農(nóng)業(yè)氣象學(xué)第二章溫度課件

1、第二章 溫 度 土壤溫度 空氣的溫度 溫度與農(nóng)業(yè) 熱量交換方式第一節(jié) 熱量交換方式 輻射熱交換地面大氣熱交換的主要方式 任何溫度在絕對零度以上的物體，通過輻射的放射和吸收而進(jìn)行的熱量交換方式。 分子傳導(dǎo)熱交換土壤中熱交換的主要方式 物質(zhì)通過分子碰撞，所產(chǎn)生的表現(xiàn)為熱量傳導(dǎo)的動能交換方式。 流體流動熱交換 流體在各個方向上流動時，熱量隨流體流動而輸送的熱量交換方式。 根據(jù)流體流動的方向性分為：對流、平流和亂流。 定義：流體在垂直方向上有規(guī)律的升降運(yùn)動。 作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。 分類： 對流： 分類熱力對流動力對流 作用：對大規(guī)模的熱量傳遞和緩和地區(qū)之間、緯度之間 溫度的差異起著很

2、大作用。 亂流（湍流）主要發(fā)生在貼地層 定義：流體在各方向上的不規(guī)則運(yùn)動。 分類：熱力亂流動力亂流 定義：流體在水平方向上的流動。 平流： 近地氣層亂流強(qiáng)度的時空變化： 陸地比海面強(qiáng) 山地比平原強(qiáng) 白天比夜間強(qiáng) 夏季比冬季強(qiáng) 潛熱交換物質(zhì)在進(jìn)行相態(tài)變化時所發(fā)生的熱量交換。 地面熱量收支RLEPBRLEPB（白天） 地表面熱量收支示意圖 （夜間） 地表面晝夜熱量收支平衡方程：白天：R-P-B-LE=0夜間：-R+P+B+LE=0一、地面熱量收支(平衡)第二節(jié) 土壤溫度 地表層晝夜熱量收支平衡方程：Qs Qs RLEPBLERPB（白天）（夜間）地表層熱量收支示意圖白天：R-P-B-LE=Q夜間：

3、-R+P+B+LE= -Q 熱量平衡過程 地球表面吸收太陽輻射能后，會通過各種熱量收支方式，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換和輸送而達(dá)到平衡，這樣的物理過程稱為熱量平衡過程。二、土壤的熱屬性 熱容量 定義：在熱交換過程中，物體溫度變化所需吸收或放出的熱量。 分類：質(zhì)量熱容量（比熱、比熱容）容積熱容量 質(zhì)量熱容量： 定義：單位質(zhì)量的物質(zhì)，溫度變化所需吸收或 放出的熱量。 單位：J/(kg)(或J/(g) 計算： 容積熱容量： 定義：單位體積的物質(zhì)，溫度變化所需吸收或 放出的熱量。 單位：J/(m3)(或J/(cm3) 計算： Cm 、Cv 之間的關(guān)系： 土壤熱容量分析：土壤成分容積熱容量（J/（3 ）土壤礦物質(zhì)土

4、壤有機(jī)質(zhì)水空氣1.9252.7084.1860.0013 在土壤的組成物質(zhì)中，空氣的熱容量最小，水的熱容量最大，固體成分介于兩者之間。 導(dǎo)熱率（熱導(dǎo)率） 定義及單位： 定義：指物體在單位厚度間、保持單位溫度差時，其 相對的兩個面在單位時間內(nèi)通過單位面積的熱 流量。 單位： J/（mS）(或/（m）) 熱流量方程：導(dǎo)熱率， Q：熱容量； T/Z：溫度梯度，負(fù)號表示熱流方向由高溫指向低溫。 方程的意義： 當(dāng)其他條件相同時，導(dǎo)熱率大的物質(zhì)，熱流量大，傳熱速度快；反之則小。 土壤成分導(dǎo)熱率（W/（） 土壤礦物質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)水空氣0.02930.019970.006280.0002093 土壤中固體成分的

