증발산

3. 증발산에 영향을 미치는 요인

증발산(蒸發散, Evapotranspiration)은 지표면에서 물이 증발하거나 식물의 증산 작용을 통해 대기 중으로 이동하는 현상을 말한다. 증발산량은 여러 요인의 영향을 받는데, 일반적으로 ET로 표현하며 단위는 mm/일 또는 mm/d를 사용한다. 일본 논에서는 평균 6-8mm/일의 증발산량을 보인다.

증발산량(ET)은 아래의 수문학적 수지식을 통해 계산할 수 있다.

:$ET=-F+B\_I+P-S-R-I\_A-B\_O$

• ''F'': 침투량
• $B\_I$: 대상 토양으로 유입되는 물의 양
• $B\_O$: 대상 토양에서 다른 토양으로 유출되는 물의 양
• ''P'': 강수량
• ''S'': 보수량
• $I\_A$: 토양에 스며들기 전 제외되는 물의 양 (웅덩이 등)
• ''R'': 표면 유출 (토양 표면 유수 등)

3. 1. 주요 요인

증발률에 영향을 주는 인자는 물과 공기의 증기압인데, 이 증기압은 물과 공기의 온도, 기압, 수질, 증발 표면 형상에 영향을 받는다.^[10]

3. 2. 부차적 요인

4. 증발산량 측정 및 추정

증발산량은 직접 측정하거나 간접적으로 추정할 수 있다. 증발산(ET)은 mm/일 또는 mm/d 단위를 사용하며, 일본 논에서는 평균 6-8mm/일이다.

증발산량(ET)은 다음 수문학적 수지식을 바탕으로 ET 이외의 변수에 수치를 대입하여 산출할 수 있다.

:$ET=-F+B\_I+P-S-R-I\_A-B\_O$

• ''F''는 침투량으로, 체적(용량) 또는 길이로 지정할 수 있다.
• $B\_I$는 대상 토양 덩어리에 다른 토양으로부터 유입되는 양이다.
• $B\_O$는 대상 토양 덩어리에서 다른 토양으로 유입되는 양이다.
• ''P''는 강수량이다.
• ''S''는 보수량이다.
• $I\_A$는 웅덩이 등 토양에 스며들기 전에 제외되는 물의 양이다.
• ''R''은 토양 표면의 유수 등의 표면 유출이다.

4. 1. 직접 측정

4. 2. 간접 추정

대기 중 수증기 흐름은 직접 측정하기 어렵거나 시간이 오래 걸리기 때문에,^[9] 증발산은 일반적으로 여러 간접적인 방법을 통해 추정된다. 증발산(ET)은 mm/일 또는 mm/d 단위를 사용하며, 일본 논에서는 평균 6-8mm/일이다.

증발산량(ET)은 수문학적 수지식을 바탕으로 ET 이외의 변수에 수치를 대입하여 산출할 수 있다.

:$ET=-F+B\_I+P-S-R-I\_A-B\_O$

• ''F''는 침투량으로, 체적(용량) 또는 길이로 지정할 수 있다.
• $B\_I$는 대상 토양 덩어리에 다른 토양으로부터 유입되는 양이다.
• $B\_O$는 대상 토양 덩어리에서 다른 토양으로 유입되는 양이다.
• ''P''는 강수량이다.
• ''S''는 보수량이다.
• $I\_A$는 웅덩이 등 토양에 스며들기 전에 제외되는 물의 양이다.
• ''R''은 토양 표면의 유수 등의 표면 유출이다.

4. 2. 1. 유역 물수지 방정식

물수지 방정식을 통해 특정 지역의 증발산량을 추정할 수 있다. 물수지 방정식은 유역 내에 저장된 물의 변화량(''ΔS'')을 강수량(''P''), 증발산(''ET''), 하천 유출량(''Q''), 지하수 함양(''D'')을 통해 계산한다. 다른 변수 값을 알 경우 증발산량은 다음과 같이 추정할 수 있다.

:$ET\; =\; P\; -\backslash Delta\; S\; -\; Q\; -\; D\; \backslash ,\backslash !$

증발산량은 ET로 표현하는 경우가 많으며, 단위는 mm/일 또는 mm/d이다. 일본 논에서는 평균 6 - 8mm/일이라는 자료가 있다.

증발산량 ET는 다음과 같은 수문학적 수지식을 바탕으로 ET 이외의 변수에 수치를 대입하여 산출할 수 있다.

:$ET=-F+B\_I+P-S-R-I\_A-B\_O$

• ''F''는 침투량이다. 체적(용량) 또는 길이로 지정할 수 있다.
• $B\_I$는 대상 토양 덩어리에 다른 토양으로부터 유입되는 양이다.
• $B\_O$는 대상 토양 덩어리에서 다른 토양으로 유입되는 양이다.
• ''P''는 강수량이다.
• ''S''는 보수량이다.
• $I\_A$는 웅덩이 등 토양에 스며들기 전에 제외되는 물의 양이다.
• ''R''은 토양 표면의 유수 등의 표면 유출이다.

