不同深度土壤熱擴(kuò)散系數(shù)之推估與探討課件

1、不同深度土壤熱擴(kuò)散係數(shù)之推估與探討指導(dǎo)教授:林俐玲學(xué)生:林明毅簡報大綱前言文獻(xiàn)回顧分析方法分析結(jié)果土壤溫度受到輻射能、熱能及潛能交換等能量收支的過程影響，除季節(jié)、緯度不同外，土壤性質(zhì)、含水量及植生覆蓋也是造成溫度變化的重要因素。與溫度相關(guān)的土壤參數(shù)有： 比熱容量(specific heat capacity)、 熱傳導(dǎo)度(thermal conductivity)、 熱擴(kuò)散係數(shù)(thermal diffusivity)等。前言由於每日之氣溫變化皆不相同，再加上降雨及鋒面等其他因素，造成土壤溫度變化差異甚大。導(dǎo)致目前多數(shù)研究主要僅以一日或連續(xù)兩日晴天來探討，長時間之觀測分析較不常見。本研究利用兩

2、種不同計算方法之月平均土壤熱擴(kuò)散係數(shù)，探討推估出之土壤溫度與實(shí)測值之差異。Hares et al.(1985)，土壤溫度可以正弦函數(shù)推求，但水分會造成推估之土壤溫度有所差異。Marshall and Holmes(1988)、盧惠生等(2000)，平均土壤溫度年變化之正弦曲線偏差受氣溫及太陽輻射影響，深度越深振幅越小，且週期會隨深度增加而延滯。文獻(xiàn)回顧Yafav and Saxena(1973)；Wierenga et al.(1969)等人研究顯示，土壤之熱傳導(dǎo)度與土壤粒徑、孔隙度及含水量有關(guān)。De Vries(1952)利用探針量測現(xiàn)地土壤熱傳導(dǎo)度，比對降雨資料後，認(rèn)為部分深度下土壤含水量

3、和降雨產(chǎn)生的滲透可由熱傳導(dǎo)係數(shù)之變化來驗(yàn)證。Fritton et al.(1974)、Parikh et al.(1979)、Riha et al.(1980)，水分含量對土壤熱傳度的影響大於其他物理特性的影響。Abu-Hamdeh and Reeder(2000)指出，當(dāng)水分含量固定時，熱傳導(dǎo)度隨總體密度增加而增加。沈志軒(2006)研究顯示，孔隙中之重力水隨著降雨產(chǎn)生變化，則土壤水分含量越高，土壤熱傳導(dǎo)度越高Silans et al.(1996)根據(jù)Nassar and Horton(1989)熱擴(kuò)散在非均質(zhì)土壤中之Lettau理論(1954)及穩(wěn)定週期的溫度變化，推求出之公式為： 其中K

4、(z)為熱擴(kuò)散係數(shù)，為頻率，(z)、(z)為相位角，(z)、(z)為振幅。Ddeek et al.(2005)指出，當(dāng)?shù)乇碇脖挥谐掷m(xù)幾週幾近裸露時，會導(dǎo)致深度2至5之間之年平均溫度增加約0.6。盧惠生等(2000)研究顯示，土壤溫度日週期變化為正弦曲線形式，且深度越深振幅越小。蔡子衿等(2008)發(fā)現(xiàn)溫度之年變化亦呈正弦變化。熱傳導(dǎo)度比熱容量熱擴(kuò)散係數(shù)水分固體空氣分析方法地質(zhì)主要屬中新世木山層 ，為砂頁巖互層中夾有煤層。位在屈尺斷層以西，屬西部麓山帶，土壤屬崩積土。研究試區(qū)土壤總體密度1.5g/cm3、孔隙率42.98%、田間容水量53.98%、質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土。15公尺8公尺在試區(qū)中心位置埋

5、設(shè)溫度感測器，深度分別為5、10、20、30公分，另在距地表120公分及地表處設(shè)置溫度計。設(shè)置後第一區(qū)保持裸露至草長20公分，第二區(qū)則間隔一段時間便割至株高40公分。本研究使用2004年3月至2005年1月之資料以不同深度溫度日變化、月變化做熱擴(kuò)散係數(shù)之分析。文獻(xiàn)蒐集試區(qū)選定土壤溫度資料之取得試區(qū)降雨資料之取得彙整及篩選無降雨日計算每日之熱擴(kuò)散係數(shù)分析月平均之熱擴(kuò)散係數(shù)由前人研究蒐集土壤性質(zhì)分析月平均實(shí)測與推估溫度之平均差異百分率(E%)結(jié)果與討論結(jié)論研究流程 由熱傳導(dǎo)第一定律，利用類似流體傳導(dǎo)之Darcy定律推求出：土壤溫度推估式 實(shí)際上熱傳導(dǎo)度應(yīng)有X、Y、Z三方向，但本研究主要探討與土壤深

6、度之關(guān)係，故僅列出Z方向形式。土壤溫度推估式z為土壤深度(cm)T為時間(hr)Ta為平均溫度()a為地表溫度變化之sine曲線振幅為2 /PD為熱擴(kuò)散係數(shù)tm為地表日間最大溫度之時間熱擴(kuò)散係數(shù)推估式 由實(shí)測溫度計算出熱擴(kuò)散係數(shù)，再帶回前式計算推估值，得平均差異百分率E每日之熱擴(kuò)散係數(shù)及土壤溫度之推估 分析結(jié)果地表10公分5公分20公分而每日不同深度之熱擴(kuò)散係數(shù)於5cm及10cm大致隨深度增加，達(dá)20cm時D值卻有下降，至30cm皆又增加。造成此差異可能為地表植生之根系，根系可增加土壤間之孔隙，進(jìn)而增加滲透造成水分含量之減少。Ochsner et al.(2001)，砂質(zhì)粘壤土受空氣之影響比受水分及固體之影響大，且空氣孔隙度越大會使熱傳導(dǎo)度、比熱容量及熱擴(kuò)散係數(shù)越小。本研究以兩種方法計算月平均熱擴(kuò)散係數(shù)第一區(qū)第二區(qū)D1D1D2D2D值大致在10cm20cm有下降之趨勢，之後值則又繼續(xù)上升，此情況與Alain and Bruno(1996)中利用NHS模式所推估之熱擴(kuò)散係數(shù)類似。此情形可能受雜草根系影響，亦或接近地表010公分之土壤含有砂粒，熱量傳導(dǎo)快，使得10公分之D值上升。由不同深度下實(shí)測之日平均土壤年變化及月平均土壤日變化，可得知溫度變化大致呈正弦曲線變化，振幅隨深度越深而減少，且溫度之極值亦隨深度加深而有延滯現(xiàn)象。相同深度下之熱擴(kuò)散係數(shù)，