Den första som gjorde ett försök att beskriva avdunstning var den brittiska vetenskapsmannen John Dalton som under slutet av 1700-talet och tidigt1800-tal gjorde flertalet försök med med vattenhållare under olika temperatur och vindhastighetsförhålande. Sedan dess har otaliga metoder för skattning eller mätning av avdunstning utvecklats.
Avdunstning och dess komponenter är inte lätt att mäta. Trots att det har gått 200 år sedan Daltons mätte avdunstningen utanför Manchester är det fortfarande svårt att hitta en enkel metod som kan ge en någorlunda bra rumslig och temporär mätning av avdunstning.
Under de senaste 20-30 åren har dock flera nya metoder dykt upp som mäter avdunstningen i milslånga sträckor. Dessutom har den stora utvecklingen i satellit- och drönarteknik öppnat nya vägar för observation och modellering i stor skala.
Det finns många metoder för mätning av avdunstning, en del har funnits sedan 100 år tillbaka som atmometer, avdunstningspanna och lysimeter medan andra nya metoder har tillkommit de senaste 30 åren som Eddy Covariance (EC), LAS, SLS och SR.
Nedan beskrivs kort olika metoder med en fokus på de mest relevanta för oss i Sverige.
En atmometer består av en porös keramikplatta som är ansluten till en vattenbehållare. Mängden vatten som avdunstar är lika med minskningen av vattenvolymen i behållaren.
Atmometer används mest av lantbrukare och i bevattningssyfte. Den kräver speciella membran som täcker keramikplattan för olika grödor.
Fördelar
- Låg kostnad
- Lätt att installera och använda
Nackdelar
- Den beskriver bara den typ av mark som undersöks och kan bara användas i liten skala. Det vill säga inte för andra markanvändningstyper.
- WMO rekommenderar inte användning av atmometer för sjöar och vattenytor.
- Man behöver en empirisk koefficient för att skatta avdunstningen från en större area.
- Den mäter inte vad den verkliga avdunstningen är utan beskriver den relativa och potentiella avdunstningen. ”Relativ” eftersom växtytans beskaffenhet inte är detsamma som ytan på en keramisk platta och ”potentiell” eftersom keramik plattan, till skillnad från växterna, har obegränsad tillgång till vatten.
Avdunstningspanna (evaporation pan) finns i olika former och storlekar där de vanligaste är den amerikanska Class A pan, den ryska GGI 3000 och den ryska 20 m2 tank.
Class A pan är cylinderformad med en diameter på 121 cm och 25 cm hög. Den placeras på markytan. Pannan fylls med vatten till 5 cm under kanten. Vattenståndet mäts med hjälp av en mikrometer som är fäst vid pannans kant varje dag. Efter korrigering för eventuell nederbörd under perioden beräknas mängden vatten som har avdunstat.
Den ryska GGI 3000 är en cylindrisk panna med tvärsnittsarean 3000 kvadratcentimeter. Pannan som är 60 cm djupt grävs ner i marken och fylls med vatten till markytans nivå. Vattenståndet mäts på samma sätt som för Class A pan med en mikrometer fäst vid pannans kant.
Pannorna bör placeras på platser som är ganska plana och fria från hinder såsom träd och buskar. Det finns flera automatiska avdunstningspannor i vilka vattennivån hålls konstant genom att vatten fylls på i pannan från en lagringsbehållare eller justeras vid nederbörd.
Fördelar
- Relativ låg kostnad
- Lätt att installera och använda
- Det har funnits och använts längst av alla avdunstningsinstrument.
- Det finns många tillverkare och man kan även bygga den själv.
Nackdelar
- Kan bara användas under frostfria perioder.
- Avdunstning från en avdunstningspanna representerar den potentiella avdunstningen och inte den verkliga.
- Den bör vara skyddad så att djur och fåglar inte kommer åt den.
- En stor nackdel är att en panna sällan motsvarar det naturliga landskapet. Även om det ska gälla en sjö är det stor skillnad i area, djup och volym mellan en sjö och ett vattenkärl. Avdunstningen från en sjö är normalt mindre än avdunstning från en panna eftersom en panna får mer strålningsenergi dels via pannans sidor och dels en jämnare penetrering av ljus i pannan jämförd med en sjö (ljuspenetrering minskar med djup i sjöar). Man blir därför beroende av empiriska koefficienter för att skatta avdunstning från en större area.
- De modeller som grävs ner i marken har nackdelen att de lättare samlar skräp samt att det är svårare att hitta eventuella läckage jämförd med pannor som placeras ovan marken.
