Verdunstung
Potentielle Evapotranspiration Spezielle Verdunstungsbetrachtungen Aktuelle Evapotranspiration Evaporation, BodenFormeln zur Ermittlung der potentiellen Evapotranspiration für die
Verfahren nach BLANEY-CRIDDLE (1950)
Verfahren nach HAUDE (1954)
Verfahren nach HAMON (1961)
Verfahren nach LINACRE (1977)
Verfahren nach OUDIN (OUDIN et al. 2005)
Verfahren nach ROMANENKO (1961)
Verfahren nach PENMAN (1956)
Verfahren nach MAKKINK (1957)
Verfahren nach PENMAN-MONTHEITH (MONTHEITH 1965)
Verfahren nach THORNTHWAITE (1948)
Verfahren nach TURC (1961)
Verfahren nach TURC-IVANOV (WENDLING & MÜLLER 1984)
Verfahren nach TURC-WENDLING (WENDLING ET AL. 1991)
Spezielle Verdunstungsbetrachtungen
aktuelle Evapotranspiration
Ansatz von BELMANS ET AL. (1983)
Ansatz von BLACK ET AL. (1969)
Ansatz von RITCHIE (1972)
Abb. 5: Komponenten des Wasserhaushalts von Wäldern (ZIMMERMANN et al. 2008). Zum Vergrößern Bild anklicken
Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang von Flüssigkeiten in die Gasform bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Die Verdunstung von der unbewachsenen, mehr oder weniger feuchten Erdoberfläche oder von freien Wasserflächen wird als Evaporation bezeichnet. Die Verdunstung von Pflanzen über die Spaltöffnungen (Stromata) nennt man Transpiration.
Da die Effekte beider Prozesse zusammen auftreten und eine Trennung der Vorgänge nur schwer möglich ist, wird üblicherweise ihre Summe, die Evapotranspiration betrachtet. Eine Sonderform der Verdunstung ist die Interzeption. Unter ihr versteht man das Abfangen bzw. Zurückhalten von Niederschlägen auf der Blatt- bzw. Nadeloberfläche. In Pflanzenbeständen gelangen die so zurückgehaltenen Niederschläge entweder als Stammabfluss bzw. mit dem Kronendurchlass auf den Boden, oder sie verdunsten.
Die maximal mögliche Verdunstung unter den jeweiligen meteorologischen Bedingungen nennt man potentielle Evapotranspiration (ETPot). Bei der tatsächlichen Verdunstung, die vom jeweiligen Wasserdargebot abhängt, spricht man von reeller, aktueller bzw. tatsächlicher Evapotranspiration (ETakt). Diese lässt sich nur durch Messungen ermitteln.
Prinzipiell ist die Verdunstung von Landflächen aufgrund der unregelmäßigen Oberfläche sowie unterschiedlicher Temperaturen und Bodenwassergehalte sehr viele komplizierter zu behandeln, als die Verdunstung von Wasseroberflächen.
Potentielle Evapotranspiration
In Abhängigkeit der örtlichen Verhältnisse, den Ansprüchen an die Genauigkeit und der Datengrundlage kommen verschiedene Methoden zur Verdunstungsberechung zum Einsatz. Der aus Klimadaten berechnete Wert für die potentielle Evapotranspiration (ETpot) stellt einen Näherungswert für die maximale Verdunstung bewachsener Landflächen dar. In Zeiten starker Regenfälle und einer damit verbundenen hohen Bodenfeuchte sind ETpot und ETakt gleichzusetzen.