5、導(dǎo)熱率最大，水居中，空氣最小。 土壤導(dǎo)熱率分析： 土壤導(dǎo)熱率影響因子： 土壤含水量 土壤孔隙度 單位：2 /S(或2 /S) ：導(dǎo)溫率，：導(dǎo)熱率，：容積熱容量。 定義：單位容積的物質(zhì)，通過熱傳導(dǎo)，由垂直方向獲 得或失去焦耳（J）的熱量時，溫度升高或降 低的數(shù)值稱為導(dǎo)溫率。 計算公式： 導(dǎo)溫率（導(dǎo)溫系數(shù)、熱擴(kuò)散率） 定義及單位： 土壤導(dǎo)溫率分析：砂土的熱特性與土壤濕度的關(guān)系 土壤濕度較小的 情況下，導(dǎo)溫率 隨著土壤濕度的 增大而增加； 當(dāng)土壤濕度增加 到一定程度后， 土壤導(dǎo)溫率卻呈 現(xiàn)出減小的趨勢。 土壤導(dǎo)溫率對土壤溫度分布的影響： 直接決定著土壤溫度的垂直分布及最高、最低溫度出現(xiàn)的時間。三 、

6、地面和土壤溫度的變化 表征溫度變化的幾個物理量 較差：指一定周期內(nèi)，溫度最高值與最低值之差。 日較差：一日內(nèi)最高溫度與最低溫度之差。 年較差：一年中最熱月平均溫度與最冷月平均溫度之差。 絕對年較差：年極端最高氣溫與極端最低氣溫之差。 位相：最高溫度與最低溫度出現(xiàn)的時間差。 、地面溫度和熱量收支的關(guān)系（日變化和年變化）地面溫度變化與地面熱量收支示意圖1地面溫度日變化曲線；2地面熱量支出日變化曲線；3地面輻射收入日變化曲線。Tm：地面最低溫度；TM：地面最高溫度 一天中地面最高溫度、地 面最低溫度出現(xiàn)在地面熱 量收支相抵（平衡）的時 刻。 一年中地面最熱月溫度， 一般出現(xiàn)在月或月， 地面最冷月溫度

7、一般出現(xiàn) 在月或月。 、土壤溫度的變化 時間變化 日變化 日較差的影響因子：(1)太陽高度 (2)土壤熱特性 (3)土壤顏色 (4)地形 (5)天氣 日恒溫層（土溫日不變層）：土壤溫度日較差為零時的深度。 日恒溫層深度：一般深度約為4080，平均為60。 土壤溫度的年變化 年恒溫層（年溫度不變層）：土壤溫度的年較差為零時的深度。 日恒溫層的影響因子：緯度、季節(jié)、土壤熱特性 土壤溫度位相： 土壤溫度位相落后于地面溫度，土層越深，位相落后越多。 年較差：緯度 深度 極值：出現(xiàn)時間，位相。 四、土壤溫度的垂直分布 日分布 日射型（受熱型）：土壤溫度垂直分布圖中13時 輻射型（放熱型）：圖中01時 上

8、午轉(zhuǎn)變型（由輻射型向日射型過渡）：圖中07時 傍晚轉(zhuǎn)變型（由日射型向輻射型過渡）：圖中19時 年分布 放熱型、受熱型和過渡型。 影響土溫變化的因素 土壤本身的物理特性： 土壤濕度 土壤顏色 土壤機(jī)械組成及腐殖質(zhì) 外界條件： 地面覆蓋物 地形和天氣條件 五、土壤的凍結(jié)和解凍 土壤凍結(jié)：當(dāng)土壤溫度降低到0以下時，土壤中方水分與潮濕土粒發(fā)生凝固或結(jié)冰，使土壤變得非常堅硬，這就是土壤凍結(jié)。凍結(jié)的土壤稱為凍土。 影響因素 天氣 土壤結(jié)構(gòu) 土壤濕度 地勢 地表積雪 植被狀態(tài) 分布：自北向南逐漸減少 土壤凍結(jié)的影響： 土壤解凍后變疏松，利于空氣流通和水分滲透 地下水位不深的地區(qū)使得下層水汽向上擴(kuò)散，增加耕作

