土壤溫度的垂直變化課件

溫度：分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的反映。內(nèi)能：動(dòng)能和勢(shì)能。改變內(nèi)能的物理過(guò)程有做功和熱傳遞兩種方式。熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律

W＋Q＝ΔE熱力學(xué)第二定律：熱量從高溫物體傳到低溫物體，方向是不可逆的。第三章溫度

第一節(jié)熱力學(xué)基本知識(shí)

一、基本概念和定律溫度：分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的反映。第三章溫度

第一節(jié)

1、

輻射（Radiation）

輻射能被體物吸收時(shí)發(fā)生熱的效應(yīng)，物體吸收的輻射能不同，所產(chǎn)生的溫度也不同。因此，輻射是能量轉(zhuǎn)換為熱量的重要方式。2、分子傳導(dǎo)(Molecularconduction)

分子在不停地做著布朗運(yùn)動(dòng),分子有攜帶著各種物理屬性,如熱量、水汽、CO2等；當(dāng)分子不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于分子間互相碰撞，同時(shí)也進(jìn)行著屬性的交換，完成熱量和水分的輸送。那么分子運(yùn)動(dòng)有多快呢？

空氣分子運(yùn)動(dòng)速度V=485m/s=1746km/h。二、熱量的傳遞方式

1、輻射（Radiation）二、熱量的傳遞方式對(duì)流(Convection)－空氣垂直運(yùn)動(dòng)：

熱力對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流湍流(Turbulence)－大團(tuán)空氣向垂直和水平方向作無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。大氣湍流就是日常感覺(jué)到一陣陣的風(fēng)，它的風(fēng)向和風(fēng)速經(jīng)常在變化，呈不規(guī)則的渦狀運(yùn)動(dòng)，所以又叫湍渦。它是一大團(tuán)空氣——片流層以外到湍流層就是一大團(tuán)一大團(tuán)空氣一起運(yùn)動(dòng)，使傳導(dǎo)屬性的能力大大增強(qiáng)，速度大。平流（Advection）－空氣的水平運(yùn)動(dòng)（風(fēng)）3.流體熱交換：對(duì)流、平流和湍流對(duì)流(Convection)－空氣垂直運(yùn)動(dòng)：3.流體熱交換：4.潛熱交換：水三相變化過(guò)程中伴隨著潛熱交換，且相變潛熱隨溫度而變化。蒸發(fā)潛熱與溫度關(guān)系：L＝２５００－２.４t

式中，L是蒸發(fā)潛熱，單位為J／g。當(dāng)t＝２０℃時(shí)，L≈２５００J／g。當(dāng)溫度變化不很大時(shí)，L的變化較小，所以在作物生長(zhǎng)季節(jié)（１５～２５℃左右），一般取L＝２４５０J／g。4.潛熱交換：水三相變化過(guò)程中伴隨著潛熱交換，且相變潛熱隨三、物體的熱特性

1、

熱容量C(heatcapacity）:表示某物體溫度每升高1℃所需要的熱量J/℃；2、質(zhì)量熱容Cm(massspecificheat):

表示單位質(zhì)量物體，升高一度所需要熱量J/kg.℃3、定容熱容CV(volumespecificheat):表示單位體積物體，每升高一度所需熱量J/m3.℃

Cm與CV的關(guān)系：

CV=ρ.Cm

水：CVw=4·18×106J/m3℃空氣：CVa=0·0013×106J/m3℃

為什么水體增溫慢(或水不易熱)，水比空氣熱得慢？三、物體的熱特性4.導(dǎo)熱率λ(thermalConductivity)J/m.S℃表示物體對(duì)熱量傳導(dǎo)快慢的一種能力。水（指4℃靜止的水）λ=0.57J/m.s.℃，空氣（10℃靜止空氣）λ=0.025J/m.s.℃，水導(dǎo)熱比空氣快22.8倍。導(dǎo)熱率只說(shuō)明物體傳導(dǎo)熱量速度快慢。水的λ