- I grävda modeller sker värmeutbyte mellan pannorna och den omgivande marken vilket påverkar avdunstningen samtidigt som avdunstningspannor som placeras på markytan har nackdelen att de överskattar avdunstningen under sommaren men underskattar under hösten. Detta beror på att pannans sidor blir värmda under sommaren och kyls ner under hösten.
Genom att mäta de andra komponenter i Vattenbalansen beräknar man avdunstningen. Noggrannheten beror därför mycket på hur väl mätningarna av nederbörd, inflöde, utflöde och ändring av lagringen (som snö, mark-, grund- och ytvatten) i området görs. Denna metod passar inte om man vill mäta avdunstning från ett stort avrinningsområde och under korta tidsperioder, såsom veckor eller månader, på grund av svårigheten i att mäta komponenterna.
Fördelar
- Lätt att samla data
Nackdelar
- Låg noggrannhet
- Mycket låg tidsupplösning
Lysimetrar är en typ av mätkärl ofta utformad som en cylinder med väl avgränsad volym och fylld med jord. Arean på en lysimeter kan variera mellan 0,05 till 100 kvadratmeter och deras djup från 0,1 till 5 m. Vattenomsättningen beräknas genom mätning av perkolation och ändring av markvattenhalt.
Lysimetrar delas i 2 grupper; lysimetrar utan våg och lysimetrar med våg.
Lysimetrar utan våg används endast för långa tidsintervaller (låg tidsupplösning). De med större ytor kan används för studier av avdunstning av träd och buskar med djupa rötter. Dessa lysimetrar har låga kostnader för installering och underhåll.
Lysimetrar med våg används för att detaljstudera avdunstningen. Med dem kan man beräkna avdunstningen för korta tidsintervall. Lysimetrar med våg är dyrare än de icke vägbara, med undantag för de enkla mikrolysimetrar som används för markavdunstning.
Fördelar
- En lysimeter visar verklig avdunstning.
- Bra för studie av vattenupptag hos enstaka träd.
- Bra för jämförelse av barmarkavdunstning för olika jordarter.
- Bra för studie av vattenupptag hos olika arter av grödor och växter över ett homogent fält.
- Dessa fördelar förutsätter att man har bra design samt en regelbunden övervakning och underhåll.
Nackdelar
- Instrumentet är bundet till platsen
- Hög kostnad, speciell lysimetrar med våg
- Termisk isolering från omgivning och underliggande jordlager
- Avbrott i kontinuitet av den naturliga växligheten
- Vertikalt läckage av vatten längs lysimetersväggar
Många av nackdelarna kan förebyggas och elimineras av bra design och regelbunden övervakning och underhåll.
Många metoder baseras på, eller använder energibalansen. Energibalansen grundar sig på termodynamikens första huvudsats som säger att energi bara kan omvandlas, inte skapas eller förgöras. Konsekvensen blir att summan av alla energiflöden till och från underlagets yta (marken, sjön, vegetation) måste bli noll.
Den nettostrålning som absorberas av underlaget ska fördelas på sensibelt värmeflöde, latent värmeflöde och ledning ned i underlaget. Latent värmeflöde är energin som gör att vattnet avdunstar. Denna energi ger ingen ökning i temperatur. Sensibelt värmeflöde är den energi som värmer upp luften intill underlaget. På svenska kallas det ibland förnimbart värmeflöde eftersom man kan känna det med huden.
Energibalansekvationen i förkortad version blir:
Rn=LE+H+G
Rn är nettostrålning (skillnaden mellan nedåt- och uppåtriktat strålningsflöde)
LE är latent värmeflöde
H är sensibelt värmeflöde
G är energiflödet som lagras som värme i underlaget
Nedan beskrivs de vanligaste energibalansmetoderna:
Bowen Ratio
Bowen ratio (β) definieras som kvoten mellan sensibelt och latent värmeflöde:
β=H/LE
β beräknas från den vertikala gradienten av lufttemperatur och luftfuktighet (man mäter hur temperaturen respektive fuktigheten avtar med höjden över marken). Genom användning av β i energibalansekvationen elimineras sensibelt värmeflöde H:
LE=(Rn-G)/(1+β)
Metoden kräver mätning av Rn, G, lufttemperatur och luftfuktighet i två höjder ovan underlaget för beräkning av avdunstning. Tillförlitligheten av denna metod är beroende av tillförlitligheten av mätningen av temperatur- och ångtryckgradienten.
