The role of evapotranspiration in climate

Summary

A knowledge of the moisture balance at the earth's surface is essential to an understanding of climate. Precipitation and its areal distribution have been investigated in much detail. Evapotranspiration, which is the reverse of precipitation and represents the combined evaporation from the soil surface and transpiration from plants, is little understood and seldom measured. Actual evapotranspiration depends on climatic factors but is limited by the amount of available moisture in the soil. On the other hand, potential evapotranspiration which may be defined as the amount of water which would be lost from a surface completely covered with vegetation if there is sufficient water in the soil at all times for the use of the vegetation depends on climate alone.

In order to evaluate the moisture factor in climate, the moisture supply or the precipitation must be compared with the water need or the potential evapotranspiration. The distribution of precipitation through the year never coincides with, and seldom parallels, the distribution of potential evapotranspiration. When the precipitation is in excess of need, the surplus goes to recharge ground water and produce runoff. When the precipitation does not equal the need, there is a deficiency which results in drought.

There are various methods of measuring evapotranspiration, all of which are subject to many limitations, and only two of which give promise of yielding acceptable results. The first of these, the so called “vapor transfer” method, is of especial interest because it is the only one in which measurements may be made of a natural surface without disturbing it in any way. It is not yet a practical method because it requires greater precision in instrumentation than is feasible at present. The second, utilizing a soil tank or evapotranspirometer, is more artificial but it can provide reasonable results if used with care. The evapotranspirometer consists of a sunken open topped tank filled to ground level with soil on which vegetation is planted. A permanent water table is maintained in the soil at a given depth. A large area surrounding the tank must have a vegetation cover the same as in the tank. In addition, soil moisture both inside and outside the tanks must be maintained at the same level. The evapotranspirometer has proven to be a useful and inexpensive instrument for measuring potential evapotranspiration. Soil tank evapotranspirometers have been installed in thirteen localities during the last few years.

Pending further theoretical work on the problem of evapotranspiration and the accumulation of observations an empirical formula was devised from data of irrigation projects and watersheds to give the potential evapotranspiration from climatological data alone. The formula has been applied with considerable success by investigators in various parts of the world.

The relation between potential evapotranspiration and precipitation at nine European stations is discussed (see fig. 6). Potential evapotranspiration follows a uniform pattern through the year in most of Europe. It is negligible in the winter months as far south as central France, northern Italy, and southern Russia and reaches only 3 cm a month in southern Spain. It rises to a maximum in July that ranges from 10 cm in northern Scandinavia to 17 cm in southern Europe. Precipitation, on the other hand, is highly variable from one region to another. In southeastern Europe it is low, resulting in a large summer water deficiency (56.9 cm at Athens, Greece). This deficiency exists in the summertime over most of the rest of Europe, with the exception of certain restricted regions such as around Zurich, Switzerland. Over western Europe where the precipitation is greater and more uniform through the year the summer water deficiency is smaller. It is 10.6 cm at Birmingham, England and only 2.1 cm at Vard, Norway. In times of excess rainfall water is stored in the soil. The part of this water that is within reach of roots is used before the plants begin to suffer. From studies in western United States it was found that under ordinary circumstances the amount of water stored in the root zone that is available to plants is equivalent to 10 cm of rainfall.

The uses as well as the limitations of potential evapotranspiration are only partially known. Even with its present limited use in climatology, hydrology, agriculture, and soil tractionability, it has shown itself to be a powerful tool. With more information concerning the nature of potential evapotranspiration and knowledge of its areal distribution from the tropics to the arctic, its usefulness should increase manifold.

Zusammenfassung

Die Kenntnis der Feuchtigkeitsbilanz an der Erdoberfläche ist für das Verständnis des Klimas unentbehrlich. Der Niederschlag und seine räumliche Verteilung sind in allen Einzelheiten untersucht. Evapotranspiration dagegen, die das Zusammenwirken der Verdunstung von der Erdoberfläche und der Transpiration von den Pflanzen und somit gleichzeitig das Gegenstück zum Niederschlag darstellt, ist wenig bekannt und nur selten untersucht. Die tatsächliche Evapotranspiration hängt von Klimafaktoren ab, ist jedoch durch die Menge der verfügbaren Bodenfeuchtigkeit begrenzt. Anderseits hängt die potentielle Evapotranspiration nur vom Klima allein ab, da sie durch die Wassermenge definiert ist, die von einer vollständig mit Vegetation bedeckten Fläche abgegeben wird, falls für den Bedarf der Vegetation ständig genügend Wasser zur Verfügung steht.