比空氣大22.8倍，可空氣的Cv只是水的1/3483，所以，空氣比水增溫得快得多。為什么棉衣棉被可保暖？5.熱擴(kuò)散系數(shù)K(Thermaldiffusioncoefficient)（m2/S）說(shuō)明物體增溫快慢就有熱擴(kuò)散系數(shù)K，也稱(chēng)導(dǎo)溫率。

K與λ的關(guān)系：K=λ/CV

（單位換算）

水：K=0·14×10-6m2/S空氣：K=20.5×10-6m2/S（空氣大146·4倍），空氣升溫快。農(nóng)田土壤中K大好還是K小好？農(nóng)田土壤濕度B=20%左右時(shí)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)最為有利。4.導(dǎo)熱率λ(thermalConductivity)第二節(jié)溫度一、大氣溫度氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量，大氣溫度狀況是支配天氣變化的重要因子之一。氣溫變化反映空氣內(nèi)能大小的變化，當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，內(nèi)能增加，溫度升高，當(dāng)空氣失去熱量時(shí)，內(nèi)能減少，溫度降低。引起空氣內(nèi)能變化的原因可分為兩種：一種是空氣與外界沒(méi)有熱量交換，內(nèi)能變化是由于外界對(duì)空氣做功或空氣對(duì)外做功引起的，稱(chēng)為絕熱變化；另一種則是空氣與外界發(fā)生熱量交換而引起的內(nèi)能變化，稱(chēng)為非絕熱變化。第二節(jié)溫度一、大氣溫度

(一)、空氣的絕熱變化

大氣中進(jìn)行的物理過(guò)程，通常伴有不同形式的能量轉(zhuǎn)換。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無(wú)熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，叫做絕熱過(guò)程。在大氣中，作垂直運(yùn)動(dòng)的氣塊，其狀態(tài)變化通常接近于絕熱過(guò)程。什么是絕熱冷卻？什么是絕熱增溫？什么是干絕熱變化

當(dāng)升、降氣塊內(nèi)部既沒(méi)有發(fā)生水相變化，又沒(méi)有與外界發(fā)生熱量交換的過(guò)程，稱(chēng)為干絕熱過(guò)程。什么是濕絕熱變化

(一)、空氣的絕熱變化

絕熱過(guò)程與泊松（Poisson）方程

要求出在絕熱過(guò)程中氣溫的變化，必須應(yīng)用熱力學(xué)第一定律。

熱力學(xué)第一定律(能量守恒)：

氣塊絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值，稱(chēng)為絕熱垂直減溫率（絕熱直減率或絕熱垂直遞減率）。干絕熱直減率

對(duì)干空氣(dry)和未飽和的濕空氣而言，稱(chēng)干絕熱直減率。

絕熱過(guò)程與泊松（Poisson）方程氣塊濕絕熱直減率將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用到飽和濕空氣絕熱變化過(guò)程，則有：飽和濕（moist）空氣絕熱上升時(shí)，如果只是膨脹降溫，濕絕熱直減率=1℃/100m,但水汽既已飽和，就要因冷卻而發(fā)生凝結(jié)，同時(shí)釋放凝結(jié)潛熱而加熱氣塊。所以，飽和濕空氣絕熱上升時(shí)，因膨脹而引起的減溫率要比小，

=0.5℃/100m。

濕絕熱直減率飽和濕（moist）空氣絕熱上升時(shí)，如果只是膨脹

（比較r、和？）1.氣溫的垂直變化為什么γm﹤γd呢？γm、γd和γ有什么不同？（比較r、和？）1.2.大氣穩(wěn)定度

大氣層結(jié)：大氣中溫濕度等氣象要素的垂直分布狀況。

r＞0，大氣為不穩(wěn)定層結(jié)；

r＜0,大氣為穩(wěn)定層結(jié)；

r=0，大氣為中性層結(jié)。

A)在穩(wěn)定的大氣層結(jié)下，大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)將受到抑制，常出現(xiàn)霧、層狀云、連續(xù)性降水等天氣現(xiàn)象。污染物不易擴(kuò)散，污染嚴(yán)重。B）在不穩(wěn)定大氣層結(jié)下，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛，常出現(xiàn)積狀云、陣性降水和冰雹等天氣。污染物擴(kuò)散快，不易造成空氣污染。

