《農(nóng)業(yè)氣象學(xué)》第3章溫度課件

1、第3章 溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量，溫度的升高或降低表示物體內(nèi)部分子平均動(dòng)能的增加或減少。溫標(biāo)：攝氏，華氏，開(kāi)氏3.1 熱量交換方式3.2 土壤溫度3.3 水體溫度3.4 空氣溫度3.5 溫度和植物思考題3.1 熱量交換方式3.1.1 輻射熱交換：任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都能通過(guò)輻射的放射和吸收。3.1.2 分子傳導(dǎo)熱交換：任何物質(zhì)都是由處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分子組成，物質(zhì)通過(guò)分子碰撞，產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)。分子傳導(dǎo)熱交換是土壤中熱交換的主要方式。也是貼地氣層與地面之間、層流或片流的氣層之間熱能傳遞的方式。3.1.3 流體流動(dòng)熱交換：按流體流動(dòng)的方向性可分為：對(duì)流、平流和亂流。3.1.3.1 對(duì)

2、流：流體在垂直方向上有規(guī)律的升降運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為對(duì)流（熱力、動(dòng)力兩種方式） 。3.1.3.2 平流、大規(guī)模流體水平方向上的流動(dòng)稱(chēng)為平流（冷、暖）3.1.3.3 亂流：流體在各方向上的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為亂流，也稱(chēng)湍流。3.1.4 潛熱交換：物質(zhì)在進(jìn)行相態(tài)變化時(shí)所發(fā)生的熱量交換稱(chēng)為潛熱交換。3.2 土壤 溫度3.2.1 地面熱量收支平衡 （一）活動(dòng)層和活動(dòng)面活動(dòng)面：凡是輻射能、熱能和水分交換最活躍，從而能調(diào)節(jié)鄰近氣層（或土層）的輻射收支、溫度高低或濕度大小的物質(zhì)面，稱(chēng)為活動(dòng)面，又稱(chēng)作用面?；顒?dòng)層：它是指能夠調(diào)節(jié)自身內(nèi)部及相鄰其它物質(zhì)層的輻射、熱量、水分分布的物質(zhì)層。（二）地面熱量收支（地面熱量平衡）：地面熱量

3、收入與支出之差（ 圖3-1 圖3-2） QS=R+P+B+LE：感熱通量（湍流熱通量或感熱通量）地表面與大氣之間的亂流交換熱通量。 B：土壤熱通量 地表面與下層土壤間的分子傳導(dǎo)熱通量 LE：潛熱通量 地表水分蒸發(fā)或凝結(jié)時(shí)消耗或放出的熱量 R地面凈輻射 Qs 地表層儲(chǔ)存的熱量3.2.2 土壤熱特性在其他條件不變的前提下，物質(zhì)中熱量交換的強(qiáng)度及溫度分布和變化，取決于物質(zhì)的熱屬性。物質(zhì)的熱屬性包括熱容量、導(dǎo)熱率和導(dǎo)溫率等。3.2.2.1熱容量：在一定過(guò)程中，單位物體溫度變化所需吸收或放出的熱量，稱(chēng)為熱容量。分質(zhì)量熱容量Cm (又稱(chēng)比熱或比熱容)和容積熱容量Cv兩種。顯然，熱容量是表示物體升溫快慢的一

4、個(gè)基本量 二者之間的關(guān)系為:Cm ：水土氣Cv ：水土氣影響土壤熱容量改變的主要因素是土壤中水分和空氣所占的比例。土壤濕度增大時(shí)，空氣含量少，熱容量增大；土壤濕度小時(shí)，空氣含量多，熱容量小。另外，熱容量還隨土壤孔隙度的增大而減小。3.2.2.2導(dǎo)熱率（熱導(dǎo)率）： 導(dǎo)熱率是指物體在單位厚度間、保持單位溫度差時(shí)，其相對(duì)的兩個(gè)面在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱流量，其單位是J.m-1.S-1.-1(或.m-1.-1)。物質(zhì)的導(dǎo)熱率只取決于物質(zhì)本身的物理性質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)不同部位之間存在溫差時(shí)，就會(huì)借分子熱傳導(dǎo)的方式產(chǎn)生熱能的傳遞，熱流的方向總是由高溫指向低溫。熱通量 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的熱量Q（B)與導(dǎo)熱

