1

Hydrologia

L6Haihdunta

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 2

Määritelmiä• Evaporaatio: haihdunta maan, veden tai lumen pinnalta• Transpiraatio: kasvien elintoimintoihin liittyvä haihdunta• Evapotranspiraatio: maa-alueilta tapahtuva kokonaishaihdunta• Potentiaalinen evapotranspiraatio: edellinen, kun veden puute ei

sitä rajoita• Potentiaalinen evaporaatio: puhtaasta vapaasta vedenpinnasta

tapahtuva haihdunta• Todellinen haihdunta: haihdunta, joka todellisuudessa tapahtuu

tietyltä alueelta• Interseptiohaihdunta: kasvien pinnoille pidättyneen veden

haihdunta

2

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 3

Haihduntailmiönä

Toisin kuin kiehumista,haihtumista voi tapahtuakaikissa lämpötiloissa.

Vedestä ilmaan siirtyvienvesimolekyylien määrä >ilmasta veteen haihdunta

Vesimolekyylien määrä ilmassapysyy pienenä (ts. vesihöyrynpaine pieni) ja energiaariittävästi haihduntajatkuu

Energia pinnasta tai säteilystäMolekyylejä siirtää: turbulenssi

ja molekyläärinen diffuusioKyllästystilassa haihdunta

loppuu. Kyllästetynvesihöyryn osapaine riippuulämpötilasta

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 4

Haihduntaan vaikuttavia tekijöitä,pinnan saama veden täydennys

Paljaalta maan pinnaltahaihtuminen voi jatkuasamalla tasolla vain, josvettä siirtyy syvemmältä.

Jos veden nousu pienempääkuin ilmanhaihduntavaatimussyntyy pintaan kuivakerros ja haihduntavähenee

3

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 5

Haihtuminen kasvien elintoimintojen avullaVeden käyttö liittyy fotosynteesiin ja respiraatioon, pystyssä

pysymiseen ja jäähdytykseenTapahtuu ilmarakojen kauttaCO2-kaasunvaihtoVedennousussa osmoosilla ja kapillaarisella nousulla osamerkitys.

Suurin merkitys haihdunnan aiheuttamalla imullaSiirtää vettä maavesivyöhykkeestä

Transpiraatio

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 6

4

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 7

Maankosteus ja todellinenhaihdunta

Suhteellisen haihdunnanriippuvuushyötykapasiteetista eritutkimuksissa

Vesipitoisuuslakastumisrajalla: 1(hiekka)….24 tilavuus%(savi)

Kenttäkapasiteettia vastaavavesipitoisuus 45(hiekka)… 95 tilavuus%(turve)

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 8

Maan pinnan energiatase

• missä Rn= nettosäteily (sis. Pitkä- että lyhytaaltoisen osan),LE=haihduntaan kuluva energia (L=höyrystymislämpö, E=haihdunta),C = havaittava lämmönvuo, G = maahan tai veteen siirtyvä energia,M=fotosynteesiin yms. kuluva energia

• erilaiset säteilytaseet erilaisille maan pinnoille

5

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 9

Maan pinnanenergiatasee

nkomponentit

• Vakkilainen, 1982

• Otaniemi• Nurmipinta• Kesä 1973

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 10

Haihdunnan mittausmenetelmiä

• Vesitaseen käyttö• Lysimetrit• Vesihöyryn vertikaalisen vuon mittaukset

– aerodynaamiset menetelmät– energiatasemenetelmä– turbulenssimenetelmä

• Haihtumisastioiden käyttö• Empiiriset ja puoliempiiriset menetelmät

6

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 11

Vesitasemenetelmä

• missä E = haihdunta, P = sadanta, Q= nettovalunta, S= varastonmuutos (voi olla + tai -)

• sopii pitkille jaksoille, esim. vuosihaihdunta valuma-alueelta• järvissä, joiden ala suuri valuma-alueeseen verrattuna (tulovirtaaman

epätarkkuus ei häiritse)

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 12

Lysimetrit

Mitataan vesimäärämaaperään upotetussaastiassa

Mittaus: punnitseminen taivesitasemäärityksenä

Ei operatiivisessa käytössä

7

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 13

Vesihöyryn vertikaalisen vuonmäärittämiseen perustuvat

menetelmät

• Turbulenttinen diffuusio siirtää vesihöyryäpinnasta ilmaan– Aerodynaamiset menetelmät– Energiatase– Suorat turbulenssimittaukset

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 14

Aerodynaamiset menetelmät

• missä =ilman tiheys, =vesihöyryn ja kuivan ilmanmolekyylipainojen suhde, p=ilmanpaine, k=von Karman vakio,u=tuulennopeus, e=vesihöyrynpaine, z=mittauskorkeus,d=tuulen nollapisteen siirtymä

• perustuu von Prandlin rajakerrosteoriaan• perusideana useiden muuttujien arvojen mittaaminen kahdelta

korkeudelta

8

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 15

Energiatase

• missä = Bowenin suhde, Rn= nettosäteily, LE=haihduntaan kuluvaenergia (L=höyrystymislämpö, E=haihdunta), C = havaittavalämmönvuo, G = maahan tai veteen siirtyvä energia, T=lämpötila,e=vesihöyryn paine, =0.61, alaindeksit 1 ja 2 viittaavat erikorkeuksilla tehtyihin havaintoihin (veden ja ilman rajapinta 1=s ja 2ilmassa

