Messen und Modellieren von Evapotranspiration Bettina Schäppi Labor für Umweltingenieurwissenschaften Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Ziele • Kenntnis verschiedener Modellansätze zur Bestimmung der Evapotranspiration und der verschiedenen Faktoren, die die ET beeinflussen. • Einsatz von MATLAB zur Auswertung und Visualisierung von grösseren Datensätzen • Aufbereitung von Messdaten • Identifizieren von Ausreissern, • Umgang fehlenden Daten • Plausibilisierung Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Ablauf Gruppe 10-18 Dienstag 5. April 2016 08:00 – 10:00 Einführung im Vorlesungssaal 10:00 – 12:30 Matlab Einführung & Berechnung der ET (Computerraum E15.2) 13:30 – 14:30 15:00 – 16:00 Installation Wetterstation Reckenholz Exkursion zur Lysimeteranlage der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART und SwissMetNetStation von Meteoschweiz im Reckenholz Anschliessend Individuelles Arbeiten Mittwoch 6. April 2016 08:00 – 12:00 Modellierung der ET im Computerraum C29 Nachmittag Individuelles Arbeiten Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 4 Definition Evapotranspiration • Bei der Evapotranspiration unterscheidet man zwischen zwei Prozessen der Verdunstung: • Transpiration: Verdunstung von Pflanzenoberflächen aufgrund biotischer Prozesse • Evaporation: direkte Verdunstung von freier Bodenoberfläche und über Wasser (Boden- / Schnee- / See- / Interzeptionsverdunstung) http://fwee.org/environment/what-makes-the-columbia-river-basin-unique-and-how-we-benefit/how-the-hydrologic-cycle-works/ Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 5 Transpiration • Die Stomata regulieren den Gasaustausch der Pflanze mit der Umgebungsluft, insbesondere ihre Wasserdampf - & Sauerstoffabgabe und Kohlenstoffdioxid Aufnahme (Transpiration). • Durch die Poren findet Verdunstung statt, die einen Transpirationssog erzeugt, durch den Wasser und damit Nährsalze von den Wurzeln bis in die Blätter transportiert werden. • Zusätzlich kühlt die Verdunstung die Blätter, damit diese bei starker Sonneneinstrahlung nicht überhitzen. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 6 Aufteilung der zwei Komponenten • Es ist oft schwer die beiden Prozesse Evaporation und Transpiration zu unterscheiden, weshalb nur die Summe als Evapotranspiration betrachtet wird. • Nach der Ansaat beginnen die Pflanzen zu wachsen, wodurch der Transpirationsanteil immer grösser wird. • Gegen Ende der Saison, wenn die Blätter älter werden, geht die Transpiration wieder etwas zurück. Transpiration Evaporation Ansaat Ernte Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 7 Potentielle ET vs. Reale ET • Reale Evapotranspiration (actual evapotranspiration) • Reale Evapotranspiration ist die ET einer teilweise oder ganz mit Pflanzen bewachsenen Fläche, deren Wassernachschub durch Wassermangel begrenzt ist. • Potentielle Evapotranspiration (potential evapotranspiration) • Die potentielle Evapotranspiration tritt ohne diese Begrenzungen auf. • Aufgrund der klimatischen Gegebenheiten maximal mögliche Verdunstung durch die Pflanzendecke und die Bodenoberfläche oder eine offene Wasserfläche. Die potentielle Evapotranspiration wird real nur erreicht, wenn der Boden ständig ausreichend Wasser nachliefern kann. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 8 Hydrologischer Kreislauf • Verdunstung ist eine wichtige Komponente im hydrologischen Kreislauf, wie auch in der Wasserbilanz des Bodens. • 75% des Niederschlagswassers wird von den Landflächen der Erde im Mittel verdunstet. http://fwee.org/environment/what-makes-the-columbia-river-basin-unique-and-how-we-benefit/how-the-hydrologic-cycle-works/ Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 9 Wasserbilanz & Energiebilanz 𝑃 + 𝐸𝑇 + 𝑅 + ∆𝑊 = 0 𝑅𝑛 + 𝐻 + 𝐺 + 𝜆𝐸𝑇 = 0 𝑃 𝐸𝑇 𝑅 𝑅𝑛 Niederschlag Verdunstung (Evapotranspiration) Abflusshöhe (ober- und unterirdisch) ∆𝑊 Änderung des Wasserspeichers ET P Strahlungsbilanz (Nettostrahlung) 𝐻 fühlbarer Wärmestrom 𝐺 Bodenwärmestrom 𝜆𝐸𝑇 latenter Wärmestrom (Verdunstungswärmestrom) 𝜆 spezifische Verdampfungswärme + Rn - +R ∆W -R + H - + lET - + G - Bezogen auf einen beliebigen Teil der Erdoberfläche ist somit die Verdunstung ein Glied sowohl der Wasser- als auch der Energiebilanz. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 10 Messen von Evapotranspiration Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Messen von Evapotranspiration • Evaporimeter • Atmometer & Atmographen • Verdunstungsgefässe • Flossverdunstungskessel • Lysimeter • Wägbarer Lysimeter: • Nicht wägbarer Lysimeter: 𝐴𝐸𝑇 𝑃 𝑆𝑊 ∆𝑊 𝐴𝐸𝑇 = 𝑃 − 𝑆𝑊 − ∆W 𝐴𝐸𝑇 = 𝑃 − 𝑆𝑊 Reale Evapotranspiration Niederschlagsrate Sickerwasserrate Änderung des Wasserspeichers [H/T-1] [H/T-1] [H/T-1] [H/T-1] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 12 Messen von ET – Lysimeter Ein Lysimeter (von griech. lysis = Lösung, Auflösung und metron = Maß) ist ein Gerät zur Ermittlung von Bodenwasserhaushaltsgrößen (Versickerungsrate, Verdunstung) und zur Beprobung von Bodensickerwasser, um dessen Quantität und Qualität zu bestimmen. In der Umweltforschung und Landwirtschaft werden Lysimeter zur Erfassung von Wechselwirkungen bzw. Stofftransporten zwischen der Atmosphäre, den Pflanzen, dem Boden, der Tierwelt und dem Grundwasser verwendet. http://de.wikipedia.org/wiki/Lysimeter http://ugt-online.de/en/home.html Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 13 Bau der Lysimeterstation im Reckenholz http://ugt-online.de/referenzen/lysimeterstationen.html Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 14 Welche Messdaten werden benötigt? • Niederschlagsdaten • Sickerwassermenge • Wägedaten • Lysimeteroberfläche Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 15 Modellieren von Evapotranspiration Physikalische Modelle Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Modellieren von Evapotranspiration Es bestehen verschiedene Ansätze, wie Evapotranspiration modelliert werden kann: 1. Energiebilanz Methode 2. Aerodynamische Methode 3. Kombination von Energiebilanz und Aerodynamischer Methode 4. Empirische Modelle Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 17 Energiebilanz Für eine definierte Oberfläche gilt: 𝑅𝑛 + 𝐻 + 𝐺 + 𝜆𝐸𝑇 = 0 + Rn - + H - + lET - + G 𝑅𝑛 𝐻 𝐺 𝜆𝐸𝑇 𝜆 Strahlungsbilanz (Nettostrahlung) fühlbarer Wärmestrom Bodenwärmestrom latenter Wärmestrom (Verdunstungswärmestrom) spezifische Verdampfungswärme Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 18 Energiebilanz – Nettostrahlung 𝑹𝒏 Der dominante Energieaustausch zwischen Erde und Weltall erfolgt über elektromagnetische Strahlung. Diese kommen in verschiedenen Spektren von Wellenlängen vor. 