Symulator cyklu deszczów i suchej okresu: Butelka z wilnością ziemi

Model butelki wodnej dla równowagi wody

Najprostszym użytecznym modeliem dostawy wody do krajobrazu traktuje warstwę korzeni jako pojedynczą butelkę z ziemią o skończonej pojemności przechowalnej. Deszcz uzupełnia ją, rośliny i nagoje ziemi pusty są przez transpirację i evapotranspirację, a jak tylko ta butelka jest pełna, dodatkowy deszcz przepływa z powrotem zamiast wchodzić. Jedna linia księgowania opisuje całą sytuację:

dS/dt = P(t) - ET(S, t) - R(S) S = pojemność przechowalna wilgoci ziemi (mm wody przechowywanej w warstwie korzeni) P = wpływ opadów (stochastyczny, zobacz poniżej) ET = rzeczywista transpiracja i evapotranspiracja ograniczona ilością wilgoci pozostającej w S R = przepływność, różna od zera tylko po tym, jak S osiągnie poziom polowe kapacytetowe Mimo iż wygląda na proste, ten „model butelki” (zawierający się już w pracach Budyko z drugiej połowy XX wieku nad równowagą wodną) bardzo dobrze odzwierciedla zachowanie kwalitacyjne rzeczywistych obszarów powodzkowych, ponieważ dwie najważniejsze czynniki dla sezonu suchej — skończona rezerwa i utrata ograniczona wilgotnością — są obie w nim zawarte.

dS/dt = P(t) - ET(S, t) - R(S)

S  = soil moisture storage (mm of water held in the root zone)
P  = precipitation input (stochastic, see below)
ET = actual evapotranspiration, limited by how much water S has left
R  = runoff, only nonzero once S reaches field capacity

Stosowny opad: dlaczego rzeczywisty opad nie jest krzywą trygonometryczną

Rzeczywista precipitacja nie jest gładką sezonową krzywą — to ciąg dyskretnych zdarzeń rozdzielonych przez okresy suche, których długość nieprzewidywalna. Generatory pogody opierające się na tym pojęciu, postawione na podejściu formalizowanym Richardsonem w 1981 roku, używają dwóch złączonych procesów losowych:łańcuch Markowa decyduje, czy dany dzień jest wilgotny lub suche (prawdopodobieństwo opadu zależy od tego, czy wczoraj był wilgotny czy suche, co powtarza rzeczywiste skupienie burz), a na dniach wilgotnych rozkład gamma lub wykładniczy decyduje o ilości opadu. Wynik wygląda jak rzeczywiste rekordy klimatyczne — długie okresy suche przerwanie skupieniem burz — zamiast nieprawdopodobnie regularnego opadu, który produkułby prosty sinusoidalny wzór.

Ewapotranspiracja zdecremtuje butelkę

Ewentualna ewapotranspiracja (PET) — ile wody atmosfera mogłaby wydostać, ustawiona na temperaturze, wilgotności i oświetleniu słonecznym — jest zazwyczaj znacznie wyższa niż to, co może rzeczywista ewapotranspiracja dostarczyć. Ewentualna ewapotranspiracja jest ograniczona dostępnością wody, często modelowaną jako liniowa skalę z S/Scapacją po przekroczeniu pewnego próg: pełna butelka wydostaje się prawie na ewentualną szybkość, podczas gdy niemal pusta butelka wydostaje się prawie niczym, ponieważ nie ma już wody blisko powierzchni do zaoferowania korzeniom i glebie.

Jak opady deszczowe prowadzą do utworzenia katastrof wodnych

Jedna sucha miesiąc to pogoda. Drogę tworzy, gdy ciąg miesięcy o niskich średnich spowoduje deficyt zapasów, z którym system nie jest w stanie szybko się pozbierać — co dokładnie jest powodem dla tego, dlaczego indeksy takie jak Indeks Standardowy Opadów (SPI) są obliczane na podstawie okien wielomiesięcznych, a nie na podstawie pojedynczych obserwacji. W modelu butelki to występuje naturalnie: ponieważ S integruje P − ET − R w czasie, ma pamięć. Sucha sezon nie zresetuje się do zera, gdy wrócą opady; trwa tyle czasu, aby wypełnić deficyt, ile zajęło na jego tworzenie, a czasami nawet dłużej, gdy nacisk roślinny zmniejszy wpływanie na przepuszczalność.

Pętle odwrotne przekształcające pustynię w burzę ciepła

Wilgotność gleby nie tylko rejestruje brak deszczu — ujawnia go również. Wilgotna powierzchnia pośrednio wykorzystuje dużą część przychodzącej energii słonecznej do wyparowania wody (ciepła ukrytego), co chłodzi powierzchnię; gdy zasób wodny się kończy, ta ścieżka chłodzenia zniknie i ta sama energia zamiast towarzyszyć chłodzeniu powietrza przyczyni się do jego bezpośredniego ciepłenia (ciepła czystego). Badania na temat sprzężenia lądowo-atmosferycznego „punktów ciepłych” (Koster et al., 2004) wykryły obszary przejściowe — regiony, które nie są zawsze wilgotne ani zawsze suche — gdzie ten pętlowy feedback między wilgotnością gleby a temperaturą jest najsilniejszy, i gdzie sezon pustynny jest najbardziej prawdopodobny na rozwinięcie się w szczególnie ciężką burzę ciepła. Jest to wolna pętla ukryta w szybko zmieniającym się systemie pogodowym.

Odczytywanie symulacji

Obserwuj ślad zapisywania się, nie tylko ślad opadów: rok może wyglądać zwyczajnie w rekordzie opadów, podczas gdy linię zapisywalności można zobaczyć spadającą kontynuowanym spadkiem, ponieważ brak odzyskania długoterminowego deficytu z poprzedniej suchej fazy. Spuściznę parametru prawdopodobieństwa burzy w dół powinno pokazać, że okresy niskiej wilgotności gleby stać się nie tylko częstsze, ale także dłuższe i głębsze — ta nieliniowa zwiększenie długości okresów suchych, a nie procentowy spadek całkowitych opadów, to oznakowanie prawdziwej cykle sucha.

Często zadawane pytania