Bowen ratio metoden används för de flesta landskap men mest för beräkning av avdunstning från åkrar och grundvegetation. Metoden har också använts för sjöar och myrmark men rekommenderas inte för höga trädbestånd.
När det gäller sjöar behöver man mäta vattentemperaturprofilen i flera punkter för att skatta värmen som lagras i vatten. Metoden rekommenderas inte för kortare tidsintervaller än veckor eller månad eftersom avdunstning i sjöar huvudsakligen styrs av vindhastighet, atmosfärisk stabilitet och energi från lagrad värme i vatten.
Fördelar
- Relativt låg kostnad
- Kontinuerlig mätning
- Hög tidsupplösning
- Mäter verklig avdunstning
- Väletablerad metod
Nackdelar
- Kräver kalibrering och framtagning av en viktfaktor för platsen
- Likt andra energibalansmetoder krävs det också mätning av nettostrålning och energiflödet till/från underlaget.
- Ganska svårt att installera, stort behov av underhåll
- Kräver homogent landskap
- Fel i samband med låga gradienter
Eddy- Covariance (EC)
Med EC metoden beräknar man avdunstning genom mätning av gasutbytet vid gränsskiktet mellan atmosfären och landskapet. EC system används flitigt för mätning av växthusgaser (som CO2 ,CH4, vattenånga) och anges ha pålitligt resultat.
Fördelar
- Kontinuerlig mätning
- Hög tidsupplösning
- Mäter verklig avdunstning
- Passar olika markanvändningar
Nackdelar
- Hög inköpskostnad
- Kräver homogena landskap
Scintillometer
Mellan 60 och 80-talet gjordes reella framsteg i förståelsen av vågors fortplantning i en turbulent medium. De flesta rapporter publicerades dock i optiska tidskrifter och Scintillometri fick liten eller ingen uppmärksamhet hos meteorologer då.
Med en scintillometer mäter man genomsnittlig sensibelt värmeflöde i en sträcka med en sändare och en mottagare i varje ände av en optisk stråle. Den mäter fluktuering i intensiteten hos synlig eller infraröd strålning för att fastställa den atmosfäriska turbulensens struktur.
Till skillnad från de flesta mätmetoder, mäter Scintillometri-system avdunstning för en lång sträcka i ett landskap.
Det finns flera modeller av Scintillometer:
A) Surface Layer Scintillometer, SLS, används för sträckor mellan 50 och 250 m.
B) Large Apeture Scintillometer, LAS, används för sträckor mellan 0,25 och 5 km.
C) Extra Large Aperture Scintillometer, XLAS, används för sträckor mellan 1 till 10 km.
D) Boundary Layer Scintillometer, BLS som används för längre sträckor; BLS450 (singel-disk) och BLS900 (dubbel-disk) för sträckor 0,1 till 6 km, BLS2000 (dubbel-disk) för sträckor 0,5 till 12 km. Dubbel-disk modeller ger bättre datakvalitet i långa mätsträckor.
E) Kombinerad optisk/mikrovåg Scintillometer (OMS). Man kombinerar LAS med mikrovåg-scintillometer (MWS) och mäter direkt sensibelt- och latent värmeflöde. Används för sträckor mellan 0,5 till 10 km.
SLS använder laser medan LAS, XLAS och BLS använder nära-infraröd strålning. Modellerna i A, B, C, D mäter bara sensibelt värmeflöde. Det behövs därför samtidigt mätning av nettostrålning och G (energiflödet som lagras som värme i underlaget) för att beräkna avdunstning med hjälp av energibalansekvationen. Modellen OMS (E) mäter dock både sensibelt och latent värmeflöde och är oberoende av energiekvationen.
Energiflödet som lagras som värme i marken (G) mäts med så kallade värmeflödesplattor men det är mer komplicerat i sjöar och vatten. För sjöar beräkna man G med hjälp av vattentemperaturen i olika djup och data om sjösarea vid olika djup.
Scintillometery passar speciellt för heterogena avrinningsområde och troligen är det enda metod som kan användas för storskalig heterogent avrinningsområde.
Fördelar
- Mäter genomsnittavdunstning för fält och avrinningsområde
- Kontinuerlig mätning
- Hög tidsupplösning
- Mäter verklig avdunstning
- Scintillometry arbetar i en skala jämförbar med satellitdata och kan därför användas i realtid i kombination med fjärranalysdata för beräkning av avdunstning i stor skala.
Nackdelar
- Hög inköpskostnad.
- Vid kraftigt regn försvagas scintillometers signaler och gör att mätdata blir otillförlitlig.
- Risk för lågspänningssignaler under starka turbulenta förhållanden. Det gäller mest SLS.
