Die vorliegende Hausarbeit im Bereich „Hydrologische Systemanalyse und Modellierung“
beschäftigt sich mit dem Themenschwerpunkt „Bestimmung der Evapotranspiration:
Charakterisierung von Systemmodellen und ihre Bewertung anhand von vergleichender
Datenauswertung“. In der Landschaftsökologie nimmt der Wasserhaushalt eine zentrale
Stellung ein. Die Quantifizierung der einzelnen Teilkomponenten ist dabei immer noch
schwierig. Ziel dieser Arbeit ist es einen Überblick über die wichtigsten Methoden zur
Erfassung der Evapotranspiration zu geben. Um den Einstieg in die Thematik etwas zu
erleichtern, erfolgt zu Beginn eine Beschreibung der grundlegenden thematischen Begriffe
sowie eine kurze Erläuterung der verschiedenen Anwendungsbereiche hinsichtlich der
Verdunstung. Anschließend werden die einzelnen Bestimmungsverfahren erklärt, bei denen in
Berechnungs- und Messmethoden untergliedert wird. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die
Regionalisierung dar. Diese wird unter Einbezug Geographischer Informationssysteme sowie
der Fernerkundung wiedergegeben. Daran schließt sich eine Beschreibung einiger
Evapotranspirationsmodelle. Den Abschluss bildet ein Zukunftsausblick, der eine mögliche
Entwicklung, hinsichtlich der Erfassung und Modellierung der Evapotranspiration, geben soll. Die Evapotranspiration ist ein physikalischer Vorgang. Das Wasser verändert bei
Temperaturen, die unterhalb des Siedepunktes liegen, den Aggregatzustand. Es geht von
flüssiger oder fester Form in den gasförmigen Zustand über. Die Verdunstung beschreibt
somit die Fähigkeit der Atmosphäre Wasserdampf aufzunehmen (Dyck 1995). Der Vorgang
der Evapotranspiration setzt sich aus den Komponenten der Evaporation sowie der
Transpiration zusammen. Die Evaporation beschreibt die „Verdunstung der unbewachsenen
Erdoberfläche (Bodenverdunstung, Schneeverdunstung, Eisverdunstung), des auf
Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Niederschlags (Interzeptionsverdunstung) und von
freien Wasserflächen (Seeverdunstung)“ (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und
Kulturbau 1996, S. 1). Sie wird als unproduktive Verdunstung bezeichnet, weil keine aktiven
biotischen Prozesse stattfinden (Baumgartner 1990). Unterschiedliche Einflussgrößen, wie
z.B. die Windgeschwindigkeit, das Sättigungsdefizit der Atmosphäre, die zeitliche Verteilung des Niederschlags oder die verschiedenen Vegetationsparameter wirken sich auf die
Evaporation aus (Dyck 1995). [...]
Inhalt
1. Einleitung
2. Begriffsklärung
3. Anwendungsbereiche der Evapotranspiration
4. Bestimmung der Evapotranspiration
4.1 Direkte Messverfahren
4.1.1 Evaporimeter
4.1.2 Lysimeter
4.1.3 Turbulenz- Korrelations- Methode
4.2 Indirekte Messverfahren
4.2.1 Messung der Energiebilanz
4.2.2 Gradientmessungen in der bodennahen Luftschicht
4.3 Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Evapotranspiration
4.3.1 Potentielle Evapotranspiration
4.3.1.1 Wasseroberfläche
4.3.1.1.1 Verfahren nach Dalton
4.3.1.1.2 Energiebilanzverfahren
4.3.1.1.3 Kombinationsverfahren
4.3.1.2 Landoberflächen
4.3.1.2.1 Haude
4.3.1.2.2 Thornthwaite
4.3.1.2.3 Penman
4.3.1.2.4 Weitere Berechnungsverfahren
4.3.2 Tatsächliche Evapotranspiration
4.3.2.1 Die Bowen- Ratio- Methode
4.3.2.2 Verfahren nach Renger und Wessolek
4.3.2.3 Verfahren nach Penman- Monteith
5. Regionalisierung der Evapotranspiration
5.1 Verwendung von Geographischen Geoinformationssysteme (GIS)
5.2 Einsatz der Fernerkundung zur Bestimmung der Evapotranspiration
6. Systemmodelle
6.1 Das Wasserbilanzmodell AKWA
6.2 Das Evapotranspirationsmodell PROMET
6.3 Das Agrarmeteorologische Modell AMBETI
6.4 Datenvergleich verschiedener Modelle
7. Zusammenfassung und Ausblick
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Literatur
1. Einleitung