• tarvittavat mittaukset: nettosäteily, lämpötilat, kosteus, lämmönvuomaahan esim. useilla lämpömittareilla eri syvyyksillä

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 16

Turbulenssimenetelmä

• missä a=ilman tiheys, w=veden tiheys, q’=vesihöyrynmäärän hetkellinen poikkeama keskiarvosta, w’= ilmanvirtausnopeuden vertikaalikomponentin hetkellinenpoikkeama keskiarvosta

• Mitataan sekä vesihöyrypitoisuus että nopeusvektori hyvintaajasti, esim. 10 Hz

• Samanaikaisten vertikaalikomponenttien tulo antaahetkellisen vuon

• Käytössä mm. Hyytiälän SMEAR asemalla SMEAR

9

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 17

Haihtumisastioita, CLASS-A jaGGI-3000

E0=P- W

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 18

Astiahaihdunnan ja PET:n suhdeerilaisilla astioilla

• Otanimen lysimetrikentän tuloksia, Vakkilainen 1982• t = aika alkaen 1.5.• korjauskerroin kasvaa kesän edetessä• CLASS-A tulos paras

10

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 19

Astiahaihdunnan korjaus

• missä EL=haihdunta järvestä, E0=haihdunta astiassa,e0=vesihöyryn kyllästyspaine järven veden lämpötilassa,e2=vallitseva vesihöyryn paine 2 m korkeudella,lämpötilassa, e0 1=vesihöyryn kyllästyspaine astian vedenlämpötilassa

• astiahaihdunnan lisäksi tarvitaan lämpötila jakosteusmittaukset

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 20

PET/Penmannin kaava

Tulokset Otaniemenlysimetrikentältä.Vakkilainen, 1982

Penmannin kaava näyttääantavan hyviä tuloksiakautta koko PET:nvaihteluvälin ja läpi kesän

11

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 21

Empiiriset menetelmät

• missä Ep=potentiaalinen haihdunta, c=kasvin tyypistä jakehitysvaiheesta riippuva kerroin, p=kuukaudenprosenttiosuus auringonpaistetunneista, Tm=kuukaudenkeskilämpötila

• Blaney ja Cridle (1950)

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 22

Empiiriset menetelmät..

• missä Eps =potentiaalinen haihdunta paljaasta maasta,=psykrometrivakio, =vesihöyrypainekäyrän kaltevuus,

L= höyrystymislämpö, Rn =säteily maan pinnasta,l=lehtialaindeksi=lehtien ala jaettuna maa-alalla

• Ritchie (1972)

12

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 23

Todellinen haihdunta,Monteith+Rijtema

• missä a=ilman tiheys, =psykrometrivakio,=vesihöyrypainekäyrän kaltevuus, rs = pintavastus, ra

=aerodynaaminen vastus (riippuu kasvuston pituudesta jatuulennopeudesta), es – ea =ilman kyllästysvajaus

• pintavastus=kasvuston aiheuttama vastus maasta ilmaanpyrkivälle vedelle– interseptiossa rs=0, peltokasveilla potentiaalisen haihdunnan tilanteessa

rs=40…60 sm-1, havumetsässä = 100-200 sm-1

• aerodynaaminen vastus=vesihöyryn siirtovastus maastailmakehään

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 24

Haihdunnan mittausTuusulanjärvellä 1(3)

13

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 25

Haihdunnan mittausTuusulanjärvellä 2(3)

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 26

Haihdunnan mittausTuusulanjärvellä 3(3)

14

Uppsala

Tämnaren

Råksjö

Råksjö- depth 4.3 m (max 10 m)- surface area 1.5 km2- fetch ~500m

Tämnaren- depth 1.5-2.5 m- surface are 37 km2- fetch at meas. site 1.5-7 km

Norunda

Energy Exchange over two Lakes inNOPEX

M.Heikinheimo, T. Tourula,

A. Venäläinen & A.-J. Elo

Tämnaren, masto

15

Tämnaren, lauttaturbulenssimittaukset

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 30Råksjö

Mittauksetmenossamastoajärvenpoikkivetäen

Toinen lauttakiinteänäreferenssinä

16

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 31Råksjö, lautta

Kiinteälautta

Säteily-,ilmanlämpötila-,kosteus jatuulimittaukset

Comparison of latent heat flux Norunda/Tämnaren/Råksjö• diurnal variation

17

Comparison of sensible heat flux Norunda/Tämnaren/Råksjö• diurnal variation

Late

nthe

atflu

x(W

m)

-2))

0102030405060708090

May Jun Jul Aug SepMonth

-100

102030405060

May Jun Jul Aug SepMonth

Sens

ible

heat

flux

(Wm-

2 )

Tämnaren Råksjön Norunda

Comparison of latent and sensible heat fluxNorunda/Tämnaren/Råksjö• seasonal variation

18

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 35

Haihdunta Suomessa 1931-60

• Suuret arvot järvisilläalueilla

• Suuret arvot lounaassa• Yleisesti ottaen arvot

pienevät Keski-Suomesta pohjoistakohden mentäessä

• Pienimmät arvotKilpisjärven seudulla

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 36

Haihdunta eri leveysasteilla,Holland 1978

Havaittuja jagloobalimallillalaskettujahaihduntoja maallaja merellä erileveysasteilla

Erot johtuvat pinnanlaadusta (maaperä,kasvillisuus…) jatilasta (lämpötila,peitteisyys…) jatuulioloista

19

11/01/2013 WETS150 Hydrologia T.Huttula 37

Vuotuinen haihdunta maapallolla