5、率的關(guān)系：T/Z為溫度梯度。 1 土壤導(dǎo)熱率表示土壤內(nèi)由溫度高的部分向溫度低的部分傳遞熱量的能力。2 土壤導(dǎo)熱率的大小取決于它的土壤中水 、土 、 氣所占的比例。3、濕度、孔隙 有機(jī)質(zhì)3.2.2.3 導(dǎo)溫率 K導(dǎo)溫率是指單位容積的土壤，由于流入（或流出）數(shù)量為的熱量后，溫度升高（或降低）的數(shù)值導(dǎo)溫率影響土壤溫度的垂直分布及最高、最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間。在其它條件相同時(shí),導(dǎo)溫率越大,土壤表面溫度變化越小，而土壤內(nèi)溫度變化則越大。同時(shí)，土壤溫度變化所及的深度也越深，各深度最高和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間較地表滯后的就越少。比較： 灌溉地與干燥地、疏松與緊密土壤、平整與粗糙土壤的，最低、最高溫度 熱特性容積熱容

6、量（*106J/m3C)導(dǎo)熱率(j/m.s.c)導(dǎo)溫率*10-6m2/s固體2.052.430.82.080.390.15空氣0.00130.02116水4.190.590.153.2.3 土壤溫度隨時(shí)間的變化 周期性變化： 通常是以最高值、最低值、較差和位相等來(lái)表示的。對(duì)于溫度，最高溫度、最低溫度是指在一定周期變化中所出現(xiàn)的最高值和最低值。較差是指一個(gè)周期中最高溫度和最低溫度的差值。一日中最高溫度和最低溫度之差為日較差，一年之中最熱月月平均溫度和最冷月月平均溫度之差為年較差。最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間為位相。3.2.3.1 土壤溫度的日變化土壤溫度在一晝夜間的連續(xù)變化!稱(chēng)為土壤溫度的日變化

7、地面溫度和熱量收支的關(guān)系 圖： 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(xiàn)；2地面熱量支出日變化曲線(xiàn)；3地面熱量收入日變化曲線(xiàn)。Tm：地面最低溫度； TM：地面最高溫度一天中：地面最低、最高溫度不出現(xiàn)在地面失熱、得熱最多的時(shí)刻，而是出現(xiàn)在地面熱量收支相抵的平衡時(shí)刻。一年中：地面最熱月溫度，一般也不出現(xiàn)在地面獲得熱量最多的月，而是出現(xiàn)在月或月，相應(yīng)地，地面最冷月溫度一般出現(xiàn)在月或月。土表溫度的變化是周期性變化 （圖3-3）（一） 位相1、土壤溫度的日變化呈連續(xù)性變化，有一個(gè)最高值（13時(shí)左右）和一個(gè)最低值（日出前后）。土層越深，位相落后越多。一般深度每增加10，最高和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間

8、落后約2.53.5h。日恒溫層：土表溫度日較差最大，越向深層越小，至一定深度后，日較差為零，該深度為日恒溫層，一般約為40100，平均為70。具體深度隨緯度、季節(jié)和土壤熱特性而變。（二）較差 （日較差、年較差）影響土表溫度日較差的主要因素有（1）土壤濕度 （2）土壤顏色（3）土壤機(jī)械組成和腐殖質(zhì)（4）地面覆蓋物 （5）地形和天氣條件 （6）太陽(yáng)高度角（緯度 ）日較差、年較差差異（7）粗糙度 （8）Cv 、 此外，凡是影響土壤輻射、水分、熱量的交換和熱屬性的其它因素，都影響到土溫變化3.2.3.2 土壤溫度的年變化（圖3-4）土壤溫度的年變化呈連續(xù)性變化土表溫度月平均最高7-8月，最低1-2月年

