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GWC 2: Evapora-on CTB3300WCx: Introduc2on to Water and - PowerPoint PPT Presentation

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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

  1. GWC ¡2: ¡Evapora-on ¡ CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡ Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡

  2. 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) ¡

  3. Types ¡of ¡Evapora-on ¡ § Direct ¡evapora;on ¡ (physical ¡process) ¡ § Open ¡water ¡evapora;on ¡ E o § Soil ¡evapora;on E s § Intercep;on ¡evapora;on ¡ E i § Sublima;on ¡of ¡snow ¡or ¡ice ¡ E snow § Transpira;on ¡ E T ¡ (bio-­‑physical ¡process) ¡ § Total ¡evapora;on ¡ E = E o +E s +E i +E snow +E T

  4. 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 ¡ ¡ ¡

  5. Poten-al ¡Evapora-on ¡ Poten3al ¡evapora3on, ¡ E p ¡ ¡ § 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

  6. Average ¡(annual) ¡evapora-on ¡ is ¡the ¡mean ¡annual ¡runoff ¡[mm/a] ¡ Q E = P − Q is ¡the ¡mean ¡annual ¡precipita;on ¡[mm/a] ¡ P is ¡the ¡mean ¡annual ¡evapora;on ¡[mm/a] ¡ E E P = 1 − Q P = 1 − C R

  7. Actual ¡evapora-on ¡ E ≤ E p Energy ¡constraint ¡ E ≤ P Moisture ¡constraint ¡

  8. Budyko ¡Curve ¡ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ E p E P = 1 − exp − ⎟ = 1 − C R ⎜ ⎜ ⎟ P ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ § If ¡P → 0, E = P § If ¡P → ∞ , E = E p Budyko ¡(1920-­‑2001) ¡

  9. 1,00 ¡ 0,90 ¡ 0,80 ¡ Congo ¡ 0,70 ¡ Yangtze ¡ Yellow ¡River ¡ 0,60 ¡ Brahmaputra/Ganges ¡ E/P ¡ 0,50 ¡ Lena ¡ Parana ¡ 0,40 ¡ Amazon ¡ 0,30 ¡ Mississippi ¡ Mackenzie ¡ 0,20 ¡ Danube ¡ 0,10 ¡ Volga ¡ 0,00 ¡ 0,00 ¡ 0,50 ¡ 1,00 ¡ 1,50 ¡ 2,00 ¡ 2,50 ¡ 3,00 ¡ 3,50 ¡ 4,00 ¡ 4,50 ¡ 5,00 ¡ Epot/P ¡ ¡ ¡= ¡ ¡Aridity ¡index ¡

  10. Meteorological ¡factors ¡affec-ng ¡evapora-on ¡ § Energy ¡balance ¡ § Radia;on ¡ § Humidity ¡ § Aerodynamic ¡resistance ¡

  11. Radia-on ¡Balance ¡ R A ¡ R r R R ( 1 ) = − − N C B R N : Net short wave radiation [W/m 2 ] R C : Incoming short wave radiation R B ¡ R B : Outgoing long wave radiation rR C ¡ r : Albedo or whiteness R C ¡ Surface ¡ Albedo ¡(r) ¡ Open ¡water ¡ 0.06 ¡ Short ¡wave ¡ ¡Long ¡wave ¡ Grass ¡ 0.24 ¡ Bare ¡soil ¡ 0.10 ¡– ¡0.30 ¡ Fresh ¡snow ¡ 0.90 ¡

  12. Radiometer ¡

  13. Sunshine ¡Recorder ¡ § R C ¡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 ¡ R C = (0.20 + 0.48 n/N)R A Average ¡ R C = (0.25 + 0.50 n/N)R A New ¡Delhi ¡ R C = (0.31 + 0.60 n/N)R A Singapore ¡ R C = (0.21 + 0.48 n/N)R A

  14. Maximum ¡amount ¡ of ¡sun ¡hours ¡per ¡day ¡ N ¡ ¡ Short ¡wave ¡radia3on ¡ expressed ¡in ¡terms ¡of ¡ evapora3on ¡ ¡ RA/ λ in ¡ kg m-2day-1 ¡

  15. Outgoing ¡Long ¡wave ¡radia-on ¡ § R B ¡is ¡calculated ¡through ¡an ¡empirical ¡equa;on ¡ le? ¡ middle ¡ right ¡

  16. Humidity ¡ ⎛ ⎞ 19.9 t a e s = 0.61exp ⎜ ⎟ 273 + t a ⎝ ⎠ s = d e s 5430 e s d t = ( ) 2 273 + t a e a ( t a ) = e s ( t w ) − γ ( t a − t w )

  17. Psychrometer ¡ e a ( t a ) = e s ( t w ) − γ ( t a − t w ) h = e a ( t ) e s ( t ) t a is the dry bulb temperature t w is the wet bulb temperature e s ( t w ) is the saturation pressure at the wet bulb temperature γ is the psychrometer constant (0.066 kPa/ o C h is the relative humidity

  18. Energy ¡balance ¡ S } ¡ Δ Assume: ¡ ¡ E R H A E [Wm -­‑2 ] ¡ = − − − ρλ N Δ S/ Δ t= 0 , A= 0 t Δ On ¡daily ¡basis ¡!! ¡ R H ( ) (1 r R ) R H − − − − N E C B [m/d] ¡ = = ρλ ρλ

  19. 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 ¡ ¡

  20. Penman ¡Formula ¡ c sR e e ρ ⎛ ⎞ − p a N s a + ⎜ ⎟ 245 1 r a = ρλ ρλ r 86400[d/ m] ⎝ ⎠ ( ) a E [m/d] ¡ 0.54 u 2 + 0.5 = o s + γ R N 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 ] c p specific heat of air (1004 J kg -1 K -1 ) [J kg -1 K -1 ] ρ a density of air (1.205 kg/m3) [kg m -3 ] ρ density of water (1000 kg/m3) [kg m -3 ] e a actual vapour pressure of the air at 2 m elevation [kPa] e s saturation vapour pressure for the temp. at 2 m elevation [kPa] γ psychrometer constant ( γ = 0.066 kPa/ o C) [kPa K -1 ] r a aerodynamic resistance [day m -1 ]

  21. Penman-­‑Monteith ¡ c sR e e ρ ⎛ ⎞ − p a N s a + ⎜ ⎟ r ρλ ρλ ⎝ ⎠ a E [m/d] ¡ = a r ⎛ ⎞ s 1 c + γ + ⎜ ⎟ r ⎝ ⎠ a

  22. Crop ¡resistance ¡ r c ¡ § 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 ¡ ¡

  23. Evapora-on ¡of ¡the ¡World ¡

  24. Direct ¡measurement ¡of ¡evapora-on ¡ E = P − Q A − d S § Water ¡balance: ¡ [L/T] ¡ d t § Evapora;on ¡pan ¡ § Lysimeter ¡ § Shallow ¡Lysimeter ¡ ¡

  25. Pan ¡evapora-on ¡

  26. Lysimeter ¡ Soil ¡ Pump ¡ Floater ¡ Soil ¡saturated ¡with ¡water ¡

  27. Intercep-on ¡measurement ¡ Precipita3on ¡ Canopy ¡ intercep3on ¡ throughfall ¡ stemflow ¡ Forest ¡floor ¡ ¡ intercep3on ¡ Infiltra3on ¡

  28. Shallow ¡Lysimeter ¡

  29. Shallow ¡Lysimeter ¡ d S upper + d S lower = P − E − Q d t d t A

  31. The ¡evapora-on ¡tower ¡

  32. 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 ¡ ¡ ¡

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