4. 2. 2. 에너지 균형

에너지 균형 방정식을 이용하여 증발산에 사용되는 에너지를 계산하고, 이를 통해 증발산량을 추정할 수 있다.

:$\backslash lambda\; E\; =\; R\_n\; -\; G\; -\; H$

여기서 \(\lambda E\)는 물이 액체에서 기체로 변하는 데 필요한 에너지이고, \(R_n\)은 순 복사, \(G\)는 토양 열 플럭스, \(H\)는 현열 플럭스이다. 섬광계나 토양 열 플럭스 플레이트 또는 복사 미터와 같은 기기를 사용하면 에너지 균형의 구성 요소를 계산할 수 있으며, 실제 증발산에 사용할 수 있는 에너지를 구할 수 있다.^[19]

SEBAL 및 METRIC 알고리즘은 위성 이미지를 사용하여 지구 표면에서 에너지 균형을 계산한다. 이를 통해 실제 증발산과 잠재 증발산을 픽셀 단위로 계산할 수 있다. 증발산은 물 관리 및 관개 성능의 핵심 지표이다. SEBAL과 METRIC은 이러한 핵심 지표를 시간과 공간에서 며칠, 몇 주 또는 몇 년 동안 매핑할 수 있다.^[19]

4. 2. 3. 기상 데이터

기상 데이터(풍속, 기온, 습도 등)를 이용하면 기준 증발산량을 계산할 수 있다. 기준 증발산량 계산에 가장 일반적이고 널리 사용되는 방정식은 펜만 방정식이다. 펜만-몬테이스 방정식은 유엔 식량 농업 기구^[20]와 미국 토목 학회에서 권장한다.^[21] 더 간단한 블레이니-크리들 방정식은 수년 동안 미국 서부에서 인기가 있었지만, 습도가 높은 습윤 지역에서는 정확도가 떨어진다. 기상 데이터로부터 증발산량을 추정하는 다른 방정식으로는 간단하지만 특정 위치에 맞게 보정해야 하는 마킨크 방정식과 하그리브스 방정식 등이 있다.

5. 잠재 증발산량

잠재 증발산량(Potential Evapotranspiration)은 특정 기후 조건에서 지표면이나 식물 표면이 항상 습윤한 상태일 때, 즉 물 공급에 제약이 없을 때의 최대 증발산량을 의미한다. 건조 지역에서는 잠재 증발산량이 강수량을 크게 초과하는 반면, 우기의 습윤 지역에서는 강수량이 증발산량을 크게 초과한다.^[1]

수증기압이 평형 상태일 때의 증발산량을 평형 증발산량(equilibrium evapotranspiration)이라고 한다. 이는 대기 중의 수증기가 포화 상태이거나, 지면이 완전히 건조된 경우에 적용된다.^[1]

5. 1. 잠재 증발산량과 실제 증발산량

• ''F'': 침투량. 체적(용량) 또는 길이로 지정.
• $B\_I$: 대상 토양 덩어리에 다른 토양으로부터 유입되는 양.
• $B\_O$: 대상 토양 덩어리에서 다른 토양으로 유입되는 양.
• ''P'': 강수량.
• ''S'': 보수량.
• $I\_A$: 웅덩이 등 토양에 스며들기 전에 제외되는 물의 양.
• ''R'': 토양 표면의 유수 등의 표면 유출.

6. 물의 상태 변화와 에너지

대기 중의 수증기는 온도에 따라 기체, 액체, 고체 상태로 변하며 존재한다. 대기 중의 수증기는 0~4% 범위로 존재한다. 물의 상태 변화에는 숨은열(잠열)이 방출되거나 흡수된다. 그 양은 다음과 같다.

• 얼음 ↔ 물: 80 칼로리
• 물 ↔ 수증기: 600 칼로리
• 얼음 ↔ 수증기: 680 칼로리

7. 육상 강수와 담수

육지에 내린 강수의 약 30%만이 하천을 흘러 바다로 유입하고, 지역마다 차이가 있으나 보통 연평균 강수량의 약 70%는 지면이나 식물로부터 증발산하여 대기로 되돌아간다.^[1]

지구 상의 담수는 빙하, 설원, 지하수, 호소 등에 저장된다. 그 중에서 빙하에 최대량의 담수가 저장되어 있는데, 현재 지표에는 2500만km³ 이상의 얼음이 존재한다. 만일 지구 상의 모든 얼음과 눈을 녹인다면 해수면이 30∼60m나 상승하게 될 것이다.

설원에도 상당히 많은 양의 물이 저장되어 있다. 한극역의 연변에서 강설량이 최대이고 한후기에는 많은 양의 눈이 쌓이지만 봄에는 급속히 녹는다. 지구의 최한역에는 소량의 눈이 내릴 뿐이지만 증발과 융해의 율이 작기 때문에 그 대부분은 저장된다.