r＞0大氣為不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，氣溫下高上低，空氣密度上高下低，因浮力作用，對(duì)流旺盛；當(dāng)r＜0為穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，因重力作用，抑制對(duì)流運(yùn)動(dòng)。因此，我們把大氣層結(jié)具有的這種影響對(duì)流運(yùn)動(dòng)的特性稱(chēng)為大氣層結(jié)的穩(wěn)定度。2.大氣穩(wěn)定度

3.大氣穩(wěn)定度的判斷

A）γ>γd絕對(duì)不穩(wěn)定

B）γ<γm絕對(duì)穩(wěn)定

C）γ=γd干中濕不穩(wěn)

D）γ=γm濕中干穩(wěn)

E）γm<γ<γd條件不穩(wěn)定。不穩(wěn)定指誰(shuí)？

3.大氣穩(wěn)定度的判斷A）γ>γd（二）、氣溫的非絕熱變化1.氣溫的垂直分布１）氣溫垂直梯度氣溫垂直梯度又稱(chēng)氣溫直減率。在對(duì)流層中，氣溫垂直梯度的平均值約為０.6５℃／１００m。實(shí)際上，氣溫垂直梯度隨時(shí)間和高度的不同而變化。一天中，不同的時(shí)間氣溫的垂直分布規(guī)律也表現(xiàn)出較大的差異。白天，下墊面在太陽(yáng)輻射的作用下強(qiáng)烈升溫，以感熱的形式輸送給近地面大氣層，氣溫隨高度升高而降低，這種氣溫變化類(lèi)型稱(chēng)為日射型；夜間，下墊面因輻射冷卻，失去熱量而降溫，此時(shí)大氣以感熱的形式由大氣向下墊面輸送，氣溫隨高度升高而增加，為輻射型；在晝夜交替的過(guò)程中，氣溫的垂直分布同時(shí)具有日射型和輻射性的特征，稱(chēng)為過(guò)渡型，有從日射型向輻射型的過(guò)渡，也有輻射型向日射型的過(guò)渡。（二）、氣溫的非絕熱變化1.氣溫的垂直分布２）對(duì)流層中的逆溫現(xiàn)象一般地，對(duì)流層氣溫是隨著高度的增加而遞減的。在對(duì)流層中，氣溫隨高度增高而升高的現(xiàn)象稱(chēng)為逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層叫做逆溫層。當(dāng)發(fā)生逆溫時(shí)，冷而重的空氣在下，暖而輕的空氣在上，不易形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，阻礙了空氣垂直運(yùn)動(dòng)向上發(fā)展，因而在逆溫層下部，常聚集大量的煙塵、水汽凝結(jié)物等，使能見(jiàn)度變壞。逆溫按形成原因可分為輻射逆溫、平流逆溫、下沉逆溫、鋒面逆溫等類(lèi)２）對(duì)流層中的逆溫現(xiàn)象2.氣溫的周期性變化日變化和年變化

原因：日——太陽(yáng)高度角，年——赤緯什么是日較差?年較差?如果不考慮下墊面（水、陸等）的影響，為什么日較差隨緯度的升高而減小，而年較差隨緯度的升高而增加？日較差與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系如何？