Die meisten Methoden beziehen sich auf eine niedrige Grasfläche, die das ganze Jahr als vorhanden angenommen wird. Landwirtschaftliche Flächen, die sich durch Fruchtfolge und Brachen auszeichnen, werden mit bestimmten Bestandskoeffizienten berücksichtigt. Detaillierte Formeln sind im Anhang 2 aufgeführt. Nachfolgend werden ausgesuchte Verfahren kurz vorgestellt:
Verfahren nach BLANEY-CRIDDLE
Dieser Berechnungsansatz von BLANEY-CRIDDLE (1950) gehört zu den einfachen empirischen Verfahren und wird häufig in der Bewässerungsberatung eingesetzt. Die Formel gehört heute noch zu den am weitesten verbreiteten Ansätzen. Ähnlich wie beim Verfahren nach TURC werden negative Werte gleich 0 gesetzt. Das Verfahren liefert im Allgemeinen zu hohe Werte. Für Deutschland wird die von SCHRÖDTER (1985) angepasste Formel empfohlen.
Verfahren nach HAMON
Das Verfahren nach HAMON (HAMON 1961) ist ein einfacher Ansatz, um die potentielle Evapotranspiration anhand der Lufttemperatur und der Sonnenscheindauer abzuschätzen.
Verfahren nach HAUDE
In Deutschland veröffentlichte zuerst HAUDE (1954) ein Verfahren zur Berechnung der monatlichen potentiellen Evapotranspiration. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass zur Anwendung nur die tägliche Lufttemperatur und relative Luftfeuchte notwendig sind. Für die Betrachtung einzelner Tage liefert dieses Verfahren jedoch zu ungenaue Ergebnisse Der empirisch gewonnene HAUDE-Faktor lässt Wassermangel unberücksichtigt, da er sich auf einen niedrigen Grasbewuchs mit hohem Grundwasserspiegel bezieht.
Im Vergleich zu Lysimeterdaten liefert diese Berechnung in Trockenjahren um 30% höhere und in Nassjahren um 10% niedrigere Werte (BEINHAUER 1998). An Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit oder in Küstengebieten kommt es zu einer Unterschätzung der ETPot.
Es existieren in der Literatur viele Pflanzenfaktoren für die unterschiedlichsten Landnutzungsarten (HAUDE 1954, ERNSTBERGER 1987, VDI 1990, LÖPMEIER 1994, DVWK 1996).
Verfahren nach LINACRE
Das Verfahren nach LINACRE (LINACRE 1977) stellt eine Vereinfachung der PENMAN-Formel für gut bewässerte Vegetationsflächen und einer Albedo von 0,25 dar.
Verfahren nach MAKKINK
Das von MAKKINK (1957) entwickelte Verfahren stammt aus den Niederlanden und stellt eine Vereinfachung der PENMAN-Beziehung dar. Empirische Faktoren liegen für die Niederlande und Europa vor.
Verfahren nach OUDIN
Das Verfahren nach OUDIN (OUDIN et al. 2005) ist ein einfaches Verfahren, das auf einer vergleichenden Studie 25 bestehender Verdunstungsformulierungen, die in über 300 Einzugsgebieten angewendet wurden, beruht.
Verfahren nach PENMAN
Dieser halbempirische Ansatz wird häufig angewendet, da er auf meteorologische Routine-messdaten zurückgreift und an verschiedene örtliche Standortbedingungen angepasst werden kann (PENMAN 1956). Die aus Energiebilanzen und aerodynamischen Verfahren abgeleitete Kombinationsgleichung gilt für stets feuchte, bewachsene Landflächen.
Verfahren nach ROMANENKO
Das Verfahren nach ROMANENKO (ROMANENKO 1961) ist eine einfacher empirischer Ansatz, um die potentielle Evapotranspiration anhand der Lufttemperatur und der relativen Feuchtigkeit abzuschätzen.
Verfahren nach THORNTHWAITE
Dieses Verfahren basiert auf empirischen Beziehungen zwischen ETPot und der Lufttemperatur (THORNTHWAITE 1948). Dieses international weit verbreitete Verfahren ist jedoch nur für großräumige Abschätzungen von Monatssummen zu empfehlen. Für Deutschland liefert das Verfahren keine realistischen Werte. Generell werden für Mitteleuropa zu hohe ETPot-Werte berechnet.