Die vorliegende Hausarbeit im Bereich „Hydrologische Systemanalyse und Modellierung“ beschäftigt sich mit dem Themenschwerpunkt „Bestimmung der Evapotranspiration: Charakterisierung von Systemmodellen und ihre Bewertung anhand von vergleichender Datenauswertung“. In der Landschaftsökologie nimmt der Wasserhaushalt eine zentrale Stellung ein. Die Quantifizierung der einzelnen Teilkomponenten ist dabei immer noch schwierig. Ziel dieser Arbeit ist es einen Überblick über die wichtigsten Methoden zur Erfassung der Evapotranspiration zu geben. Um den Einstieg in die Thematik etwas zu erleichtern, erfolgt zu Beginn eine Beschreibung der grundlegenden thematischen Begriffe sowie eine kurze Erläuterung der verschiedenen Anwendungsbereiche hinsichtlich der Verdunstung. Anschließend werden die einzelnen Bestimmungsverfahren erklärt, bei denen in Berechnungs- und Messmethoden untergliedert wird. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Regionalisierung dar. Diese wird unter Einbezug Geographischer Informationssysteme sowie der Fernerkundung wiedergegeben. Daran schließt sich eine Beschreibung einiger Evapotranspirationsmodelle. Den Abschluss bildet ein Zukunftsausblick, der eine mögliche Entwicklung, hinsichtlich der Erfassung und Modellierung der Evapotranspiration, geben soll.
2. Begriffsklärung
Die Evapotranspiration ist ein physikalischer Vorgang. Das Wasser verändert bei Temperaturen, die unterhalb des Siedepunktes liegen, den Aggregatzustand. Es geht von flüssiger oder fester Form in den gasförmigen Zustand über. Die Verdunstung beschreibt somit die Fähigkeit der Atmosphäre Wasserdampf aufzunehmen (Dyck 1995). Der Vorgang der Evapotranspiration setzt sich aus den Komponenten der Evaporation sowie der Transpiration zusammen. Die Evaporation beschreibt die „Verdunstung der unbewachsenen Erdoberfläche (Bodenverdunstung, Schneeverdunstung, Eisverdunstung), des auf Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Niederschlags (Interzeptionsverdunstung) und von freien Wasserflächen (Seeverdunstung)“ (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996, S. 1). Sie wird als unproduktive Verdunstung bezeichnet, weil keine aktiven biotischen Prozesse stattfinden (Baumgartner 1990). Unterschiedliche Einflussgrößen, wie z.B. die Windgeschwindigkeit, das Sättigungsdefizit der Atmosphäre, die zeitliche Verteilung des Niederschlags oder die verschiedenen Vegetationsparameter wirken sich auf die Evaporation aus (Dyck 1995). Die Transpiration ist produktiv aufgrund der photosynthetischen Aktivitäten der Pflanzen (Baumgartner 1990). Diese beschreibt die Verdunstung der Vegetation, durch die Abgabe, des Nährstoffe aus dem Boden in die Pflanze transportierenden Wassers, über Spaltöffnungen (Stomata) der Blattunterseite (Wilhelm 1993). Wie in Abbildung 1 zu erkennen, ist die Evapotranspiration demzufolge ein zusammengesetztes System aus verschiedenen Teilströmen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Teilströme der Evapotranspiration (aus: Baumgartner 1990, S. 333)
Bei der Evapotranspiration wird dampfförmiges Wasser in die umgebende Atmosphäre befördert, vorausgesetzt, diese besitzt ein Sättigungsdefizit an Wasserdampf. Die Verdunstungshöhe bestimmt, welcher Niederschlagsanteil für den Abfluss und somit für die weitere Wassernutzung übrig bleibt. Im mitteleuropäischen Klimabereich verdunstet mehr als die Hälfte des Niederschlags, d.h. es wird direkt wieder an die Atmosphäre abgegeben und gelangt somit nicht zum Abfluss. Die Evapotranspiration ist aus diesen Gründen ein wichtiger Bestandteil des Wasser- und des Wärmehaushaltes, da neben dem Wasserdampfübergang auch ein Übergang von Energie verbunden ist. Dies wird in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. In die Wasserhaushaltsgleichung geht die Verdunstung als eine Verlustgröße ein, und auch in der Energiebilanz ist sie, als latenter, d.h. versteckter Verdunstungswärmestrom, mit einem negativen Vorzeichen versehen. Der verdunstenden Oberfläche wird die Wärme entzogen. Eine Ausnahme bildet die Kondensation von Reif oder Tau, bei der der Verdunstungswärmestrom positiv ist. In diesem Fall wird die im Wasserdampf enthaltene Energie an die Atmosphäre und die benetzte Oberfläche abgegeben und somit eine Erwärmung erzeugt (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Schematische Darstellung der Wasserbilanzkomponenten (aus: Schöniger 2002, o.A.)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Richtung der Energiebilanzgrößen an der Erdoberfläche (aus: Schöniger 2002, o.A.)