2.氣溫的周期性變化3.氣溫的非周期性變化氣溫除了由于太陽(yáng)輻射的作用引起的周期性的日、年變化外，在大氣運(yùn)動(dòng)的影響下還會(huì)發(fā)生非周期性的變化。例如，春季正是春暖花開(kāi)氣溫回升的季節(jié)，若有北方冷空氣南下，會(huì)使氣溫大幅度下降，發(fā)生倒春寒現(xiàn)象。秋季，正是秋高氣爽氣溫下降的時(shí)候，若有南方暖空氣北上，則會(huì)出現(xiàn)氣溫突升的現(xiàn)象，稱(chēng)為“秋老虎”現(xiàn)象。氣溫的非周期性變化，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)地方的氣溫變化是周期性變化和非周性變化共同作用的結(jié)果，如果前者的作用大，則表現(xiàn)周期性變化；相反，就表現(xiàn)非周性變化。從總的趨勢(shì)和大多數(shù)情況來(lái)看，氣溫變化的周期性還是主要的。3.氣溫的非周期性變化氣溫除了由于太陽(yáng)輻射的作用引起的周期性二、土壤溫度1.土壤熱交換方式土壤溫度的變化取決于與外界熱量交換的狀況。土壤表面的溫度變化主要是由于土壤表面熱量收支不平衡引起的。土壤表面熱量交換方式包括輻射、分子傳導(dǎo)、潛熱交換、對(duì)流和湍流交換等多種，而土壤中熱量交換則主要是分子傳導(dǎo)。受太陽(yáng)輻射影響，白天和夜晚土壤表面的熱量收支差別較大。地表白天是熱源，晚上則是熱匯。二、土壤溫度1.土壤熱交換方式地表白天是熱源，2.土壤溫度的垂直變化

土壤溫度的垂直變化的三種類(lèi)型(日射型、輻射型和過(guò)渡型)。

2.土壤溫度的垂直變化

土壤溫度的垂直變化的三種3.土壤溫度的時(shí)空變化土壤和空氣溫度日變化和年變化與太陽(yáng)輻射的日變化和年變化曲線相似，因?yàn)橥寥篮涂諝獾臒崃渴怯捎诘孛娼邮芰颂?yáng)輻射增溫后，再由地面向上輸送給空氣，向下傳導(dǎo)給土壤，空氣和土壤才得以增溫的，因此溫度和輻射二者有直接相關(guān)關(guān)系。3.土壤溫度的時(shí)空變化1.太陽(yáng)照射地表面后，熱量可以向上輸送到高空100m以上高度，而且仍很強(qiáng)烈；而往下輸送深處還不到1m就沒(méi)有多少熱量傳送了？這是為什么？1.太陽(yáng)照射地表面后，熱量可以向上輸送到高空100m以上高

2）隨離地表的距離向上或向下的增加，最高最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越滯后？滯后現(xiàn)象主要是因?yàn)?，熱量的傳?dǎo)、輸送需要有一定時(shí)間，所以每層達(dá)到最高或最低的時(shí)間也越滯后。2.從土壤和空氣的溫度的年變化曲線和日變化曲線，都可看到兩個(gè)特點(diǎn)：（1）隨離地表的距離向上或向下的增加，溫度變化振幅越小。這是由于熱量向上，向下輸送過(guò)程中，每層空氣或土壤都要留下一部分熱量，所以越往上或下獲得的熱量就越少，增溫幅度就越小。

2）隨離地表的距離向上或向下的增加，最高最低溫4.土壤的溫波方程土壤溫度的日，年變化曲線可用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示：，為Z深度土壤平均溫度，為地表0cm處溫度振幅，Z為任何深度（m），t為任意時(shí)刻。ω指溫度曲線的正弦角度，旋轉(zhuǎn)一周為360°=2π，ω=2π/T，T為旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間，相對(duì)日變化而言，則T=24h，即24h完成360°旋轉(zhuǎn)；相對(duì)年變化，則T=365d。t是所求時(shí)刻時(shí)間。從公式中可以看出：土壤溫度振幅將按對(duì)數(shù)規(guī)律衰減，土壤溫波峰值出現(xiàn)時(shí)間將按位相滯后。所以，D是一個(gè)重要參數(shù)。那么，D=？D為土壤衰減深度（damp消沉、衰減、潮濕）4.土壤的溫波方程D為土壤衰減深度（damp消沉、衰減、潮1.

土壤溫波的振幅分析，衰減；由于D與K成正式，所以，不同的K，D不同，也就是說(shuō)衰減快慢不同。（1）當(dāng)土壤深度Z=D(1個(gè)衰減深度)時(shí)，（2）當(dāng)土壤深度Z=2D(2個(gè)衰減深度)時(shí)，（3）當(dāng)土壤深度Z=3D時(shí)，所以，我們把3D深度稱(chēng)為恒溫層，了解土壤恒溫層深度是很重要的。1.