Verfahren nach TURC
Das Verfahren von TURC (1961) wurde ursprünglich für Frankreich und Nordafrika entwickelt. Aus langjährigen Messwerten ergaben sich im östlichen Teil Deutschlands hohe Korrelationen, allerdings mit etwas zu niedrigen Werten im Frühjahr, so dass eine Korrektur notwendig ist. Aus Wasserhaushaltsberechnungen und Vergleichen mit dem Verfahren nach PENMAN ergab sich für Jahressummen in Deutschland ein Korrekturfaktor von ca. 1,1 (DVWK 1996).
Verfahren nach TURC-IVANOV
Da die TURC-Formel nur für positive Werte gültig ist, wurde sie durch die modifizierte Ivanov-Formel ergänzt (WENDLING & MÜLLER 1984). In KLIWA (2008) wurde das Verfahren mit einer Temperaturdifferenzierung angewendet. Wird das TURC-IVANOV-Verfahren auf deutsche Klimaverhältnisse bezogen, müssen die ermittelten Werte mit dem Faktor 1,1 korrigiert werden.
Verfahren nach TURC-WENDLING
Dieses Verfahren stellt eine einfach zu verwendende Beziehung dar, mit der Tages- oder Monatswerte der ETPot berechnet werden können (WENDLING et al. 1991). Hierbei kann ebenfalls ein Küstenfaktor mitberücksichtigt werden.
Spezielle Verdunstungsbetrachtungen
Schneeverdunstung
Umfangreiche Beobachtungen und Berechnungen der Schneeverdunstung im Alpengebiet der Schweiz hat DE QUERVAIN (1951) zusammengestellt. Danach hängt die Schneeverdunstung von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab, insbesondere von der Lufttemperatur sowie der Sonnen- und Schattenlage.
Tab. 40: Richtwerte der mittleren täglichen Schneeverdunstung ES, mittl. für mittlere Klimaverhältnisse (Deutschland) (nach RACHNER 1999)
Verdunstung freier Wasserflächen
Für die Verdunstung von freien Wasserflächen (Seen, Stauseen, Flüssen, Kanälen) wurde von RICHTER (1997) eine empirische Beziehung abgeleitet. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die Verdunstung natürlicher, oberirdischer Gewässer durch thermische Belastung (Einleitung von Kühlwasser) beträchtlich erhöht werden kann. Für freie, ruhende Wasseroberflächen kann die Verdunstung direkt berechnet werden.
Verfahren nach PRIESTLEY-TAYLOR
Das Verfahren nach PRIESTLEY-TAYLOR (1972) basiert auf einer großen Anzahl von Evaporationsmessungen über Wasseroberflächen. Es stellt eine Modifikation des PENMAN-Ansatzes dar, für den jedoch weniger umfangreiche Messungen erforderlich sind. Mit diesem Verfahren sind Berechnungen unter Bedingungen möglich, wo die Evapotranspiration von der Bodenwasserversorgung limitiert wird. Das Verfahren wurde von FLINT & CHILDS (1991) für verschiedene Oberflächen modifiziert. Dabei spiegelt der PRIESTLEY-TAYLOR-Koeffizient das Verhältnis zwischen der aktuellen Evaporationsraten und Evaporationsraten in einem Gleichgewichtszustand wider.
Verfahren nach MCNAUGHTHON & BLACK
Das Verfahren von MCNAUGHTHON & BLACK (1973) wurde für Douglasien-Standorte entwickelt. Es basiert auf der Messung latenter Wärmeströme bei Standorten mit wassergesättigten Böden.