Die Evapotranspiration ist in potentielle und tatsächliche unterteilbar. „Die potentielle Verdunstung ist als das Wasservolumen definiert, das eine ganz oder teilweise mit Vegetation bedeckte, unter optimaler Wasser- und Nährstoffversorgung stehende Fläche bei ungehindertem Wassernachschub unter den gegebenen meteorologischen, bodenphysikalischen und vegetationsspezifischen pflanzenbaulichen Randbedingungen pro Zeiteinheit maximal an die Atmosphäre abgibt“ (Baumgartner 1990, S. 334). Sie ist die mögliche Verdunstung unter optimalen Bedingungen hinsichtlich der Wasserversorgung und des Vegetationsbestandes. Als die tatsächliche Evapotranspiration wird die Verdunstung bei begrenzt verfügbarem Wasser sowie den vorherrschenden klimatischen Bedingungen bezeichnet. Das Kriterium für diese Einteilung- in potentiell und tatsächlich- ist also die Begrenzung der Wassernachlieferung (Wilhelm 1993). Voraussetzung für den Beginn der Evapotranspiration ist das Vorhandensein von Energie. Diese wird aus der Strahlung oder der Wärme gewonnen (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
3. Anwendungsbereiche der Evapotranspiration
Die Bestimmung der Evapotranspiration ist für viele Bereiche von großer Bedeutung, wenn auch in unterschiedlichem räumlichem und zeitlichem Auflösungsvermögen. Die Daten der Verdunstung werden in der Wasserwirtschaft für Bewässerungsanlagen, für den Bau von Speicherbecken und Kanälen, für die Berechnung der Grundwasserneubildung und des nutzbaren Wasserangebots benötigt. Des weiteren auch bei der Sanierung von eutrophierten Seen, bei Gletscherstudien, bei der Renaturierung von Feuchtbiotopen sowie der Trockenlegung von Nassgebieten. Weiterhin in der Meteorologie für die Erstellung von Klimamodellen, z.B. zur Abschätzung der Wirkung des Treibhauseffektes, sowie in den numerischen Modellen zur Wettervorhersage. Auch bei der Erfassung der Bodenversalzung spielt die Verdunstung eine wichtige Rolle. Von großem Interesse ist die Ermittlung der Evapotranspiration ebenfalls in der Agronomie und der Forstwirtschaft. Dort vor allem für die Erstellung von Wachstums- sowie Ertragsmodellen. Auch das Verkehrswesen und die Bauwirtschaft benötigen derartige Werte für Bodenwasserhaushaltsberechnungen, z.B. für die Befahrbarkeit von Wegen und Strassen und für den Bau von Erddämmen. Auch bei wissenschaftlichen Untersuchungen, wie z.B. bei Studien über Pflanzenphysiologie oder Nährstoffbilanzen ist die Verdunstung ein wichtiger Faktor (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Die Berechnung der Evapotranspiration stellt somit eine wesentliche Aufgabe dar. Auf diese wird im weiteren Verlauf der Hausarbeit eingegangen. Beginnend bei grundlegenden einfachen Meßmethoden für größtenteils punktuelle Standorte bis zur Regionalisierung, bei der Geographische Informationssysteme und Fernerkundungstechniken zum Einsatz kommen.