9、層水分儲量 增加喬木抗風(fēng)性造成植物生理干旱掀聳現(xiàn)象 相關(guān)措施播種前 鎮(zhèn)壓土壤農(nóng)產(chǎn)品窖藏考慮最大凍土深度三、 水體的溫度、水體熱量傳播的特點 水體中的輻射特點 水體反射率小于陸地 水體吸收率達(dá)于陸地 水體易吸收長波，散射短波，水中懸浮物散射長波。 水體中的熱量平衡特性 熱量平衡公式 R0HLEQAR0：水體凈輻射量，H：水面與大氣熱量交換的感熱通量密度；LE：水體的潛熱通量密度；Q：水體熱儲存變量；A：因水體流動產(chǎn)生的水平方向的熱輸送通量密度。 特性 海洋熱量平衡的主要輸出項是水體蒸發(fā)潛熱。 海洋可以通過洋流來在水平方向傳送熱量。 水體溫度的變化 時間變化 日變化： 水面最高溫度出現(xiàn)在午后151

10、6h，最低溫度出現(xiàn)在日出后的23h內(nèi)。 年變化： 水面最高溫度一般出現(xiàn)在8月，最低溫度則出現(xiàn)在23月。 日、年較差：均小于陸地 位相： 最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時間，大約每深入60落后一個月。 垂直變化 琵琶湖水溫的垂直分布 夏季：水表層趨于等溫分布。在等溫層以下有一個躍變層。躍變層以下是等溫層。 冬季：水溫的垂直分布幾乎呈等溫狀態(tài)。當(dāng)水面溫度降到4以下時，表層冷水不再下沉，使水面以下的水溫在4左右。 第二節(jié) 空氣溫度一、大氣中的熱量交換方式 空氣與下墊面輻射、分子傳導(dǎo)、潛熱交換。 大氣中 平流：主宰季節(jié)更替和天氣冷暖變化。 對流：是對流性降水的主要原因。 亂流：對一些低云和霧的生消起重要的作

11、用。 潛熱交換：對氣溫的升降、大氣中水分的三態(tài)相變起 著不可替代的作用。 絕熱與非絕熱變化絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，未與外界進(jìn)行熱量交換。非絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，與外界進(jìn)行熱量交換。 近地層氣溫的日變化 極值溫度出現(xiàn)的時間 影響氣溫日較差的因子 緯度：隨緯度增加而減小。 季節(jié)：夏季冬季，一年中春季氣溫日較差最大。季節(jié)最高氣溫最低氣溫夏季1415h0506h冬季1314h0405h二、空氣溫度的時間變化 天氣狀況： 下墊面性質(zhì)：陸地海洋覆蓋地裸地沙土、深色土、干松土粘土、淺色土、潮濕土晴天陰天 近地層氣溫的年變化 最冷、最熱月出現(xiàn)的時間 最熱月最冷月大陸性氣候區(qū)季風(fēng)氣候區(qū)7月1月海洋

12、性氣候區(qū)8月2月 地形：凹地平地 凸地 氣溫年較差的影響因子 緯度：隨緯度增加而增大。 距海遠(yuǎn)近：遠(yuǎn)海區(qū)近海區(qū) 地形及天氣狀況：同與 日較差 近地層氣溫的非周期變化三、氣溫的空間變化 近地層氣溫的水平分布 等溫線大部分（尤其是南半球）趨向于接近東西向排列， 氣溫從赤道向兩極逐漸降低。 冬季北半球的等溫線在大陸上大致凸向赤道，在海洋上大 致凸向極地，而夏季則相反。 最高溫度不位于赤道，冬季在510N，夏季在20 N 。 赤道附近的氣溫年變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅 度也增加。 世界冷極在南極，為90 （喬治峰），熱極在索馬里 境內(nèi)，為63 。 近地層氣溫的垂直分布近地氣層溫度的垂直分布 日