Um den Feuchtigkeitsfaktor im Klima zu untersuchen, muß die Feuchtigkeitszufuhr durch Niederschlag mit dem Wasserbedarf oder der potentiellen Evapotranspiration verglichen werden. Die Niederschlagsverteilung über das Jahr deckt sich kaum je mit dem Verlauf der potentiellen Evapotranspiration. Wenn der Niederschlag den Bedarf übersteigt, wird der Überschuß zur Speicherung der Grundwasserreserven und zur Steigerung des Abflusses verwendet; bleibt jedoch der Niederschlag hinter dem Bedarf zurück, so entsteht ein Defizit, das zu Dürre führt.

Zur Messung der Evapotranspiration bestehen verschiedene Methoden; diese unterliegen durchwegs gewissen Einschränkungen und nur zwei davon lassen annehmbare Resultate erwarten. Die eine der beiden, die sogenannte „Dampfaustauschmethode” bietet besonderes Interesse, da sie allein auf Messungen an einer natürlichen Fläche ohne Störungsursachen beruht; doch ist sie noch nicht in der Praxis verwendbar, da sie größere instrumentelle Präzision erfordert, als zur Zeit erreichbar ist. Die zweite Methode, bei der ein Gefäß im Boden (Evapotranspirometer) verwendet wird, arbeitet stärker mit künstlichen Bedingungen, kann jedoch bei sorgfältiger Anwendung vernünftige Resultate liefern. Das Evapotranspirometer besteht aus einem versenkten, oben offenen Gefäß, das bis zum Erdbodenniveau mit Erde gefüllt ist, auf der Vegetation gepflanzt wird; ein konstanter Wasserspiegel wird im Boden in bestimmter Höhe gehalten. Die weitere Umgebung des Gefäßes muß dieselbe Vegetationsdecke haben wie das Gefäß selbst. Zudem muß die Bodenfeuchtigkeit innerhalb und außerhalb des Evapotranspirometers auf gleicher Höhe gehalten werden. Das Gerät hat sich als nützliches und billiges Instrument zur Messung der potentiellen Evapotranspiration erwiesen. In den letzten Jahren wurden solche Bodengefäßevapotranspirometer (insgesamt 13) an verschiedenen Orten installiert

Vorgängig weiterer theoretischer Untersuchungen über das Problem der Evapotranspiration und der Sammlung von Beobachtungsmaterial wurde auf Grund von Erfahrungen an Bewässerungsanlagen eine empirische Formel zur Bestimmung der Evapotranspiration aus klimatologischen Daten aufgestellt; diese Formel wurde in verschiedenen Teilen der Erde mit gutem Erfolg angewandt.

Die potentielle Evapotranspiration an neun europäischen Stationen besitzt im allgemeinen einen einheitlichen Jahresverlauf mit sehr kleinen Werten im Winter und einem Maximum im Juli. Anderseits zeigt der Niederschlag große Unterschiede zwischen den einzelnen Gegenden. Während er in Südosteuropa bei gro\em Sommerdefizit gering ist, erreicht er in Westeuropa größere Mengen. In Zeiten von Überschuß wird Regenwasser im Boden gespeichert; soweit sich dieses Wasser in der Reichweite der Wurzeln befindet, wird es ausgenützt, bevor die Pflanzen zu welken beginnen. Bei Untersuchungen in den westlichen Vereinigten Staaten wurde festgestellt, daß unter gewöhnlichen Bedingungen die im Wurzelbereich gespeicherte Wassermenge, die den Pflanzen zur Verfügung steht, einer Niederschlagsmenge von 10 cm entspricht.