4. Bestimmung der Evapotranspiration
Die Ermittlung der Evapotranspiration ist ein sehr aufwendiger Prozess, da die verschiedenen Umweltmedien (Boden, Vegetation, Atmosphäre) über die Verdunstung gekoppelt sind. Sie wird aus unterschiedlichen Bezugsgrößen ermittelt, weil sie sich einer unmittelbaren Bestimmung entzieht. In einem komplexen System, welches aus dem Boden, der Vegetation und der Atmosphäre besteht, ist die Evapotranspiration von allen Teilgliedern abhängig. Aus diesem Grund muss ihre Ermittlung, bezüglich einer getrennten Anwendung in hydrologischer, bodenphysikalischer, pflanzenphysiologischer, mikrometeorologischer und klimatologischer Verfahren, kritisch betrachtet werden, da nur eine zusammenhängende Untersuchung aller Teilbereiche eine zufriedenstellende Erfassung der Evapotranspiration erkennen lässt (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Die Verdunstung ist ein zeitlich und räumlich sehr variabler Prozess. Ihre flächenhafte Darstellung ist ein großes Problem. Die meteorologischen Werte, die für einen Standort vorliegen, können zeitlich und räumlich nicht interpoliert werden, da der Prozess der Verdunstung nicht linear von Pflanzen-, Boden- sowie Atmosphärenparametern abhängt. Deswegen müssen die Daten flächenhaft zur Verfügung stehen. Die Fernerkundung ermöglicht solche Aufnahmen (Schädlich 1998). Eine genauere Beschreibung dieser Methodik erfolgt in Abschnitt 5.2.
Im folgenden wird eine Übersicht über unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Verdunstung gegeben. Hierbei werden auch ältere, sehr einfache Methoden erwähnt, da diese die Grundlage in komplexen Evapotranspirationsmodellen bilden. Unter methodischen Aspekten werden diese in direkte und indirekte Messverfahren sowie Berechnungsansätze unterteilt. Zur Datengewinnung stehen gegenwärtig des weiteren Geographische Informationssysteme und die Fernerkundung zur Verfügung (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.1 Direkte Messverfahren
Alle Messverfahren, die dieser Kategorie zugeordnet werden, liefern lediglich relative Werte. Keines gibt die wirkliche Gebietsverdunstung wieder. Grundlage dieser Methoden ist die Wasserhaushaltsgleichung. Über direkte Messungen der einzelnen Teilglieder wird die Verdunstung als Restgröße errechnet. Vorraussetzung ist, dass diese hinreichend genau erfasst werden. Geräte zur direkten Bestimmung der Verdunstung sind die Lysimeter und die Evaporimeter. Des weitern existiert die Turbulenz- Korrelations- Methode, die ebenfalls den Messverfahren zugeordnet wird (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.1.1 Evaporimeter
Die Evaporimeter liefern keine genauen Werte für die potentielle oder die tatsächliche Verdunstung. Aus diesem Grund müssen, für die vorherrschenden Bedingungen, hinsichtlich des Standortes sowie des Klimas, zusätzliche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden. Mit Evaporimetern werden z.B. Daten zur Steuerung von Bewässerungsanlagen oder zur Verdunstung von Talsperren gewonnen. Verdunstungsgefäße sind dabei offene, mit Wasser gefüllte Behälter. Durch verschiedene Methoden der Messung, wie der Veränderung der Wasserspiegelhöhe im Gefäß, des Gewichtsverlustes oder der notwendigen Nachfüllmenge bis zum Ausgangswasserstand, wird die Verdunstung aufgrund des Wasserverlustes bestimmt. Unterschiedliche Aufstellungsarten und –orte, wie im Boden eingebettet, frei auf der Geländeoberfläche stehend, auf einem Floß, möglichst weit vom Ufer entfernt, montiert oder in einer