𝑅𝑛 + 𝐻 + 𝐺 + 𝜆𝐸𝑇 = 0 Die zwei relevanten Typen von Strahlung sind: • die einfallende Sonnenstrahlung (kuzwellig: ca. 0.305-2.8 m) • die von der Erdoberfläche emittierte Wärmestrahlung (langwellig: ca. 4.5-42 m) Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 19 Energiebilanz – Nettostrahlung 𝑹𝒏 Die Nettostrahlung wird also berechnet als einfallende Sonnenstrahlung minus die reflektierte kurzwellige Strahlung, plus die netto langwellige Strahlung. 𝑅𝑛 + 𝐻 + 𝐺 + 𝜆𝐸𝑇 = 0 𝑅𝑛 = 𝑅𝑠 1 − 𝛼 + 𝑅𝑛𝑙 • 𝑅𝑛 • 𝑅𝑠 • • 𝛼 𝑅𝑛𝑙 Strahlungsbilanz (Nettostrahlung) einfallende kurzwellige Strahlung Albedo Netto langwellige Strahlung Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 20 Energiebilanz – Wärmeströme 𝑯, 𝝀𝑬𝑻, 𝑮 𝑯 fühlbarer/sensibler Wärmestrom Energie die sich bei Zufuhr oder Abfuhr unmittelbar in Änderung der Temperatur äussert. 𝑅𝑛 + 𝐻 + 𝐺 + 𝜆𝐸𝑇 = 0 𝝀𝑬𝑻 latenter Wärmestrom (Verdunstungswärmestrom) Energie die bei der Verdunstung aufgenommen, und über den Wasserdampf abtransportiert wird. 𝝀 spezifische Verdampfungswärme Benötigte Wärmemenge um eine bestimmte Menge Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu bringen, ohne dass sich die Umgebungstemperatur dabei ändert. 𝑮 Bodenwärmestrom Energie die über Wärmeleitung im Boden gespeichert, bzw. wieder abgegeben wird. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 21 Energiebilanz – Vergleich der Energieströme Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 22 Energiebilanz Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E., 1997 Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 23 Energiebilanz - Evaporation Evaporation mittels Energiebilanz Methode: 1 𝐸𝑇 = 𝑅𝑛 − 𝐻 − 𝐺 𝜆 𝜌𝑤 𝐸𝑇 𝑅𝑛 𝐻 𝐺 𝜆 𝜌𝑤 + Rn - + H - + lET - + G - Evapotranspirationsrate berechnet mit der Energiebilanz Methode Strahlungsbilanz (Nettostrahlung) fühlbarer Wärmestrom Bodenwärmestrom spezifische Verdampfungswärme Dichte von Wasser Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 24 Aerodynamische Methode Die aerodynamische Methode basiert auf der Fähigkeit, Wasserdampf von der Oberfläche abzutransportieren. Zwei Faktoren beeinflussen dies massgeblich: • Feuchtigkeitsgradient von der Bodenoberfläche zur Umgebungsluft • Windgeschwindigkeit über der Bodenoberfläche 𝐸𝑎 = 𝐵 𝑒𝑎𝑠 − 𝑒𝑎 wobei 0.622𝑘 2 𝜌𝑎 𝑢2 𝐵= 𝑝𝜌𝑤 𝑙𝑛 𝑧2 𝑧0 2 Siehe auch Chow et al. (1998) für Details Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 25 Faktoren welche die ET beeinflussen • Verfügbare Energie, um die latente Verdampfungswärme zu decken • • • • Sonneneinstrahlung Bodenbedeckung Temperatur der Erd- bzw. Wasseroberfläche Temperatur der bodennahen Luftschichten • Menge des Wasserdampfes die von der Oberfläche abtransportiert werden kann • Windgeschwindigkeit an der Erdoberfläche • Luftfeuchtigkeit der nahen Umgebungsluft • Menge des verfügbaren Wassers • Wassergehalt des Bodens • Intensität (Biomasse, Produktion) und Artengefüge (manche Pflanzen verdunsten mehr als andere) der Vegetation Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 26 Kombinierte Methode ET kann also nach folgenden Methoden berechnet werden: • Aerodynamische Methode: Wenn die Energiezufuhr nicht limitierend ist. • Energiebilanz Methode: Wenn der Abtransport von Wasserdampf nicht limitierend ist. Normalerweise werden die Energiebilanz Methode und die Aerodynamische Methode kombiniert: Δ 𝛾 𝐸= 𝐸𝑟 + 𝐸𝑎 Δ+𝛾 Δ+𝛾 Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 27 Penman-Monteith 𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 Δ 𝑅 − 𝐺 + 𝜌 𝑐 𝑛 𝑎 𝑝 1 𝑟𝑎 𝐸𝑇 = ∙ 𝑟 𝜆 Δ+𝛾 1+ 𝑠 𝑟𝑎 𝑟𝑠 = 𝑟𝑙 𝐿𝐴𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑟𝑎 = 𝑓 𝑊𝑖𝑛𝑑𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 𝐸𝑇 λ 𝑅𝑛 𝐺 𝜌𝑎 𝑐𝑝 ∆ Potentielle Evapotranspiration spezif. Verdunstungswärme Nettostrahlung Bodenwärmefluss Luftdichte Spezifische Wärme der Luft Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve 𝛾 Psychrometerkonstante 𝑟𝑠 Oberflächenwiderstand 𝑟𝑙 Stomatawiderstand eines gut bestrahlten Blattes 𝑟𝑎 Aerodynamischer Widerstand 𝑒𝑠 Sättigungsdampfdruck 𝑒𝑎 Aktueller Dampfdruck [mm/s] [J/kg] [W/m2] [W/m2] [kg/m3] [J/(kg °C)] [kPa/°C] [kPa/°C] [s/m] [s/m] [s/m] [kPa] [kPa] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 28 Penman-Monteith 𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 Δ 𝑅 − 𝐺 + 𝜌 𝑐 𝑛 𝑎 𝑝 1 𝑟𝑎 𝐸𝑇 = ∙ 𝑟 𝜆 Δ+𝛾 1+ 𝑠 𝑟𝑎 𝑟𝑠 = 𝑟𝑙 𝐿𝐴𝐼𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 𝑟𝑎 = 𝑓 𝑊𝑖𝑛𝑑𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 Sonneneinstrahlung Bodenbedeckung Temperatur der Erd- bzw. Wasseroberfläche 𝐸𝑇 λ 𝑅𝑛 𝐺 𝜌𝑎 𝑐𝑝 ∆ Potentielle Evapotranspiration spezif. Verdunstungswärme Nettostrahlung Bodenwärmefluss Luftdichte Spezifische Wärme der Luft Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve 𝛾 Psychrometerkonstante 𝑟𝑠 Oberflächenwiderstand 𝑟𝑙 Stomatawiderstand eines gut bestrahlten Blattes 𝑟𝑎 Aerodynamischer Widerstand 𝑒𝑠 Sättigungsdampfdruck 𝑒𝑎 Aktueller Dampfdruck [kPa/°C] [kPa/°C] [s/m] [s/m] [s/m] [kPa] [kPa] Luftfeuchtigkeit der nahen Umgebungsluft Temperatur der bodennahen Luftschichten Windgeschwindigkeit an der Erdoberfläche [mm/s] [J/kg] [W/m2] [W/m2] [kg/m3] [J/(kg °C)] Wassergehalt des Bodens Intensität und Artengefüge der Vegetation Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 29 FAO Penman-Monteith – Referenzoberfläche Bilder: Gras mit Alfalfa (oben), Alfalfa (unten) Gras mit bestimmten (hypothetischen) Eigenschaften als Referenzoberfläche: • Graslänge von 0.12 m • Stomatawiderstand von 70 s/m • Aerodynamischer Widerstand von 208/u2 s/m • Albedo von 0.23 Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 30 FAO Penman-Monteith Penman-Monteith Formel: 𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 Δ 𝑅 − 𝐺 + 𝜌 𝑐 𝑛 𝑎 𝑝 1 𝑟𝑎 𝐸𝑇 = ∙ 𝑟 𝜆 Δ+𝛾 1+ 𝑠 𝑟𝑎 Referenzoberfläche Grasreferenzverdunstung: 𝐸𝑇0 = 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 𝐸𝑇 λ 𝑅𝑛 𝐺 𝜌𝑎 𝑐𝑝 ∆ Potentielle Evapotranspiration spezifische Verdunstungwärme Nettostrahlung Bodenwärmefluss Luftdichte Spezifische Wärme der Luft Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve 𝛾 Psychrometerkonstante 𝑟𝑠 Oberflächenwiderstand 𝑟𝑙 Stomatawiderstand eines gut bestrahlten Blattes 𝑟𝑎 Aerodynamischer Widerstand 𝑒𝑠 Sättigungsdampfdruck 𝑒𝑎 Aktueller Dampfdruck 𝐸𝑇0 𝑇 𝑢2 [mm/s] [J/kg] [W/m2] [W/m2] [kg/m3] [J/(kg °C)] [kPa/°C] [kPa/°C] [s/m] [s/m] [s/m] [kPa] [kPa] Potentielle Referenz ET Mittlere Temperatur in 2 m Höhe Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 31 FAO Penman-Monteith 900 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 𝑇 + 273 𝑢2 𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 𝐸𝑇0 = ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 𝐸𝑇0 𝑅𝑛 𝐺 ∆ 𝛾 𝑇 𝑢2 𝑒𝑠 𝑒𝑎 Potentielle Referenz Evapotranspiration Nettostrahlung Bodenwärmefluss Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve Psychrometerkonstante Mittlere Temperatur in 2 m Höhe Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe Sättigungsdampfdruck Aktueller Dampfdruck [mm/day] [MJ/(m2 day)] [MJ/(m2 day)] [kPa/°C] [kPa/°C] [°C] [m/s] [kPa] [kPa] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 32 FAO Penman-Monteith – Nettostrahlung 𝑅𝑛 𝐸𝑇0 = 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 𝑅𝑛 = 𝑅𝑠 1 − 𝛼 + 𝑅𝑛𝑙 Radiation [MJ m-2 hour-1] 4 3 Rn measured (RHB) Rsin measured (RHB) Rsout measured (RHB) Rlin measured (RHB) Rlout measured (RHB) 2 1 0 07/14 07/15 07/16 07/17 07/18 07/19 07/20 07/21 Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 33 FAO Penman-Monteith – Nettostrahlung 𝑅𝑛 𝐸𝑇0 = gemessen 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 𝑅𝑛𝑙 = 𝑅l,down − 𝑅𝑙,𝑢𝑝 𝑅𝑛 = 𝑅𝑠 1 − 𝛼 + 𝑅𝑛𝑙 𝛼= 𝑅𝑠𝑟 Weil 𝑅𝑠𝑟 nicht gemessen wird, muss der Albedo wert abgeschätzt werden. 𝑅𝑠𝑖 Weil 𝑅𝑙 nicht gemessen wird, muss 𝑅𝑛𝑙 abgeschätzt werden. Dazu gibt es verschiedene empirische Formeln (FAO Manual). 1 Einige Werte: • Neuschnee 0.95 • Nasser, kahler Boden 0.05 • Boden mit grüner Vegetation 0.20-0.25 daily albedo (Rsout/Rsin) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec fast immer gilt: 𝑅𝑙,𝑢𝑝 > 𝑅𝑙,𝑑𝑜𝑤𝑛 => Energieverlust Jan Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 34 FAO Penman-Monteith – Bodenwärmestrom 𝑮 𝐸𝑇0 = + Rn - + H - + lET - 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 + G - • Energie die über Wärmeleitung im Boden gespeichert, bzw. wieder abgegeben wird. • Der Bodenwärmestrom ist normalerweise sehr gering, und darf vernachlässigt werden. • Falls er berücksichtigt werden will, findet man Näherungsformeln im FAO Manual. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 35 FAO Penman-Monteith – Sättigungsdampfdruck 𝒆𝒔 𝐸𝑇0 = 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 Druck bei dem die Luft gesättigt ist, als Funktion der Temperatur: 17.27 𝑇 𝑒𝑠 𝑇 = 0.6108 𝑒𝑥𝑝 𝑇 + 237.3 𝑒𝑠 𝑇 Sättigungsdampfdruck Lufttemperatur [kPa] [°C] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 36 FAO Penman-Monteith – Windgeschwindigkeit 𝒖𝟐 10 𝐸𝑇0 = Höhe [m] 8 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 6 4 Messhöhe: 10 m Relevante Höhe: 2m 2 0 0 2 4 6 8 Windgeschwindigkeit [m/s] 10 Umrechnung der Windgeschwindigkeit auf 2 m Höhe: 4.87 𝑢2 = 𝑢𝑧 𝑙𝑛 67.8 𝑧 − 5.42 𝑢𝑧 𝑧 Windgeschwindigkeit in z m Höhe Messhöhe der Windgeschwindigkeit [m/s] [m] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 37 FAO Penman-Monteith 𝐸𝑇0 = 900 𝑢 𝑒 − 𝑒𝑎 𝑇 + 273 2 𝑠 ∆ + 𝛾 1 + 0.34 ∙ 𝑢2 0.408∆ 𝑅𝑛 − 𝐺 + 𝛾 Psychrometerkonstante 𝛾 = 𝑓(𝑝) siehe FAO Manual Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve ∆ = 𝑓(𝑇) siehe FAO Manual Aktueller Dampfdruck 𝑒𝑎 = 𝑓(𝑇, 𝑅𝐻) siehe FAO Manual Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 38 Welche Messdaten werden benötigt? • Strahlungsmessungen • Lufttemperatur • Windgeschwindigkeit • Luftdruck • Relative Luftfeuchtigkeit Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 39 Unterschiedliche Meteostationen Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 40 Grasreferenzverdunstung -> spezifische Pflanze Berücksichtigung gebietsspezifischer Vegetation: • Grasreferenzverdunstung wird mit den gegebenen klimatischen Bedingungen berechnet. (z.B. 