Модель «відра» вологості ґрунту показує, як стохастичні опади, температурно-залежна евапотранспірація та поверхневий стік поєднуються протягом багатьох симульованих років, утворюючи вологі періоди та багаторічні посухи. Регулюйте повзунки та спостерігайте, як ландшафт переходить від зеленого до коричневого, залежно від коливань вологості ґрунту.
Одношарова модель водного балансу («відро»): опади додають воду, евапотранспірація видаляє її зі швидкістю, що залежить від температури та вологості, а поверхневий стік обмежує резервуар на рівні польової вологоємності. Посухи виникають природно як серії років, де втрати перевищують стохастичні опади.
Встановіть повзунки середніх річних опадів, мінливості опадів і температури, потім перемотуйте роки вперед за допомогою повзунка швидкості. Спостерігайте за інформаційною панеллю та затіненими смугами посухи на графіку, що прокручується.
Реальні індекси посухи, такі як Індекс суворості посухи Палмера, побудовані саме на такому обліку моделі відра вологості ґрунту — порівнюючи, скільки води ділянка землі «повинна» мати, з тим, скільки вона фактично утримує.
Ця симуляція реалізує одношарову модель водного балансу «відро» — один із найпростіших і найпоширеніших способів відстеження вологості ґрунту з часом. Кожного симульованого дня стохастичні дощові події — що трапляються випадково в одні дні і пропускають інші, з обсягами, взятими з правобічно-скошеного розподілу — додають воду до резервуару вологості ґрунту M. Евапотранспірація безперервно видаляє воду зі швидкістю, яка зростає з температурою, але зменшується в міру висихання ґрунту, відображаючи, як реальний сухий ґрунт не може підводити вологу до поверхні так швидко, як вологий. Коли резервуар перевищує польову вологоємність FC, надлишок води відкидається як поверхневий стік замість того, щоб накопичуватися нескінченно, утримуючи M у межах від 0 до FC, як і реальний шар ґрунту.
Запуск цієї моделі протягом багатьох симульованих років показує, як насправді виникають посухи: не через один посушливий день, а через тривалу серію років, коли втрати на евапотранспірацію перевищують стохастичні надходження опадів, знижуючи середню вологість ґрунту нижче порогу посухи (тут — 30% польової вологоємності) протягом кількох послідовних років. Панель ландшафту перефарбовується із зеленого на коричневий, поки це відбувається, а графік, що прокручується, затінює роки посухи, тож накопичення видно з першого погляду — та сама логіка, що використовується в реальних індексах, таких як Індекс суворості посухи Палмера.
Що таке модель «відра» вологості ґрунту?
Це спрощена модель водного балансу, яка розглядає ділянку ґрунту як єдиний резервуар, або відро, з максимальною ємністю утримання, що називається польовою вологоємністю. Дощ наповнює відро, евапотранспірація його спорожняє, а будь-яка вода понад ємність відра виливається як поверхневий стік. Попри свою простоту, цей підхід відображає основну динаміку висихання та зволоження ґрунту, яка використовується в реальній гідрології та моніторингу посух.
Як тут розраховується евапотранспірація?
Евапотранспірація поєднує випаровування з поверхні ґрунту та транспірацію через листя рослин. У цій моделі її максимальна швидкість зростає з температурою, оскільки тепліше повітря може утримувати і забирати більше вологи, але фактична швидкість пропорційно зменшується залежно від того, скільки вологи наразі містить ґрунт. Сухий ґрунт просто не може постачати воду до поверхні так швидко, як вологий, тому швидкість втрат зменшується в міру спорожнення відра.
Що таке польова вологоємність і чому це важливо?
Польова вологоємність — це максимальна кількість води, яку ґрунт може утримати проти сили тяжіння після того, як надлишок стече. Вона задає верхню межу відра вологості ґрунту в цій симуляції. Коли вологість ґрунту досягає польової вологоємності, будь-які додаткові опади не можуть бути збережені і натомість стають поверхневим стоком, тому дуже вологі періоди не дозволяють вологості зростати нескінченно.
Реальний ґрунт має скінченну здатність утримувати воду проти сили тяжіння; коли він насичується, додатковий дощ просто просочується або стікає поверхнею як стік, а не зберігається. Симуляція забезпечує це, обмежуючи вологість ґрунту на рівні польової вологоємності щодня і відкидаючи будь-який надлишок, що зберігає фізичну реалістичність резервуару замість необмеженого зростання.
Середня вологість ґрунту кожного симульованого року порівнюється з порогом посухи, встановленим на рівні 30% польової вологоємності. Якщо річне середнє значення падає нижче цього порогу, рік позначається як рік посухи і затінюється на графіку часового ряду, що прокручується. Справжня багаторічна посуха стає видимою як серія послідовних затінених років, а не лише одне падіння.
Повзунок середніх річних опадів задає довгострокове середнє значення опадів, на яке орієнтується генератор випадкового дощу протягом багатьох років. Повзунок мінливості опадів контролює, наскільки поривчастими і нерівномірно розподіленими є окремі дощові події — низька мінливість рівномірно розподіляє опади протягом року, тоді як висока мінливість створює довгі посушливі періоди, перервані інтенсивними штормами, що відповідає поведінці багатьох реальних напівпосушливих кліматів.
Так, по суті. Широко використовувані індекси, такі як Індекс суворості посухи Палмера, і моделі поверхні суші, що використовуються в прогнозуванні погоди та клімату, побудовані на подібному обліку моделі відра вологості ґрунту, відстежуючи баланс між надходженням опадів і витратою на евапотранспірацію з часом. Ця симуляція є спрощеною одношаровою версією тієї самої основної ідеї.
Вищі температури збільшують максимально можливу швидкість евапотранспірації, оскільки тепліше повітря може поглинати і забирати більше водяної пари з ґрунту та рослин. За незмінних опадів вища швидкість евапотранспірації швидше спорожняє відро вологості ґрунту, знижуючи середній рівень вологості і роблячи роки з посухою нижче порогу більш ймовірними та суворими.