Wetterhütte stehend, ermöglichen die Bestimmung von Verdunstungswerten von freien Wasser- und Landoberflächen. So gewonnene Daten dienen z.B. als Richtwerte für die Verdunstung geplanter Staubecken oder für empirische Berechnungsansätze der Seeverdunstung abhängig jeweils von ausgewählten Klimaelementen (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Atmometer, die regelmäßige Beobachtungswerte durch meist tägliche Ablesung liefern, sowie Atmographen, die eine kontinuierliche Registrierung der Werte vorweisen, simulieren anhand von Fließ- bzw. Filterpapier sowie porösen keramischen Körpern die Boden- oder Pflanzenoberfläche an der die Verdunstung stattfindet. Zu derartigen Geräten zählen z.B. das Piche- Atmometer, der Wasserbilanzschreiber nach Klausing und der Evaporigraph nach Czeratzki und von Hoyningen- Huene (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.1.2 Lysimeter
Ein Lysimeter ist ein Gerät zur Bestimmung des Bodenwasserhaushaltes, bei dem die Komponenten Niederschlag, Versickerung, Speicherung und Verdunstung bestimmt werden. Voraussetzung ist dabei, dass die Bodenart und die Vegetationsverhältnisse bekannt sind. Das Lysimeter ist ein abgegrenztes System bestehend aus wasserundurchlässigen Seiten- und Bodenbegrenzungen sowie einem eingefüllten Bodenkörper im Inneren des Gerätes (Abb. 4). Das Sickerwasser wird am Boden des Behälters abgelassen und gemessen. Bei gleichzeitiger Niederschlagsmessung kann dann eine Wasserbilanz des eingebauten Bodenkörpers ermittelt und somit die Verdunstung seiner Oberfläche bestimmt werden. Die Lysimeter sind in wägbare und nicht wägbare unterteilbar. Bei wägbaren Lysimetern ist die tatsächliche Verdunstung ETa (in mm) über die folgende Gleichung ermittelbar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Über einen bestimmten Zeitabschnitt (Dt) wird bei derartigen Geräten der Bodenkörper in regelmäßigen Abständen gewogen und somit die Wasservorratsänderung (DW) erfasst. Des weiteren wird die Versickerung (SW) aus dem Bodenkörper sowie der Niederschlag gemessen. Dies erfolgt im Bodenniveau, weil Messungen des Niederschlags in 1 m Höhe Werte liefern, die um 10 bis 15 % zu niedrig liegen. Ursache dafür sind der Windeinfluss, die Verdunstung aus der Sammelkanne und die Benetzung der Auffangfläche. Von Nachteil für die Erfassung der Verdunstung ist das Vorhandensein von Schneeniederschlag. Durch Schneeumlagerungen auf den Lysimetergefäßen und Schneetreiben treten Fehler in der Verdunstungsbestimmung auf. Die Lysimeter sind für die Erfassung der tatsächlichen Evapotranspiration am Standort sehr gut geeignet, nicht aber für größere Flächen, da sie landschaftsökologische Aspekte, wie z.B. die Neigung der Bodenoberfläche oder die Morphologie der Umgebung nicht berücksichtigen. Der Unterschied zu den nicht wägbaren Lysimetern besteht darin, dass bei diesen die tatsächliche Verdunstung ohne die Wasservorratsveränderung bestimmt wird. Solche Geräte werden zur Ermittlung langjähriger Mittelwerte aus der Differenz von Niederschlag und Versickerung bestimmt. Um Fehlerquellen zu vermeiden wird versucht, die Lysimeter so anzulegen, dass die natürliche Bodenlagerung, die für die Wasserbewegung wichtig ist, nicht oder nur möglichst gering gestört wird. Dies könnte z. B. durch das Eindrücken der Seitenwand in den natürlichen Boden oder durch Abdichten der Seitenstörungen passieren. (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Schema eines wägbaren registrierenden Lysimeters (aus: Schöniger 2002, o.A.)