9、恒溫層：土壤溫度的年變化也隨著深度的增加而減小，直到一定深度時(shí)年較差為零，這個(gè)深度為年恒溫層，低緯約520處；高緯約25左右。位相也隨深度的增加而延遲，平均每深約延遲2030天影響土壤溫度年較差的主要因素有 緯度、海拔、地形、下墊面條件等3.2.3.3 土壤溫度的變化規(guī)律 （理論分析）3.2.4 土壤溫度的垂直分布（圖3-5、圖3-6） （1）日射型（受熱型）（2）輻射型（放熱型）（3）上午轉(zhuǎn)變型 （4）傍晚轉(zhuǎn)變型 此外，在日射型和輻射型之間的過(guò)渡時(shí)段內(nèi)，有可能出現(xiàn)等溫過(guò)程。3.3 水體溫度3.3.1、影響水體溫度變化的因素1 水面的反射率比陸面的反射率小2 水體是一種具有一定透明度的流體，太

10、陽(yáng)輻射能在水體中傳播較深3 流動(dòng)性，可使能量迅速輸送。4 大量能量消耗在潛熱上。5 熱容量大，溫度變化比土壤小水體中的熱量平衡特性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(chǔ)存變量；A：因水體流動(dòng)產(chǎn)生的水平方向的熱輸送通量密度。綜上所述，水體的熱量狀況與土壤差別很大，因而造成了水體溫度的變化比土壤要小得多。3.3.2、水體溫度的變化（一）水體溫度的時(shí)間變化日變化：水面最高溫度出現(xiàn)在午后1516h，最低溫度出現(xiàn)在日出后的23h內(nèi)。年變化：水面溫度極值出現(xiàn)的時(shí)間，深水湖和內(nèi)海要比陸地滯后一個(gè)月左右。水面最高溫度一般出現(xiàn)在8月；最低溫度則

11、出現(xiàn)在23月。日較差：在中緯度湖面上25，洋面0.10.5；年較差：深水湖和內(nèi)海表面的溫度1520，海洋上：熱帶地區(qū)為24，中緯度地區(qū)為58。垂直方向上：水溫日較差和年較差隨深度加深而減小，日變化消失層深度可達(dá)1520，年變化可傳到100150深處，隨著深度增加，水溫位相落后，（二）水溫垂直變化等溫層 躍變層 等溫層。 在冬季，水體表面有效輻射強(qiáng)，水溫下降，密度增大，表層較冷，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(shí)，因水的膨脹作用，水的密度變小，表層冷水不再下沉，使水面以下的水溫在4左右。3.4 空氣溫度3.4.1、空氣溫度的時(shí)間變化3.4.2、氣溫的空間分布特點(diǎn)3.4.3、空氣

12、的絕熱變化3.4.4、大氣靜力穩(wěn)定度3.4.1、空氣溫度的時(shí)間變化3.4.1.1 日變化 周期性變化，單波變化最高出現(xiàn)在1315時(shí)（夏14-15、冬13-14） 最低出現(xiàn)在日出前后。位相比土溫落后1小時(shí)； 日較差小于土溫； 高度增加，氣溫日較差減小。 影響因子( 日較差 ）（1） 緯度：氣溫日較差隨緯度的增加而減小,熱帶氣溫日較差平均為1020；溫帶為89；極地只有34。（2）季節(jié)：一般夏季氣溫日較差大于冬季，而一年中氣溫日較差在春季最大。（3）地形：凸出地形因風(fēng)速較大小于凹地。（4）下墊面性質(zhì)：陸地上氣溫日較差大于海洋，而且距海愈遠(yuǎn)，日較差愈大。沙土、深色土、干松土的氣溫日較差大于粘土、淺色

13、土和潮濕土。在有植物覆蓋的地方，氣溫日較差小于裸地。（5） 晴天氣溫日較差大于陰天；大風(fēng)天，氣溫日較差?。?） 空氣濕度 一般空氣濕度大 日較差較小3.4.1.2 年變化氣溫的年變化與地面溫度的年變化十分相似。大陸性氣候區(qū)和季風(fēng)性氣候區(qū)，一年中最熱月和最冷月分別出現(xiàn)在7月和1月，海洋性氣候區(qū)落后一個(gè)月左右，分別出現(xiàn)在8月和2月。影響氣因子（年較差）：1、 緯度：氣溫年較差隨緯度的增高而增大在赤道地區(qū)， 10左右，中緯度地區(qū)20左右，高緯度地區(qū)可達(dá)30。我國(guó)華南地區(qū)和云貴高原為1020；長(zhǎng)江流域2030；華北和東北南部為3040；東北北部在40以上。2 、距海遠(yuǎn)近：近海年較差小，越向大陸中心，年