눈은 밀도에 따라 같지 않으나 대략 눈 10∼15mm를 녹이면 물 1mm로 된다. 눈 밑의 땅이 얼어 있으므로 눈이 녹은 물의 대부분은 지표를 흘러서 하천이나 호소로 유입한다. 만일 눈 밑의 흙이 얼지 않았다면 녹은 물은 지중으로 침투하여 지하수로 된다.

강우의 경우, 그 강도가 극히 약하다면 직접 증발되어 대기 속으로 되돌아 갈 것이고 강우가 강하고 계속된다면 상당히 많은 양이 땅 속으로 침투하고 식물에 수분을 공급하기도 한다.

8. 관련 용어

• 소비수량(consumptive use): 특정 지역에서 총 증발량과 식물 성장에 필요한 물의 양을 합한 것이다.
• 실제증발산량: 증발산계, 물수지 방법, 증발 접시와의 상관 정도를 이용해 산정한 증발산량 또는 잠재 증발산량에 계수를 곱해 산정한 증발산량이다.

9. 원격탐사 기반 증발산 모델

• ALEXI
• BAITSSS
• METRIC
• Abtew 방법
• SEBAL
• SEBS
• SSEBop
• PT-JPL
• ETMonitor
• ETLook
• ETWatch

참조

_[1] 간행물 Global climate-related predictors at kilometre resolution for the past and future https://doi.org/10.5[...] 2023-01-08
_[2] 간행물 Annex II: Glossary https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press 2022
_[3] 웹사이트 Evapotranspiration - an overview https://www.scienced[...] 2022-05-02
_[4] 서적 Evapotranspiration: Principles and Applications for Water Management https://books.google[...] CRC Press 2013-09-26
_[5] 논문 Potential evaporation functions compared on US watersheds: Possible implications for global-scale water balance and terrestrial ecosystem modeling https://www.scienced[...] 1998-06-25
_[6] 서적 Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements https://www.fao.org/[...] Food and Agriculture Organization of the United Nations
_[7] 논문 Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply https://www.nature.c[...] 2010-10-21
_[8] 논문 Global Hydrological Cycles and World Water Resources https://www.science.[...] 2006-08-25
_[9] 서적 Evapotranspiration: An Overview https://books.google[...] BoD – Books on Demand 2013-04-30
_[10] 간행물 A Brief Overview of Approaches for Measuring Evapotranspiration http://doi.wiley.com[...] American Society of Agronomy, Crop Science Society of America, and Soil Science Society of America, Inc. 2018-06-05
_[11] 간행물 Chapter 8: Water Cycle Changes https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press 2021
_[12] 논문 Diagnosing evapotranspiration responses to water deficit across biomes using deep learning 2023-08-25
_[13] 논문 Streamflow Greatly Reduced by Converting Deciduous Hardwood Stands to Pine http://coweeta.uga.e[...] 1974-09-06
_[14] 논문 Terrestrial water fluxes dominated by transpiration 2013-04-03
_[15] 논문 Rainfall interception and fog precipitation in a tropical montane cloud forest of Guatemala https://www.scienced[...] 2004-03-22
_[16] 웹사이트 Cloud Forest https://cloudforestc[...] 2022-05-02
_[17] 웹사이트 How plants play a vital role for rainfall within the tropical rainforest https://www.britanni[...] 2022-05-02
_[18] 웹사이트 How Forests Attract Rain: An Examination of a New Hypothesis https://academic.oup[...] 2022-05-02
_[19] 웹사이트 SEBAL_ WaterWatch http://www.waterwatc[...]
_[20] 서적 Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements http://www.fao.org/d[...] Food and Agriculture Organization of the United Nations
_[21] 논문 Evaluation of Daily Reference Evapotranspiration Methods as Compared with the ASCE-EWRI Penman-Monteith Equation Using Limited Weather Data in Northeast Louisiana
_[22] 논문 Mapping daily evapotranspiration at field to continental scales using geostationary and polar orbiting satellite imagery 2011-01-21
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_[24] 논문 Evapotranspiration between satellite overpasses: methodology and case study in agricultural dominant semi-arid areas 2016
_[25] 논문 Satellite-Based Energy Balance for Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration (METRIC)—Model 2007-08-01
_[26] 논문 Evapotranspiration Measurements and Modeling for Three Wetland Systems in South Florida
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_[28] 논문 The Surface Energy Balance System (SEBS) for estimation of turbulent heat fluxes 2002
_[29] 논문 Operational Evapotranspiration Mapping Using Remote Sensing and Weather Datasets: A New Parameterization for the SSEB Approach https://digitalcommo[...] 2013-05-13
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_[31] 간행물 Global estimates of the land–atmosphere water flux based on monthly AVHRR and ISLSCP-II data, validated at 16 FLUXNET sites
_[32] 간행물 Monitoring of evapotranspiration in a semi-arid inland river basin by combining microwave and optical remote sensing observations https://doi.org/10.3[...]
_[33] 간행물 Remote sensing determination of evapotranspiration – Algorithms, strengths, weaknesses, uncertainty, and best fit-for-purpose https://doi.org/10.4[...] FAO 2023
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