Surface Renewal (SR) metoden
Metoden baseras på idén att ett luftpaket nära underlaget (trädkronan, markytan, vattenytan osv…) har utbyte av värmeenergi med ett luftpaket ovan. Den skattar det turbulenta utbytet av sensibla värmeflödet mellan underlaget och atmosfären.
Ursprunget till metoden går tillbaka till 30-talet när kemister ville testa värmetransport mellan gas och vätska men det var först på 90-talet som metoden började användas i mikrometeorologi.
Sensibelt värmeflöde skattas genom mätning av lufttemperaturen flera gånger per sekund (2 till 10 Hz, vanligen 8 Hz) i en punkt över underlaget med fina, små termoelement (fine-wire thermocouple). Avdunstningen räknas fram från energibalansekvationen. Således behöver man också mäta nettostrålning och G, dvs energiflödet som lagras som värme i underlaget.
Metoden är attraktiv eftersom den egentligen bara kräver mätning av temperatur vilket gör den billig. SR-metoden kräver dock en viktfaktor. Viktfaktorn fastställs för markanvändning, vegetationstyp, storlek på termoelement och mäthöjden.
Fördelar
- Låg kostnad
- Låg energikonsumtion (el)
- Kontinuerlig mätning
- Hög tidsupplösning
- Mäter verklig avdunstning
- Lätt att underhålla
- Lätt att upprepa och ha mätningar i flera punkter
Nackdelar
- Behöver kalibrering och framtagning av en viktfaktor för platsen
- Är höjdberoende
- Kräver homogena landskap
- Ömtåliga givare som lätt kan gå sönder men man överkommer detta med att ha flera givare i samma mätområde
- Passar inte skrovliga ytor
Den aerodynamiska metoden för beräkning av avdunstning, betraktar transporten av vattenånga som en funktion av ångtrycksunderskott, vindhastighet och en massöverföringskoefficient.
Massöverföringskoefficienten är en funktion av atmosfärisk stabilitet, vind och underlagets skrovlighet. Man behöver mäta bara vindhastighet och ångtrycket. Metoden används sällan och då man har använt metoden har det varit för skattning av års- säsong- eller månadsavdunstning.
Fördelar
- Få parametrar behöver mätas
- Enkla och billiga instrument som inte kräver mycket underhåll
Nackdelar
- Metoden ger osäkra resultat
- Låg tidsupplösning
- Mäter inte verklig avdunstning bara potentiella
- Det är svårt att skatta massöverföringskoefficient och rekommenderas därför inte av WMO
Det finns många sätt att beräkna avdunstning med hjälp av meteorologiska standardparameterar. Den mest kända är Penman-Monteith som rekommenderas av FAO som standardmetod.
De meteorologiska parametrar som behövs är nettotrålning, lufttemperatur, ångtryck och vindhastighet, vanligtvis mätt på 2 meters höjd över underlaget. Om man saknar nettostrålningsdata går det att skatta det med hjälp av molnighet.
Metoden kombinerar energiekvationen med aerodynamiska ekvationen för avdunstning. Penman-Monteith introducerade resistansbegreppet i den kombinerade ekvationen; ytresistans och aerodynamiskresistans. Den förra beskriver motståndet mot flödet av vattenånga som finns i systemet (växtens bladyteindex och reglering av stomataöppning) och den senare beskriver bromsande effekten av ytans skrovlighetsparametrar (nollplanshöjden och skrovlighetslängden) på transport av värme och vattenånga. Resistansparametrarna är i sin tur beroende av andra empiriska faktorer beroende på underlaget. Det går att hitta värden på faktorerna i litteraturen. När det gäller avdunstning från intercepterad vatten antas det att ytresistansen vara noll.
Resultat av beräkningen är bara potentiell avdunstning och inte verklig avdunstning. Den verkliga avdunstningen styrs utöver den potentiella avdunstningen av bland annat vattentillgången hos underlaget.
Det har rapporterats att Penman-Monteith metoden överskattar avdunstningen för skogbestånd jämfört med energibalans- och vattenbalansmetoder.
Fördelar
- Enkla, billiga och beprövade instrument används, som inte kräver mycket underhåll
- Metoden används flitigt i hydrologisk modellering
- Hög tidsupplösning, beroende på indata kan man beräkna avdunstningen timvis eller för 20 min intervall.
Nackdelar
- Beräknad avdunstning är den potentiella avdunstningen och inte den verkliga.
- Många empiriska parametrar i beräkningen orsakar osäkerhet i resultatet