14、較差越大。溫帶海洋上：11，大陸上：2060。3、地形及天氣狀況3.4.1.3 非周期變化幅度和時(shí)間沒(méi)有一定的周期，視氣流的冷暖性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀況而不同。在中高緯度地區(qū)，由于冷暖空氣交替頻繁，氣溫非周期變化比較明顯。氣溫的非周期變化，可以加強(qiáng)或減弱甚至改變氣溫的周期性變化。實(shí)際上，一個(gè)地方氣溫的變化是周期性變化和非周期性變化共同作用的結(jié)果。氣溫的空間分布水平分布特點(diǎn)（1） 等溫線(xiàn)趨向于接近東西向排列，赤道地區(qū)向兩極逐漸降低。（2）冬季北半球的等溫線(xiàn)在大陸上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向極地，而夏季相反。（3）最高溫度帶并不位于赤道上，而是冬季在510S處，夏季移到20N左右。（4）赤道附近的氣溫年

15、變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅度也增大。（5）世界冷極出現(xiàn)在南極，為-90；熱極出現(xiàn)在索馬里境內(nèi)，為63。我國(guó)境內(nèi)絕對(duì)最高氣溫出現(xiàn)在吐魯番，達(dá)48.9；絕對(duì)最低氣溫在漠河，為-52.3。 3.4.2 氣溫的垂直分布3.4.2.1 氣溫垂直遞減率：高度每變化100米溫度變化的數(shù)值T = T2 -T1 Z = Z2-Z1A 大?。?0.65h-1 例：高度 （米） 0 300 500 750 溫度 31.5 28.2 24.3 21.2B 影響：陸地海洋沙漠、燥土淺草地、濕土晴天、無(wú)風(fēng)天氣陰天，有風(fēng)天氣 近地層氣溫的垂直分布類(lèi)型 （1）日射型 （2）輻射型（3）上午轉(zhuǎn)變型 （4）傍晚轉(zhuǎn)變型 3

16、 .4.2.2 對(duì)流層中的逆溫：在一定條件下，氣溫隨高度的增高而增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆溫逆溫層：發(fā)生逆溫的氣層稱(chēng)為逆溫層。（1）分類(lèi)：（一）輻射逆溫：夜間由地面、雪面或冰面等輻射冷卻形成。逆溫厚度一般為200300。高緯冬季有時(shí)可達(dá)2,000左右（圖3-9）。1、形成原因 地面有效輻射2、形成有利的條件 (1) 土壤條件 Cv 、 小的土壤； 地表粗糙的土壤；洼地、山谷。（2） 天氣條件 有效輻射大的天氣條件下容易形成。晴天、微風(fēng)的夜晚3、出現(xiàn)時(shí)間 大陸上每個(gè)季節(jié)都能出現(xiàn) 中緯度地區(qū)多出現(xiàn)在秋、冬季節(jié)。 一般日出后2小時(shí)左右消失（二）平流逆溫：暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上冷卻形成1、出現(xiàn)時(shí)間

17、 北半球多發(fā)生在冬季（海陸）秋季 （南北）特點(diǎn)：范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng) （2）意義：A 農(nóng)產(chǎn)品避凍貯藏 B 化學(xué)防治病蟲(chóng)害 C 加劇空氣污染 3.4.3、空氣絕熱變化和大氣穩(wěn)定度3.4.3.1 空氣的絕熱變化 絕熱變化：與外界不發(fā)生熱量交換而引起溫度變化。（絕熱冷卻、絕熱增溫）（一） 干絕熱變化：指干空氣或未飽和的濕空氣，在絕熱上升或下降過(guò)程中的溫度變化 干絕熱直減律 d ：干絕熱變化中高度每變化100米溫度變化的數(shù)值d0.98hm-1或1hm-1濕絕熱變化：始終保持飽和狀態(tài)的一團(tuán)濕空氣在做絕熱升降過(guò)程中的溫度變化濕絕熱直減律m ： 濕絕熱過(guò)程中 高度每變化100米 溫度變化的數(shù)值m與氣壓變化和潛

