Испарение

Испарение обычно измеряют в миллиметрах (мм) слоя воды, испаряющейся за конкретное время (год, месяц). Если же в каче­стве расчетного используют небольшой промежуток времени (ч, сут), то принято говорить об интенсивности процесса испарения, измеряемого в мм/ч или мм/сут.

Процесс испарения. Это переход молекул воды из жидкого состояния в парообразное, и в метеорологии его характеризуют как физическое испарение. Процесс перехода воды из твердого состояния (снег, лед, иней и т.д.) в парообразное называют возгонкой.

Физическое испарение происходит посредством процессов моле­кулярной и турбулентной диффузии.

Сущность процесса молекулярной диффузии заключается в от­рыве от водной или влажной почвенной поверхности молекул воды, набравших за счет нагрева такую кинетическую энергию, которая позволяет им преодолеть силы тяжести и сцепления влаги и перейти во взвешенное состояние в воздухе.

Более интенсивной составляющей физического испарения яв­ляется процесс турбулентной диффузии, при котором молекулы воды захватываются с водной и влажной почвенной поверхности и переносятся в вертикальном направлении за счет вертикальных составляющих передвижения воздушных масс.

Согласно закону Дальтона интенсивность физического испаре­ния прямо пропорциональна разности между парциальным дав­лением насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности и фактическим парциальным давлением водяного пара в воздухе: .

Интенсивность испарения также прямо пропорциональна ско­рости ветра , что объясняется процессом турбулентной диффу­зии. Кроме того, испарение тем больше, чем меньше атмосферное давление р, поскольку молекулам легче оторваться от испаряющей поверхности при малом атмосферном давлении. Учитывая выше­перечисленные факторы, получаем следующую формулу:

(6.6)

где — коэффициент пропорциональности.

Процесс испарения сопровождается потерей теплоты. Для пе­рехода 1 г воды при

0 ^оС в пар требуется 2507 кДж теплоты. Этот процесс называют скрытой теплотой испарения. Зная количество теплоты, затрачиваемое на испарение, можно найти количество испарившейся жидкости.

Процесс физического испарения происходит как с поверхности водных объектов, так и с поверхности влажной почвы, поэтому его разделяют на испарение с водной поверхности и испарение с почвы. Обычно на почвенной поверхности существует какая-либо растительность, которая переводит часть влаги из верхнего слоя почвы в атмосферу посредством транспирации. Кроме того, часть влаги, находящейся на стволах, стеблях и листьях растений, не­посредственно испаряется в атмосферу.

Тем не менее под термином «суммарное испарение» или «испа­рение с поверхности суши» понимают суммарное испарение с по­чвы и растительности, а также транспирацию влаги растениями. В международной практике для характеристики суммарного испаре­ния используют термин «эвапотранспирация».

Чтобы правильно составить водный баланс для конкретной территории, на которой имеются какие-либо водные объекты, не­обходимо помимо суммарного испарения учесть еще и испарение с водной поверхности этих объектов.

Испарение, не ограниченное запасами влаги, принято называть испаряемостью.

По своей сущности испарение с водной поверхности водоемов можно считать испаряемостью. Испарение с водной поверхности испарителя, расположенного на суше, тоже можно принимать за испаряемость. Эта величина в большинстве случаев существенно отличается от испарения с суши. Только для заболоченных терри­торий значения испаряемости и фактического испарения мало от­личаются друг от друга.

Испарение с водной поверхности. За испарением с водной по­верхности обычно наблюдают на водно-балансовых станциях с помощью испарителей и испарительных бассейнов. Сетевым при­бором для измерения испарения с водной поверхности является испаритель ГТИ-3000.

Эталонный испаритель — это испарительный бассейн с площа­дью зеркала 20 м² и глубиной 2 м. Обычно показания испаритель­ного бассейна площадью 20 м² соответствуют испарению с малых водоемов площадью до 5 км². Существует карта изолиний средних многолетних переходных коэффициентов от наземных испарите­лей ГГИ-3000 к бассейну площадью 20 м². На основании этой кар­ты и многолетних наблюдений за испарением по испарителю ГГИ-3000 была построена карта средних многолетних значений испарения с водной поверхности бассейна площадью 20 м² и схе­ма районирования территории бывшего СССР по типу внутригодового хода испарения (рис. 6.4).

