On ¡daily ¡basis ¡!! ¡
Penman ¡(1948) ¡
§ Open ¡water ¡evapora;on ¡based ¡on ¡the ¡energy ¡balance, ¡ § but ¡making ¡use ¡of ¡empirical ¡rela;ons ¡ § 4 ¡standard ¡meteorological ¡variables: ¡ § air ¡temperature ¡ § rela2ve ¡humidity ¡ § wind ¡velocity ¡ § net ¡radia2on ¡ ¡
Penman ¡Formula ¡
p a N s a a
sR e e r E s ρ ρλ ρλ γ ⎛ ⎞ − + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ = +
RN net radiation at the Earth surface [J day-1 m-2] λ heat of evaporation (λ = 2.45 MJ/kg ) [J kg-1] s slope of the saturation pressure curve [kPa K-1] cp specific heat of air (1004 J kg-1 K-1) [J kg-1 K-1] ρa density of air (1.205 kg/m3) [kg m-3] ρ density of water (1000 kg/m3) [kg m-3] ea actual vapour pressure of the air at 2 m elevation [kPa] es saturation vapour pressure for the temp. at 2 m elevation [kPa] γ psychrometer constant (γ = 0.066 kPa/oC) [kPa K-1] ra aerodynamic resistance [day m-1]
[m/d] ¡
r
a =
245 0.54u2 + 0.5
( )
1 86400[d/ m]
Penman-‑Monteith ¡
p a N s a a a c a
[m/d] ¡
Crop ¡resistance ¡rc ¡
§ Provides ¡a ¡constraint ¡on ¡the ¡transpira;on ¡of ¡vegeta;on ¡ § Depends ¡on ¡the ¡opening ¡of ¡stomata ¡in ¡leaves, ¡as ¡a ¡func;on ¡of: ¡ § Soil ¡moisture ¡availability ¡ § Rela2ve ¡humidity ¡ § Sunlight ¡ § Temperature ¡ ¡
Evapora-on ¡of ¡the ¡World ¡
Direct ¡measurement ¡of ¡evapora-on ¡
§ Water ¡balance: ¡ § Evapora;on ¡pan ¡ § Lysimeter ¡ § Shallow ¡Lysimeter ¡ ¡
E = P − Q A − dS dt
[L/T] ¡
Pan ¡evapora-on ¡
Lysimeter ¡
Soil ¡ Soil ¡saturated ¡with ¡water ¡ Pump ¡
Floater ¡
Intercep-on ¡measurement ¡
Precipita3on ¡ Canopy ¡ intercep3on ¡ Forest ¡floor ¡ ¡ intercep3on ¡ throughfall ¡ stemflow ¡ Infiltra3on ¡
Shallow ¡Lysimeter ¡
Shallow ¡Lysimeter ¡
dSupper dt + dSlower dt = P − E − Q A
The ¡evapora-on ¡tower ¡
Further ¡reading ¡
Mohamed, ¡Y. ¡A., ¡van ¡den ¡Hurk, ¡B. ¡J. ¡J. ¡M., ¡Savenije, ¡H. ¡H. ¡G., ¡and ¡Bas;aanssen, ¡W. ¡G. ¡M., ¡2005. ¡ Hydroclimatology ¡of ¡the ¡Nile: ¡Results ¡from ¡a ¡regional ¡climate ¡model. ¡Hydrol. ¡and ¡Earth ¡Syst. ¡Sc., ¡9: ¡ 263-‑27. ¡hjp://www.hydrol-‑earth-‑syst-‑sci.net/9/263/2005/hess-‑9-‑263-‑2005.html ¡ Wang-‑Erlandsson, ¡L., ¡R. ¡van ¡der ¡Ent, ¡L. ¡Gordon ¡and ¡H.H.G. ¡Savenije. ¡2014 ¡Contras;ng ¡roles ¡of ¡ intercep;on ¡and ¡transpira;on ¡in ¡the ¡hydrological ¡cycle ¡– ¡Part ¡1: ¡Simple ¡Terrestrial ¡Evapora;on ¡to ¡ Atmosphere ¡Model, ¡Earth ¡Syst. ¡Dynam. ¡Discuss., ¡5, ¡203-‑279. ¡
hjp://www.earth-‑syst-‑dynam-‑discuss.net/5/203/2014/esdd-‑5-‑203-‑2014.html ¡
Gerrits, ¡A.M.J., ¡H.H.G. ¡Savenije, ¡L. ¡Hoffmann ¡and ¡L. ¡Pfister, ¡2007. ¡New ¡technique ¡to ¡measure ¡forest ¡ floor ¡intercep;on ¡– ¡an ¡applica;on ¡in ¡a ¡beech ¡forest ¡in ¡Luxembourg, ¡Hydrol. ¡and ¡Earth ¡Syst. ¡Sc., ¡11, ¡ 695–701.hjp://www.hydrol-‑earth-‑syst-‑sci.net/11/695/2007/hess-‑11-‑695-‑2007.html ¡ Euser, ¡T., ¡W. ¡M. ¡J. ¡Luxemburg, ¡C. ¡S. ¡Everson, ¡M. ¡G. ¡Mengistu, ¡A. ¡D. ¡Clulow, ¡and ¡W. ¡G. ¡M. ¡ Bas;aanssen, ¡2014. ¡A ¡new ¡method ¡to ¡measure ¡Bowen ¡ra;os ¡using ¡high-‑resolu;on ¡ver;cal ¡dry ¡and ¡ wet ¡bulb ¡temperature ¡profiles, ¡Hydrol. ¡Earth ¡Syst. ¡Sci., ¡18, ¡2021-‑2032. ¡ ¡
hjp://www.hydrol-‑earth-‑syst-‑sci.net/18/2021/2014/hess-‑18-‑2021-‑2014.html ¡ ¡
¡
Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡
GWC ¡2: ¡Evapora-on ¡
CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡
Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡
GWC ¡2: ¡Evapora-on ¡
CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡
Ques-ons ¡
¡evapora2on? ¡
¡precipita2on? ¡