13、射型：圖中12時 輻射型：圖中0時 上午轉(zhuǎn)變型：圖中06時 傍晚轉(zhuǎn)變型：圖中18時 對流層氣溫的垂直變化 氣溫直減率 定義：氣溫隨高度變化的程度。 表達(dá)式： Z：兩高度高度差，T兩高度相應(yīng)的氣溫差；負(fù)號表示氣溫垂直分布的方向。 0，氣溫隨高度的增加而降低；0，氣溫隨高度的增高而升高。的絕對值越大，氣溫隨高度變化差異越大。 各個層次上的氣溫直減率 整個對流層平均氣溫直減率：0.65/hm 對流層上層： 0.30.4 /hm 對流層中層：0.50.6 /hm 對流層下層： 0.650.75 /hm 空氣干絕熱變化四、空氣絕熱變化 干絕熱過程的幾個概念 干絕熱過程 空氣是干空氣或未飽和的濕空氣（沒有

14、水汽凝結(jié)），與外界之間無熱量交換時（dQ=0）的狀態(tài)變化過程。 絕熱增溫 當(dāng)空氣塊下降過程中，因外界氣壓增大，外界對氣塊作功，在絕熱的條件下，所作的功只能用于增加氣塊的內(nèi)能，因而氣塊溫度升高。這種因氣塊下沉而使溫度上升的現(xiàn)象，稱為絕熱增溫。 絕熱冷卻 當(dāng)空氣塊上升過程中，因外界氣壓減小，氣塊體積膨脹，對外作功，在絕熱的條件下，作功所需的能量，只能由其本身內(nèi)能來負(fù)擔(dān)，因而氣塊溫度下降。這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為絕熱冷卻。 干絕熱直減率（d ） 在大氣靜力平衡的條件下，干空氣和未飽和的濕空氣因作干絕熱升降運(yùn)動而引起氣塊溫度隨高度的變化率，稱之為干絕熱直減率。 概念 濕絕熱過程 飽和

15、濕空氣在上升或下降的絕熱變化過程中，會產(chǎn)生水的相變，從而釋放或吸收熱量使空氣塊的內(nèi)能發(fā)生變化，稱此過程為濕絕熱過程。 濕絕熱過程中的溫度變化率。 對m變化的解釋 m不是常數(shù)，它是氣壓和溫度的函數(shù)，隨著氣壓的減小、溫度的升高而減小。 空氣濕絕熱變化 濕絕熱直減率（m ）五、大氣靜力穩(wěn)定度 大氣靜力穩(wěn)定度的概念 處在靜力平衡狀態(tài)中的大氣，空氣因受外力因子的擾動后，大氣層結(jié)（溫度和濕度的垂直分布）有使其返回或遠(yuǎn)離原來平衡位置的趨勢或程度，稱之為大氣靜力穩(wěn)定度。 定義 分類 穩(wěn)定 假如有一塊空氣在外力的作用下，產(chǎn)生垂直運(yùn)動，但外力除去后： 若氣塊逐漸減速，趨于回到原位，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而

16、言是穩(wěn)定的。 中性 若既無回到原位，有無繼續(xù)加速先前的趨勢，而是保持原有運(yùn)動狀態(tài)，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是中性的。 不穩(wěn)定 若氣塊按原方向加速運(yùn)動，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是不穩(wěn)定的。 大氣靜力穩(wěn)定度的判斷 判斷標(biāo)準(zhǔn) 通常用氣溫直減率（）與上升氣塊的干絕熱直減率（d）或濕絕熱直減率（m）的對比來判斷。 判斷方法擾動方向高度（m）100200300131211131211131211=0.8=1.0=1.211.212.012.811.012.013.010.812.013.2GFGFGFA: d 不穩(wěn)定合力方向 對于未飽和空氣d 不穩(wěn)定；=d 中性；m 不穩(wěn)定；=m 中性

