Симулятор Цикл Посушеї Вологи та Зондів: Відро з Вологою Ґрунтом

Модель кошика для водного балансу

Найпростіший корисний модель водних ресурсів ландшафту розглядає зону коренів як один кошик з обмеженою ємністю. Дощ заповнює його, рослини та відкритий ґрунт виснажують його через транспірацію та випаровування, і коли він повний будь-який додатковий дощ просто стікає вниз замість того, щоб вбиратися. Одна лінія бухгалтерського обліку охоплює все це:

dS/dt = P(t) - ET(S, t) - R(S) S = запас вологи у ґрунті (мм води, що зберігається в зоні коренів) P = вхід опадів (стохастичний, див. нижче) ET = фактична транспірація та випаровування, обмежена кількістю вологи, яка залишається у S R = сток води, не є невід’ємним, лише коли S досягає пористої здатності ґрунту Хоч це й виглядає просто, цей "кошик" (повертаючись до роботи Будького щодо водного балансу в середині 20 століття) досить добре відтворює якісний характер справжніх водозборів, оскільки два найважливіші для посухи фактори — кінцева ємність та термін втрати вологи залежно від вологості — присутні в ньому.

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

Стохастичний дощ: чому справний дощ не є синусоїдою

Реальний опад не є плавною сезонною кривою — це послідовність дискретних подій, розділених періодами сухості непередбачуваної тривалості. Генератори погоди, що базуються на цій ідеї та слідують підходу Річардсона, формалізованому в 1981 році, використовують два закорельовані випадкові процеси: марковська ланцюг вирішує, чи буде даний день дощовим або сухим (з ймовірністю опадання дощу залежно від того, чи був попередній день дощовим або сухим, що відтворює реальне кластерування злив), і в дощові дні розподіл гами або експоненти визначає, скільки дощу випало. Результат нагадує справді відомі кліматичні записи — довгі періоди сухості, перервані кластерами злив — замість нереалістично регулярного опадання, яке було б результатом простої синусоїдної хвилі.

Вологість ґрунту

Вологість ґрунту (Soil Moisture) — це відносна кількість води в ґрунті. Це ключовий параметр, що визначає доступність води для рослин. Вологість ґрунту зазвичай моделюється як функція відношення вологості до початкової вологості, або як «заповнена» ємність, яка лінійно зменшується з кожним збільшенням втрати вологи. Повна ємність (1) відповідає потенційному ET, а майже порожня ємність (0) означає, що немає води для рослин, і тому ET дуже низький.

Як виникають посухи з короткострокової варіативності

Один сухий місяць – це погода. Посуха – це те, що відбувається, коли послідовність місяців із нижчим за середнє значення накопичується у дефіцит запасу, від якого система не може швидко відновитися — саме тому індекси, такі як Стандартизований показник опадів (SPI), обчислюються на основі багатомісячних ковзних вікон замість окремих спостережень. У моделі «ковш», оскільки S інтегрує P − ET − R з часом, він має пам’ять. Сухий сезон не скидається до нуля, коли повертаються опади; потрібно стільки часу, щоб заповнити дефіцит, скільки потрібно для його побудови, іноді навіть довше, коли знижується проникність через стрес рослинності.

Зворотні зв’язки, які перетворюють сухість на спеку

Вологість ґрунту не просто фіксує посуху — вона її посилює. Вологий поверх виділяє велику частку енергії, що надходить від сонця, через випаровування води (тепло кристалізації), яке охолоджує поверхню; коли котел висихає, цей шлях охолодження зникає і замість нього повітря нагрівається безпосередньо (теплоємність). Дослідження взаємодії ґрунт-атмосфера та «гарячих точок» (Koster et al., 2004) виявили перехідні зони — регіони, які ніколи не бувають повністю вологими чи повністю сухими — де цей зворотний зв’язок між ґрунтом і температурою найсильніший і де посуха найімовірніше переросте в особливо сильний спекотний день. Це повільний зворотний зв'язок, що ховається всередині швидкої погодної системи.

Читання симуляції

Слідкуйте за траєкторією зберігання вологи, а не лише за траєкторією опадів: рік може виглядати звичайним у записі про дощ, тоді як лінія зберігання продовжує спускатися вниз, тому що попередній посуховий період ще не був повністю погашений. Зменште параметр ймовірності шторму, і ви побачите, що періоди низької вологості ґрунту стають довші та глибшими – не просто частішими; ця нелінійна подовження посухових періодів, а не проста пропорційна втрата загального опадів, є ознакою справжнього циклу посухи.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Drought & Precipitation Cycle Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.