6.2. 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.