土壤溫波的振幅分析，如了解了各種土壤的導(dǎo)溫率K，就可以求到日和年的衰減深度D日、D年。關(guān)鍵是K值，下表給出不同土質(zhì)的土壤K和導(dǎo)熱率κ。表3.1

不同土壤的K和κ值

沙壤土粘土泥炭土40%孔隙度飽和40%孔隙度飽和80%孔隙度飽和K×10-6m2/s0.240.740.180.510.100.12λ

J/m.s.℃0.302.200.251.580.060.50如了解了各種土壤的導(dǎo)溫率K，就可以求到日和年的衰減深度D日、對(duì)同種土壤K一樣，日和年的土壤衰減深度相差多少？D年是D日的19倍，即：年恒溫層深度是日的19倍。例如：某塊小麥地為飽和沙壤土，求此塊地的日和年恒溫層？解：所以，日恒溫層Z=3D日=0.14×3=0.42(m)，年恒溫層Z=3D年=0.42×19=7.98(m)。對(duì)同種土壤K一樣，日和年的土壤衰減深度相差多少？２.

土壤溫波峰值滯后分析sinω(t-Z/D/ω)→相當(dāng)于從sin(α-β)→位相落后β→則峰值滯后β，即峰值滯后Z/D/ω，與Z有關(guān)。當(dāng)Z=D時(shí)，峰值滯后多長(zhǎng)時(shí)間？也有兩種情況：一是相對(duì)日溫波曲線來(lái)說(shuō)，峰值滯后為1/ω=T/2π=3.82h,二是相對(duì)年溫波曲線來(lái)說(shuō)，峰值滯后1/ω=T/2π=58.12d。所以，在一個(gè)衰減深度的土壤處每日土壤最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間比地表最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間遲3.82小時(shí)；對(duì)一年來(lái)說(shuō)相差58天，即差不多要晚2個(gè)月。例：某農(nóng)田為含40%空隙度的粘土，其地表最高溫度出現(xiàn)在12點(diǎn)30分，問(wèn)離地表10cm深處日最高溫度將何時(shí)出現(xiàn)？解：滯后5.46h，也就是說(shuō)12.5+5.46≈18時(shí)出現(xiàn)最高溫度。２.

土壤溫波峰值滯后分析第三節(jié)溫度與農(nóng)業(yè)一、主要溫度指標(biāo)1.三基點(diǎn)溫度溫度三基點(diǎn)：生長(zhǎng)最低、最適、最高溫度。喜涼作物分別為:5℃、20-30℃35-40℃喜溫作物分別為:10-15℃、30-35℃45℃五基點(diǎn)溫度：生物能生存的溫度范圍較生長(zhǎng)的溫度范圍寬.第三節(jié)溫度與農(nóng)業(yè)一、主要溫度指標(biāo)1.三基點(diǎn)溫度五二、農(nóng)業(yè)界線溫度

0?C-農(nóng)事活動(dòng)開(kāi)始或終止，

０℃：喜涼作物生長(zhǎng)的起始溫度，小于０℃為寒冷期。

0℃：對(duì)某地區(qū)（一般而言），廣義的生長(zhǎng)期系指作物能生長(zhǎng)的時(shí)期。以春季的平均氣溫于0℃開(kāi)始，至秋季的平均氣溫大于0℃終止期的日數(shù)計(jì)算。某作物的生長(zhǎng)期，即為該作物由播種—成熟期間的日數(shù)。鑒定—地區(qū)的復(fù)種程度，需考慮夏秋作物及秋種作物接茬的可能性，一般以0℃以上的日數(shù)的指標(biāo)。春季日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃，為北方土壤日化夜涼，早春作物開(kāi)始播種，冬小麥開(kāi)始返青，多年生果木開(kāi)始萌動(dòng)的指標(biāo)，秋季0℃終止日為北方冬小麥及多年生果木停止生長(zhǎng)的日期。故選用≥0℃之間的持續(xù)日數(shù)，為鑒定地區(qū)作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的指標(biāo)。二、農(nóng)業(yè)界線溫度5?C：早春作物播種，5℃:冬小麥分蘗、馬鈴薯等開(kāi)始播種（＞5℃日數(shù)為喜涼作物生長(zhǎng)期）