Die Verwendungsmöglichkeiten wie auch die Grenzen der potentiellen Evapotranspiration sind erst teilweise bekannt; aber auch mit ihrer gegenwärtigen beschränkten Anwendung in Klimatologie, Hydrologie, Landwirtschaft und Bodenbearbeitung hat sie sich schon als wertvolles Hilfsmittel erwiesen. Mit zunehmenden Kenntnissen über die Eigenschaften der potentiellen Evapotranspiration und über ihre geographische Verteilung von den Tropen bis zu den Polargebieten dürfte ihre Bedeutung stark anwachsen.

Résumé

Pour comprendre le climat il est indispensable de connaître le bilan de l'humidité de la surface de la terre. Si les précipitations et leur distribution géographique ont été étudiées dans tous leurs détails, l'évapotranspiration par contre, qui représente l'effet combiné de l'évaporation de la surface du sol et de la transpiration végétale et forme ainsi la contre-partie des précipitations, est peu connue et n'a fait que rarement l'objet d'études. L'évapotranspiration effective dépend de facteurs climatiques mais est limitée par la quantité disponible d'humidité du sol. D'autre part l'évapotranspiration potentielle ne dépend que du climat puis-qu'elle est définie par la quantité d'eau fournie par une surface entièrement recouverte de végétation au cas où il y a assez d'eau pour subvenir aux besoins de celle-ci.

Pour étudier le facteur humidité d'un climat, il faut comparer l'apport humide des précipitations au besoin en eau ou à l'évapotranspiration potentielle. Il est rare que la distribution annuelle des pluies corresponde à la courbe d'évapotranspiration potentielle. Des précipitations excédant le besoins alimentent les réserves d'eau souterraine et accroissent l'écoulement; une pluie inférieure aux besoins crée un déficit conduisant à la sécheresse.

Il existe différentes méthodes de mesure de l'évapotranspiration; elles sont toutes insuffisantes et deux d'entre elles seulement permettent d'espérer des résultats acceptables. L'une, appeléemethode d'èchange de vapeur, est particulièrement intéressante parcequ'elle repose sur des mesures sur le terrain sans modifier les conditions naturelles; elle n'est cependant pas applicable en pratique car elle exige une précision instrumentale supérieure à celle que l'on peut atteindre actuellement. L'ature méthode qui se sert d'un récipient, ditevapotranspiromètre, introduit davantage de conditions artificielles; bien appliquée elle fournit cependant des résultats raisonnables. L'évapotranspiromètre est un récipient enterré, ouvert vers le haut et rempli de terre jusqu'au niveau du sol et dans lequel on sème la même végétation qu'aux alentours; on maintient à l'intérieur un niveau d'eau constant. En outre l'humidité du sol doit être la même à l'extérieur et à l'intérieur de l'évapotranspiromètre qui s'est révélécomme un instrument utile et peu coûteux. On a installé ces dernières années treize de ces appareils en différents endroits.

Sans attendre de nouvelles recherches théoriques ni la collation de matériel d'observations, on a établi sur la base d'expériences faites dans des installations d'irrigation une formule empirique permettant de déterminer l'évapotranspiration à partir de données climatologiques; cette formule a été utilisée avec succès en différents points du globe.

L'évapotranspiration potentielle de neuf stations européennes présente en général une marche annuelle uniforme avec très petites valeurs en hiver et un maximum en juillet. D'autre part les précipitations accusent de grandes différences suivant les régions; tandis que dans le Sud-Est européen elles sont faibles et déficitaires en été, elles sont plus importantes en Europe occidentale. Aux époques d'excédent, l'eau de pluie s'accumule dans le sol; tant que cette eau est à portée des racines, elle est utilisée par les plantes avant que celles-ci ne commencent à se faner. Lors de recherches dans l'Ouest des Etats-Unis, on a constaté que dans les conditions normales l'eau de réserve qui peut atteindre les racines et qui est à disposition des plantes correspond à une pluie de 10 cm.

On ne connaît que partiellement aujourd'hui les possibilités d'application et les insuffisances de la notion d'évapotranspiration potentielle; celle-ci s'est cependant révélée utile en climatologie, en hydrologie et en agriculture. Lorsque les propriétés de l'évapotranspiration potentielle et sa distribution géographique des tropiques aux régions polaires seront mieux connues, cette notion verra son importance s'accroître fortement.