17、；m 穩(wěn)定。 綜合判據(jù) 愈大，大氣愈不穩(wěn)定； md時，大氣為絕對穩(wěn)定； mh2 定義因整層空氣下沉而造成的逆溫，稱為下沉逆溫。 形成過程 天氣狀況 下沉逆溫常與輻射逆溫結(jié)合形成一個從地面開始有數(shù)百米厚的逆溫層，并出現(xiàn)溫度升高，干燥晴朗的好天氣。 其他逆溫 鋒面逆溫 冷暖空氣相遇時，較輕暖空氣爬到冷空氣上方，在冷暖空氣交界面附近（即鋒面附近）出現(xiàn)的逆溫，稱為鋒面逆溫。 逆溫層冷空氣暖空氣 融雪逆溫 在積雪地區(qū)，因暖空氣流經(jīng)冰、雪表面產(chǎn)生融冰、融雪現(xiàn)象，而冰雪的融化需要從近地面氣層吸收大量的熱量，從而使貼近地層的氣溫較低，形成逆溫，這種逆溫稱為融雪逆溫。 暖空氣吸熱融雪冰雪面 地形逆溫 在山區(qū)夜間

18、，由于山上冷空氣沿斜坡向下移動到低洼地區(qū)并聚積于底部，使原來在洼地底部的較暖空氣被迫抬升形成的逆溫，稱為地形逆溫。 冷空氣暖空氣冷空氣暖空氣 逆溫的實際應(yīng)用 農(nóng)業(yè)上常利用逆溫層防寒避凍；工業(yè)上避開逆溫出現(xiàn)的時間來排放污染物質(zhì)。 第三節(jié) 溫度與農(nóng)業(yè)一、植物生命活動的基本溫度 三基點溫度對大多數(shù)植物來說，維持生命的溫度一般在-1050之間，生長溫度在540之間，發(fā)育溫度在1035之間。溫度對于植物生命、生長和發(fā)育過程的影響有3個基本點溫度，簡稱三基點溫度，即最適溫度、最低溫度和最高溫度。生命溫度生長溫度發(fā)育溫度致死 最低 最適 最高 致死10 0 5 10 20 30 35 40 50（ ） 受害

19、、致死溫度植物遇低溫而導(dǎo)致的受害或致死，稱冷害和凍害。在凍結(jié)溫度以上的低溫危害稱冷害或寒害，凍結(jié)溫度以下的危害則稱為凍害。植物因溫度過高而造成的危害稱熱害。溫度日較差大有利于有機(jī)質(zhì)的積累。溫度日較差大還有利于作物品質(zhì)的提高。氣溫年較差也影響著作物的生長發(fā)育，而且必要的高溫對某些喜熱作物是不可缺少的。 二、周期性變溫對植物的影響在三基點溫度之外，還可以確定最高與最低受害、致死溫度，統(tǒng)稱為5個基本溫度指標(biāo)。三、農(nóng)業(yè)界限溫度 0以上持續(xù)的日數(shù)稱為農(nóng)耕期。 5以上持續(xù)日數(shù)稱生長期或生長季。 10以上的持續(xù)時期為喜溫作物的生長期。 15表示喜溫作物積極生長。 20是水稻安全抽穗、開花的指標(biāo)。 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有普遍意義的，標(biāo)志某些重要物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動的開始、終止或轉(zhuǎn)折的溫度叫農(nóng)業(yè)界限溫度，簡稱界限溫度。四、土溫對植物的影響 大多數(shù)作物根區(qū)溫度在2030時生長最快。土溫對作物的影響主要有以下幾個方面： 土溫影響種子發(fā)芽、出苗 土溫與根系的生長