Установив по карте, к какой зоне относится рассматриваемый водоем, распределяют найденное значение нормы испарения по месяцам в соответствии с данными таблицы 6.1.

Все водоемы применительно к расчету испарения делят на три группы: малые (площадью до 5 км²), средние (5...40 км²) и боль­шие — озера и водохранилища площадью более 40 км².

Среднее многолетнее испарение с водной поверхности малых водоемов

(6.7)

где — среднее многолетнее испарение с бассейна площадью 20 м²; — поправочный коэффициент на глубину водоема; — поправочный коэффициент на защищенность водоема от ветра; — поправочный коэффициент на пло­щадь водоема.

Значение определяют либо по данным наблюдений, либо при отсутствии таких данных по карте (см. рис. 6.4), а коэффици­енты — по специальным таблицам: в зависимости от средней глубины и месторасположения водоема; — от площади акватории; — от отношения средней высоты препятствий по контуру водоема h к средней длине разгона ветрового потока L, то есть . Среднюю длину разгона воздушного потока вы­числяют как среднее взвешенное из расстояний по водной поверх­ности с учетом повторяемости ветра. Внутригодовое распределе­ние испарения с малых водоемов вычисляют по типовым процен­тным распределениям среднего многолетнего испарения , ко­торые соответствуют конкретным зонам карты, показанной на рисунке 6.4.

При отсутствии данных наблюдений испарение со средних во­доемов вычисляют по эмпирическим формулам. Наиболее часто используют формулу

(6.8)

Рис. 6.4. Карта средних многолетних значений испарения с водной поверхности бассейна площадью 20 м² и схема районирова­ния территории бывшего СССР по типу внутригодового хода испарения

где — число дней в расчетном периоде; — среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды, мб; — средняя упругость водяного пара над водоемом на высоте 2 м; и — средняя скорость ветра над водоемом на высоте 2 м.

Таблица 6.1.

Испарение с поверхности малых водоемов по месяцам, %

Испарение с поверхности снега и льда (возгонка). Процесс возгонки исследования гораздо меньше, чем испарение с водной поверхнос­ти. Возгонка имеет место, когда упругость пара в воздухе над сне­гом и льдом е меньше, чем упругость пара насыщающего про­странство при температуре испаряющей поверхности.

При постоянной относительной влажности воздуха с повы­шением его температуры абсолютная влажность увеличивается, а разность упругости водяного пара и испарение умень­шаются. При некотором значении температуры воздуха раз­ность равна нулю, то есть испарение прекращается. Дальнейшее повышение температуры воздуха приводит к тому, что абсолютная влажность воздуха превышает упругость пара, насыщающего пространство при температуре испаряющей по­верхности. В этом случае происходит конденсация пара (субли­мация).

Испарение с поверхности снега и льда можно измерить с помо­щью цилиндрических сосудов различного диаметра и высоты. Эти приборы наполняют снегом и ставят в снег на уровне поверхнос­ти. По изменению массы прибора определяют количество испа­рившегося снега или сконденсировавшихся паров из окружающе­го воздуха. Точность таких измерений невысокая.

Испарение с поверхности снега при одной и той же темпера­туре обычно меньше, чем испарение с поверхности льда. Объяс­няется это меньшей теплопроводностью снега, вследствие чего температура на его поверхности оказывается ниже, чем на по­верхности льда. Соответственно интенсивность испарения со снега зависит от его плотности — на участках с уплотненным снежным покровом испарение интенсивнее, чем на участках с рыхлым свежевыпавшим снегом. Испарение с поверхности сне­га, мм/сут,

(6.9)

где — скорость ветра на высоте флюгера, м/с.

Если в формулу (6.9) подставить средние значения , е, не за одни сутки, а за и суток и полученный результат умножить на число суток, то получим испарение за суток. При определении испарения с поверхности снега за месяц и более продолжительные периоды обычно используют упрощенную формулу:

(6.10)

где — число суток в расчетном периоде; — дефицит влажности воздуха на высоте 2 м, мб.