Aktuelle Evapotranspiration
Verfahren nach PENMAN-MONTHEITH
MONTHEITH (1965) modifizierte den klassischen PENMAN-Ansatz, um die aktuelle Evapotranspiration ETakt eines Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre berechnen zu können. Zusätzlich zu den jeweiligen meteorologischen Bedingungen werden zwei Verdunstungswiderstände (pflanzenspezifischer aerodynamischer Widerstand und der mittlere Stromatawiderstand des Bestandes) eingeführt (ZENKER 2003). Dieser Berechnungsansatz stellt eine der ausgereiftesten Methoden dar und findet eine weitverbreitete Anwendung (ALLEN 1986). Er bildet die Grundlagen vieler weiterer Ansätze wie etwa zur Entwicklung der Gras-Referenzverdunstung der FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) (ALLEN et al 1989).
FAO-Gras-Referenzverdunstung
Um eine vergleichbare Referenzverdunstung berechnen zu können, empfahl die FAO (Food and Agriculture Organisation of the United Nations) die Einführung einer international standardisierten Referenzoberfläche. Die in ALLEN et al. (1994) beschriebene Gras-Referenzverdunstung basiert auf der PENMAN-MONTHEITH-Beziehung.
Als Referenzoberfläche wurde eine kurze dichte Grasdecke mit 0,12 m Wuchshöhe und ausreichender Wasserversorgung gewählt. Weitere Randbedingungen: Bestandswiderstand rms= 70 s/m, aerodynamischer Widerstand: ra= 208/v s/m (mit vm2 = Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe) und Albedo: α= 0,23.
Mit Hilfe von Vegetationskoeffizienten kc kann die Evapotranspiration von Landflächen mit davon abweichender Vegetation abgeleitet werden. Die Werte der aktuellen Evapotranspiration können auf diesen Flächen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Gras-Referenzverdunstung liegen. Generell weisen Pflanzenbestände mit großem Blattflächenindex höhere Werte bzw. kurze Grasflächen ohne ausreichende Wasserversorgung geringere Werte als die Gras-Referenzverdunstung auf.
Methode nach RENGER & WESSOLEK
Zur Ermittlung der aktuellen Verdunstung bewachsener Flächen wurde von RENGER & WESSOLEK (1990) ein Verfahren für ebene Standorte und Böden auf Lockergesteinen ausgearbeitet. Es gilt unter der Annahme, dass der Boden im Frühjahr auf Feldkapazität aufgefüllt ist, d.h. er kann noch bis zu 3 Tage das Wasser gegen die Schwerkraft halten. In diesem Zustand ist in den Grob- und Makroporen des Bodens noch Luft enthalten (vgl. DVWK 1990).
Verfahren nach WENDLING
Das Verfahren nach WENDLING (WENDLING et al. 1984) wurde für agrarmeteorologische Beratungen entwickelt. Mit ihm erhält man als Ergebnis die Tageswerte der aktuellen Evapotranspiration. Bei der Berechnung einer bewachsenen Fläche am Tag geht der jeweilige Bodenwasservorrat der effektiven Wurzelzone in die Berechnung mit ein.
Evaporation, Boden
Die Bodenevaporation betrachtet die Verdunstung von der mehr oder weniger feuchten Bo-denoberfläche. Sie hat den niedrigsten Anteil an der Gesamtverdunstung und wird durch die verfügbare Energie, die Vegetation sowie die Durchlässigkeit und den Wassergehalt des Bodens gesteuert. Nachfolgend sind drei Berechnungsansätze aufgeführt:
Ansatz von BELMANS
BELMANS et al. (1983) berechnen die potentielle Evaporation EVPot als Anteil der potentiellen Gesamtverdunstung in Abhängigkeit vom Blattflächenindex BFI.
Ansatz von BLACK
BLACK et al. (1969) entwickelten eine auf Lysimetermessungen basierende empirische Formel zur Abschätzung der aktuellen Bodenevaporation. Dabei geht die Dauer der zurückliegenden niederschlagsfreien Periode in die Betrachtung mit ein.
Ansatz von RITCHIE
Zur Bestimmung der potentiellen Evaporation gibt RITCHIE (1972) eine Gleichung an, die teilweise aus der Energiebilanzierung abgeleitet wurde.
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