𝐸𝑇0 nach FAO Penman-Monteith) • Die potentielle Evapotranspiration einer anderen Pflanze unter den selben klimatischen Bedingungen wird durch Multiplikation mit einem pflanzenspezifischen Faktor berechnet: 𝐸𝑇𝑐 = 𝐾𝑐 𝐸𝑇0 𝐸𝑇𝑐 Evapotranspiration der spezifischen Pflanze [mm/h] 𝐾𝑐 Pflanzenfaktor (crop factor) [-] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 41 Grasreferenzverdunstung -> spezifische Pflanze Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 42 Saisonale Entwicklung der ET Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 43 Haupteinflussfaktoren während der Saison Hauptfaktoren welche die ET in den verschiedenen Stadien des Pflanzenwachstums beeinflussen: Bodeneva -poration Bodenbedeckun g Pflanzenentwicklung Pflanzenart Pflanzenart, Erntezeit Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 44 Modellieren von Evapotranspiration Empirische Modelle Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Strahlungsbasierte empirische Modelle Priestley-Taylor Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 46 Strahlungsbasierte empirische Modelle Makkink Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 47 Strahlungsbasierte empirische Modelle Turc C ist Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 48 Temperaturbasierte empirische Modelle Thornthwaite Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 49 Temperaturbasierte empirische Modelle Haude Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 50 Temperaturbasierte empirische Modelle Blaney-Criddle Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 51 Vergleich der empirischen Modelle Hourly ET [mm] 0.8 FAO Penman-Monteith Priestley-Taylor Makkink Hargreaves Turc Ivanov Thornthwaite Haude Blaney-Criddle 0.6 0.4 0.2 0 06/30 07/01 07/02 07/03 07/04 07/05 07/06 Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 52 Experiment Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 Arbeiten mit den Daten vom Reckenholz Wir werden mit zwei Typen von Daten arbeiten: • Lysimeterdaten von der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART • z.B. 2014_lysimeter_04.txt (arbeitet mit mindestens zwei verschiedenen Lysimetern unterschiedlicher Bepflanzung) • Meteorologische Daten gemessen an der SwissMetNet Station im Reckenholz • z.B. 2014_meteo_data.txt mit Erklärungen unter 2014_meteo_info.txt Auf der Homepage www.luiw.ethz.ch können die Daten und Informationen dazu heruntergeladen werden. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 54 Daten der mobilen Wetterstationen Berechnung der ET mit Daten der mobilen Wetterstationen aus dem Jahr 2015 (Hönggerberg und Reckenholz): Gemessen wurden P, T, u, RH, Rs Bei fehlenden Messdaten werden die Daten der SwissMetNet-Station Reckenholz näherungsweise eingesetzt. • Wie stark verändert sich die modellierte ET, wenn meteorologische Daten von einem anderen Standort (z.B. Hönggerberg) eingesetzt werden? Datei: Meteodaten_mobile_Wetterstationen2015.zip Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 55 Installation der Wetterstationen Gruppe 1-9: Aufbau von 2 Wetterstationen auf dem Hönggerberg Gruppe 10-18: Aufbau von 1 Wetterstationen im Reckenholz Treffpunkt 13:30h im Reckenholz Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 56 Arbeiten • Berechnung der stündlichen, täglichen und monatlichen realen Evapotranspirationsrate von zwei ausgewählten Lysimetern. • Studiert die Korrelation zwischen gemessener ET und den verschiedenen relevanten meteorologischen Parametern. • Modellierung der stündlichen, täglichen und monatlichen potentiellen Evapotranspirationsrate mit: - Penman-Monteith Formel - Einer ausgewählten empirischen Methode • Studiert die Sensitivität der einzelnen Parameter die abgeschätzt oder vernachlässigt wurden. • Diskutiert die Unterschiede zwischen den verschiedenen Methoden, beachtet speziell die zeitliche Auflösung. Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 57 Arbeiten • Vergleicht die modellierte ET mit der gemessenen ET der Lysimeter. Wendet dabei auch die Pflanzenfaktoren an. • Diskutiert die Unterschiede. Vielleicht helfen dabei auch die weiteren Messungen der Lysimeter. Weitere Auswertungen (freiwillig) • Vergleich der ET mit meteorologischen Daten von unterschiedlichen Messstationen. • • Wie verändert sich die modellierte ET wenn an Stelle der SwissMetNet Daten die Daten der mobilen Wetterstationen aus dem Reckenholz oder vom Hönggerberg eingesetzt werden? Welche meteorologischen Parameter zeigen die grösste Sensitivität in Bezug auf den Standort? Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 58 Ablauf Gruppe 10-18 Dienstag 5. April 2016 08:00 – 10:00 Einführung im Vorlesungssaal 10:00 – 12:30 Matlab Einführung & Berechnung der ET (Computerraum E15.2) 13:30 – 14:30 15:00 – 16:00 Installation Wetterstation Reckenholz Exkursion zur Lysimeteranlage der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART und SwissMetNetStation von Meteoschweiz im Reckenholz Anschliessend Individuelles Arbeiten Mittwoch 6. April 2016 08:00 – 12:00 Modellierung der ET im Computerraum C29 Nachmittag Individuelles Arbeiten Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 60 Exkursion Gruppe 10-18 • Exkursion zur Lysimeteranlage der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART und zur SwissMetNet-Station von Meteoschweiz im Reckenholz Bahnhof Affoltern • Treffpunkt Dienstag 13:30 im Reckenholz • Anreise mit Velo oder öV möglich: z.B. Bus 37: • Abfahrt ETH Hönggerberg: 13:04 bis Bahnhof Affoltern • Zu Fuss bis Reckenholz Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 62 Leistungskontrolle Gruppen 10-18 (5./6.4.2016): mündliche Präsentation Abgabe Präsentation: Montag 11. April 2016 Gruppenweise am Mittwoch 13. April 2016 [email protected] [email protected] Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 64 Literatur • • • • • • • Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D. and Smith, M. 1998. Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and drainage paper 56 Chow, V. T., Maidment, D. R. and Mays, L. W. 1988. Applied Hydrology. McGraw-Hill International Editions. DVWK (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau), 1996. Ermittlung der Verdunstung von Land und Wasserflächen, Merkblätter zur Wasserwirtschaft 238, Bonn. Prasuhn, V. et al. 2009. Die neue Lysimeteranlage Zürich-Reckenholz. 13. Gumpensteiner Lysimetertagung 2009, 11 – 16. ISBN: 978-3-902559-31-9 Kiehl, J. T., Kevin E. Trenberth, 1997: Earth's annual global mean energy budget. Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197–208. http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hylt05.html UGT (Umwelt-Geräte-Technik) GmbH. http://ugt-online.de Departement Bau, Umwelt und Geomatik Labor für Umweltingenieurwissenschaften Bettina Schäppi, FS 2016 65
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