Расход влаги за счет испарения (возгонки) со снежного покро­ва или льда невелик по сравнению с испарением за летний период даже для северных территорий. Для европейской территории Рос­сии слой влаги, расходующийся за счет процесса возгонки, состав­ляет примерно 20...30 мм, то есть, как правило, не превышает 5 % годового испарения.

Испарение с поверхности почвы. Помимо основных факторов (температуры воздуха, скорости ветра и дефицита влажности, вы­численного по температуре испаряющей поверхности), рассмот­ренных ранее, на интенсивность испарения с поверхности почвы влияют и некоторые специфические факторы. Рассмотрим их подробнее.

В период дождя и после него, когда верхний слой почвы обиль­но увлажнен, испарение с почвы мало отличается от испарения с водной поверхности. Отличие заключается лишь в том, что почва перед дождем бывает сильно прогрета и поэтому смачивающая ее вода испаряется быстрее.

Когда дождей нет, расходуется вода, находящаяся ниже поверх­ности земли (в капиллярах почвы и в грунтовых водах). Таким об­разом, интенсивность испарения зависит и от дефицита влажнос­ти и от влажности почвы.

По мере увеличения засушливого слоя почвы испарение умень­шается. Испарение плотных почв, обладающих большей капил­лярностью, сильнее, чем рыхлых. Определенное влияние оказыва­ет цвет почвы, а также рельеф местности, в частности уклон и экс­позиция.

Измеряют испарение с почвы с помощью почвенных испа­рителей.

Испарение с растительного покрова. Под термином «испарение с растительного покрова» обычно понимают совокупность транспирации и испарения осадков, задержанных кронами деревьев и ли­стьями растений.

Транспирация растений зависит не только от климатических условий, но и от их вида и может изменяться в больших пределах. Транспирацию определяют с помощью почвенных испарителей, а для измерения транспирации крупных растений, корневая систе­ма которых превышает объем почвенного монолита в обычных ис­парителях, создают специальные установки, работающие по принципу весового метода.

Установлено, что осадки с крон деревьев и листьев растений испаряются гораздо медленнее, чем стекают по растениям. Поэто­му этот вид расхода влаги измерить достаточно точно очень слож­но и в балансовых водохозяйственных расчетах его практически не учитывают.

Суммарное испарение. Как уже отмечалось ранее, под терми­нами «суммарное испарение» или «испарение с суши» понимают совокупность испарения с почвы и испарения с растительного покрова. За рубежом обычно используется термин «эвапотранспирация». При составлении различного вида водохозяйствен­ных балансов необходимо знать среднее многолетнее суммар­ное испарение.

Методы определения суммарного испарения. Обычно его опреде­ляют методом водного баланса, с помощью уравнения связи тепло­вого и водного баланса, методом турбулентной диффузии, гидроло­го-климатическим методом и биоклиматическим методом.

Метод водного баланса. Из уравнения водного баланса, составленного для многолетнего периода при наличии надежных данных об осадках X и стоке Y, суммарное испарение определяют как разность этих величин:

(6.11)

По этому уравнению в Государственном гидрологическом ин­ституте была построена карта изолиний суммарного испарения (рис. 6.5), по которой достаточно точно можно найти искомое значение для водосборов с площадью более 6000 км².

Уравнение связи теплового и водного ба­ланса. Проанализировав экспериментальные данные отно­сительно составляющих водного и радиационного балансов, М. И. Будыко рекомендовал определять суммарное испарение по уравнению

Е (6.12)

где В — среднее многолетнее значение радиационного баланса; —скрытая тепло­та испарения.

На основании этого уравнения и данных метеостанций об ат­мосферных осадках и радиационном балансе была построена но­мограмма (рис. 6.6), по которой достаточно просто можно опреде­лить искомое значение суммарного испарения.

Метод турбулентной диффузии. Этот метод ос­нован на закономерности передвижения пара в приземном слое атмосферы, который в общем случае можно выразить следую­щим образом:

(6.13)

где — плотность воздуха; — коэффициент турбулентного обмена; — градиент изменения парциального давления водяного пара по высоте.

Рис. 6.6. Номограмма для вычисления среднего годового слоя испарения ( , мм/год)

Дата добавления: 2015-06-28