18、熱有關(guān)。 m不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù)。平均為0.5 /1003.4.3.2、大氣靜力穩(wěn)定度（一）大氣靜力穩(wěn)定度的概念大氣靜力穩(wěn)定度：在靜力平衡狀態(tài)的大氣中，空氣團(tuán)受到外力因子的擾動(dòng)后，大氣層結(jié)（溫度和濕度垂直分布）有使其返回或遠(yuǎn)離原來(lái)平衡位置的趨勢(shì)或程度。（1） 若氣塊逐漸減速，趨于回到原位，則大氣是穩(wěn)定的。（2）若氣塊仍按原方向加速運(yùn)動(dòng)，則大氣是不穩(wěn)定的。（3）若氣塊保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則大氣是中性的。二）判斷（圖3-11） A：d,m穩(wěn)定B：d，m中性狀態(tài)。 C：d，m不穩(wěn)定。結(jié)論：愈大，大氣愈不穩(wěn)定。愈小，大氣愈穩(wěn)定。當(dāng)m時(shí)，必然d，稱(chēng)為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)d時(shí)，必然m，稱(chēng)為絕對(duì)不穩(wěn)定。當(dāng)d

19、m時(shí)，對(duì)于飽和空氣來(lái)說(shuō)，大氣是處于不穩(wěn)定狀態(tài)的；對(duì)于未飽和空氣來(lái)說(shuō)，大氣又是處于穩(wěn)定狀態(tài)的。這種情況稱(chēng)為條件性不穩(wěn)定狀態(tài)。 3.4.4 溫度和植物熱量是生命活動(dòng)的重要條件之一，也是農(nóng)業(yè)環(huán)境的一個(gè)重要因子。在研究熱量條件與動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系時(shí)，一般都用溫度這個(gè)物理量表示。本章闡述土溫、水溫和生物體體溫的生物學(xué)意義；分析氣溫變化對(duì)農(nóng)業(yè)生物、農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)事活動(dòng)的影響，同時(shí)提供幾種積溫的求算方法及在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。一 溫度的生物學(xué)意義二 溫度與農(nóng)業(yè)三 積溫及其應(yīng)用 3.4.4.1 溫度的生物學(xué)意義1、三基點(diǎn)：生物學(xué)下限溫度、最適溫度和生物學(xué)上限溫度五基點(diǎn)：最低、最高至死溫度 不同生物的三基點(diǎn)溫度是不同

20、的。 共同特征： 三基點(diǎn)溫度都不是一個(gè)具體的溫度數(shù)值，而是有一定的變化范圍。 無(wú)論是生存、生長(zhǎng)還是發(fā)育，其最適溫度基本上是同一個(gè)變幅范圍。 各種生物最高溫度差異小，最高溫度接近最適溫度，但實(shí)際上很少遇到。 不同生物的最低溫度差異很大，最低溫度B） 有效積溫 A一段時(shí)間內(nèi)有效溫度的總和 有效溫度：活動(dòng)溫度與生物學(xué)下限之差稱(chēng)為有效溫度n為該時(shí)段日數(shù)，ti為第i日平均溫度，為該發(fā)育階段的生物學(xué)下限溫度。 凈效積溫：實(shí)際溫度超過(guò)該生育期的最高溫度時(shí)，其超過(guò)部分對(duì)生物的發(fā)育是無(wú)效的，其活動(dòng)溫度應(yīng)以最高溫度代替t0為最高溫度； n為tit0的天數(shù)； 為生育期內(nèi)溫度超過(guò)t0的天數(shù) 界限凈效積溫 A1 負(fù)積溫 t00c 冬季一段時(shí)間內(nèi)低于00c 的日平均溫度之和 地積溫 一段時(shí)間內(nèi)某一深度土壤溫度的日平均溫度之和2、積溫的穩(wěn)定性(一)積溫的穩(wěn)定性，（不穩(wěn)定原因） (1）積溫學(xué)說(shuō)的假 設(shè) （2）環(huán)境因素的干擾：日平均，氣溫日較差，海拔（3）生物個(gè)體之間的差異 （4）人為造成的誤差 （5）光照的影響(二)改進(jìn)：（1）光照條件訂正：對(duì)光周期比較敏感。（2）積溫的溫度條件訂正：溫度對(duì)作物發(fā)育速度的影響是不