4.1.3 Turbulenz- Korrelations- Methode
Die Turbulenz- Korrelations- Methode ist das einzige direkte mikrometrische Verfahren. Es beschreibt die Berechnung der Wasserdampfstromdichte (E), d.h. der Verdunstungsintensität nach folgender Gleichung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Hierbei sind gleichzeitige Messungen der spezifischen Feuchte der Luft (q) sowie der vertikalen Windgeschwindigkeit (w) in einer Messhöhe, mittels spezieller Messfühler (Anemometer, Hygrometer), erforderlich. Aus der momentanen Abweichung ihrer jeweiligen zeitlichen Mittel wird die Intensität der Verdunstung durch Mittelbildung über etwa 30 Minuten errechnet. Ergebnisse sind Daten, die sich innerhalb der Punktskala bewegen. Um für größere Gebiete hinreichende Aussagen zur Evapotranspiration treffen zu können, sind zusätzliche Messungen bezüglich des Bodens und der Vegetation notwendig. Von Nachteil sind die hohen Anforderungen an die Messwertverarbeitung und die Aufnahmeinstrumente. Aus diesem Grund findet dieses Verfahren Anwendung bei der Parametrisierung einfacher Methoden und bei der Analyse des Verdunstungsprozesses (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.2 Indirekte Messverfahren
Die indirekten Methoden zur Messung der Evapotranspiration liefern ebenfalls nur Werte, die für einen Standort gültig sind. Zudem sind diese sehr aufwendig. Grundlage bilden die direkt gemessenen meteorologischen Größen, was eine hohe Messgenauigkeit und hohe Investitionen erfordert, sowie der Verdunstungswärmestrom in der bodennahen Luftschicht. Unterteilt werden diese in Messungen zur Erfassung der Gradienten sowie der Energiebilanzgrößen (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.2.1 Messung der Energiebilanzgrößen
Bei der Ermittlung der Energiebilanz wird die Verdunstung, d.h. der latente Wärmestrom, als Restglied aus der Wärmehaushaltsbilanz ermittelt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Von Nachteil hierbei ist, dass eine Vielzahl von Größen, die ebenfalls Einfluss auf die Energiebilanz haben, nicht berücksichtigt werden. Bei Landoberflächen sind dies die Speicherung der Wärme innerhalb der Biomasse des Pflanzenbestandes, die chemischen Prozesse in der Pflanzendecke und die lateral eingehenden advektiven Wärmeströme. Bei der Bestimmung der Energiebilanz über Wasserflächen werden die biochemischen Reaktionen, der Zerfall radioaktiver Stoffe, der Wärmeaustausch am Gewässerboden, die Einflüsse anders temperierten Wassers sowie der Umsatz von Wärme durch unterirdischen Zu- und Abfluss vernachlässigt. Die Strahlungsbilanz (Rn) kann als Differenz aus anderen Strahlungsgrößen ermittelt werden. Des weiteren wird sie aber auch direkt gemessen. Dies erfolgt mit Strahlungsmessern, die in einer Höhe von 1,5 m – 2,0 m aufgestellt sind. Probleme existieren dabei bei Bestimmungen der Strahlungsbilanz über Wasserflächen, da es in diesem Fall schwierig ist einen geeigneten Messplatz bzw. Träger des Messgerätes zu finden. Zur Messung des Bodenwärmestromes kommen sogenannte Wärmestromplatten zum Einsatz. Diese werden unterhalb einer geschlossenen Pflanzendecke eingebaut. Kann dies nicht erfolgen, wird der Wärmestrom im Boden über dessen Temperatur erfasst. Die Gleichung dafür ist:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Bestimmung der Speicherung der Wärme innerhalb eines Wasserkörpers erfolgt über die vertikale Verteilung der Temperatur. Dabei wird der Wasserkörper in n Volumenschichten unterteilt. Die Temperatur wird in der Mitte der jeweiligen Schicht gemessen. Der Wärmeinhalt QW wird dann über Aufsummierung der einzelnen Schichten berechnet. Dabei gilt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Unter Einbezug der Turbulenz- Korrelations- Methode kann der fühlbare Wärmestrom ermittelt werden. Die Basis bilden hierbei Messungen der Temperatur- und Windkomponenten (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.2.2 Gradientmessungen in der bodennahen Luftschicht
Der turbulente Transport der Verdunstung ist der bedeutendste Austauschprozess innerhalb der bodennahen Luftschicht. Bei Veränderungen der Temperatur, der Feuchte, des Staubgehaltes oder anderer Lufteigenschaften entsteht ein Strom des jeweiligen Parameters, der von der höheren zur niedrigeren Konzentration gerichtet ist. Aufgabe dieses Flusses ist es, den Konzentrationsunterschied auszugleichen. Als Maß für die Höhe der Verdunstung gilt der vertikale turbulente Wasserdampftransport. Er kann wie folgt erfasst werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Voraussetzung für die Beschreibung der Wärme, des Impulses und der Wasserdampfstromdichte, nach obenstehenden Gleichungen, ist ein ausreichend großes Gebiet mit ebenem, homogenen Untergrund. Die jeweiligen turbulenten Diffusionskoeffizienten (K) sind dabei von der Windgeschwindigkeit, der Bodenrauhigkeit, der Stabilität der atmosphärischen Schichtung sowie von der Höhe über dem Grund abhängig (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.3 Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Evapotranspiration
Die Basis der Berechnungsverfahren bilden empirische Formeln, die auf meteorologischen Größen, wie z.B. der Luftfeuchte, der Sonnenscheindauer oder der Lufttemperatur beruhen. Ihre Spannweite reicht bis zu komplexen Verknüpfungen von Gliedern der Aerodynamik, der Energiebilanz und der Pflanzenphysiologie. Die Gültigkeit solcher Berechnungen ist in manchen Fällen auf bestimmte Klima-, Vegetations- und Bodenverhältnisse beschränkt. Die Wahl der jeweiligen Formel hängt von der Art der verdunstenden Fläche ab, sowie der Frage nach potentieller oder tatsächlicher Verdunstung (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).
4.3.1 Potentielle Evapotranspiration
Wie bereits in Kapitel 2 erklärt, beschreibt die potentielle Evapotranspiration die maximal mögliche Verdunstung bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Bei deren Berechnung mittels empirischen Formeln wird in Wasser- und Landoberflächen unterschieden.
4.3.1.1 Wasseroberflächen
Die Berechnung der Evapotranspiration über Wasseroberflächen unterscheidet sich etwas zu der über Landoberflächen. Es existieren verschiedene Methoden, die die Verdunstung auf unterschiedlichen Wegen erfassen. Die wichtigsten sind nachstehend aufgeführt.
4.3.1.1.1 Verfahren nach Dalton
Eines der Verfahren zur Berechnung der Verdunstung über freien Wasserflächen ist das Aerodynamische Verfahren nach Dalton. Dies ist eine empirisch- statistische Methode, bei der die Windgeschwindigkeit, der Vertikalgradient der spezifischen Luftfeuchte sowie die Temperatur der Wasseroberfläche erfasst werden. Sie hat die Form:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Verdunstung von der Wasserfläche ergibt sich dabei aus dem Produkt des vertikalen Dampfdruckgradienten und des Transportkoeffizienten für Wasserdampf. Die Windgeschwindigkeit (v) wird 2 m über der Oberfläche gemessen. Die Funktion der Windgeschwindigkeit f(v) setzt sich aus den 3 Parametern a, b und c zusammen, welche durch klimatische und physiographische Faktoren beeinflusst werden. Die Funktion lautet:
Tabelle 1: Auswahl einiger Koeffizienten der Windfunktion f(v) von verschiedenen Autoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1 zeigt eine Auswahl der Koeffizienten a, b und c, die für die Erfassung der Windgeschwindigkeitsfunktion notwendig sind. Der Austausch innerhalb der Atmosphäre, der durch dessen Schichtung beeinflusst wird, findet keine Beachtung. Aus diesem Grund wird die Gleichung hauptsächlich für die Berechnung von Tageswerten eingesetzt. Mit einem tragbaren Aufwand ist dieses Verfahren über einheitliche Flächen ausführbar. Angewendet wird diese Methode vor allem im wissenschaftlichen Bereich oder bei der Überprüfung bereits ermittelter Verdunstungswerte aus anderen Verfahren. Im folgenden ist ein Beispiel angeführt, welches die Berechnung der Verdunstung nach Dalton veranschaulichen soll. Gegeben ist die Windgeschwindigkeit (v) mit 2 m/s, die Wasseroberflächentemperatur (Tw0) mit 20 °C und der Dampfdruck der Luft (e) mit 15 hPa. Die Koeffizienten der Windgeschwindigkeitsfunktion werden aus Tabelle 1 entnommen. Für dieses Beispiel sollen die Werte der WMO- Richtlinie gelten. Als erstes wird der Sättigungsdampfdruck es(Tw0), bei der vorgegebenen Wasseroberflächentemperatur, berechnet werden. Dies geschieht nach der Magnus- Formel:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[...]
- Citation du texte
- Susann Kupke (Auteur), 2002, Bestimmung der Evapotranspiration: Charakterisierung von Systemmodellen und ihre Bewertung anhand von vergleichender Datenauswertung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/18142
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