10℃：喜溫作物開(kāi)始生長(zhǎng)、喜涼作物生長(zhǎng)迅速；＞10℃日數(shù)為喜溫作物生長(zhǎng)期。

15℃：喜溫作物生殖生長(zhǎng)下限、早稻移栽、熱帶作物生長(zhǎng)。雙季稻大田生長(zhǎng)期。20℃：水稻分蘗及迅速生長(zhǎng)；安全齊穗；玉米、高粱安全灌漿。其他：

3℃：南方小麥生長(zhǎng)下限；

8℃：牲畜吃飽草；

8-12℃：牲畜抓膘；

12℃：秈稻作物生長(zhǎng)和棉花播種。5?C：早春作物播種，5℃:冬小麥分蘗、馬鈴薯等開(kāi)始播種（3.生物體溫測(cè)定和研究植物體溫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有實(shí)際意義，尤其是對(duì)霜凍、高溫逼熟危害的預(yù)報(bào)等有一定作用。其中葉溫最為重要，變化也最明顯。美國(guó)利用衛(wèi)星上儀器紅外測(cè)定植株溫度，從而預(yù)報(bào)柑橘等的霜凍，比氣溫預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確些；還可以根據(jù)小麥群體冠層溫度與氣溫的差值反映作物缺水狀況，預(yù)報(bào)小麥?zhǔn)欠袢彼八璧墓喔攘俊４送?，還可根據(jù)葉氣溫差與作物生長(zhǎng)的關(guān)系，監(jiān)測(cè)大田作物生長(zhǎng)和進(jìn)行大面積作物估產(chǎn)。外界環(huán)境溫度的高低直接影響動(dòng)物的體溫，從而影響著動(dòng)物新陳代謝強(qiáng)度及其生長(zhǎng)發(fā)育狀況。用紅外溫度儀可簡(jiǎn)捷地測(cè)定動(dòng)物不同部位的體溫，作為動(dòng)物飼養(yǎng)與畜病診斷的指標(biāo)和參數(shù)。3.生物體溫測(cè)定和研究植物體溫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有實(shí)際意義，尤二、溫周期現(xiàn)象

1.溫周期現(xiàn)象

在自然條件下，環(huán)境溫度呈晝夜和季節(jié)的周期性變化，植物適應(yīng)這種變化而節(jié)奏地生長(zhǎng)。通常將植物對(duì)季節(jié)或晝夜溫度變化的反應(yīng)稱(chēng)為溫周期現(xiàn)象。2.感溫性

作物生長(zhǎng)、發(fā)育對(duì)溫度條件的反應(yīng)特性稱(chēng)為感溫性。所有的作物都必須在一定的溫度條件下才能正常地生長(zhǎng)、發(fā)育，在不同的發(fā)育時(shí)期對(duì)溫度的要求不同。有時(shí)要求較低的溫度，有時(shí)要求較高的溫度，稱(chēng)為感低溫特性和感高溫特性。二、溫周期現(xiàn)象

1.溫周期現(xiàn)象在自然條件3.春化作用

所有的作物都必須在一定的溫度條件下才能正常地生長(zhǎng)、發(fā)育，在不同的發(fā)育時(shí)期對(duì)溫度的要求不同。有時(shí)要求較低的溫度，有時(shí)要求較高的溫度。作物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程和溫度的季節(jié)變化相適應(yīng)。一些作物在秋季播種，冬前經(jīng)過(guò)一定的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，然后度過(guò)寒冷的冬季，第二年春季重新旺盛生長(zhǎng)，春末夏初開(kāi)花結(jié)實(shí)。而秋播作物春播，則不能開(kāi)花或延遲開(kāi)花。在高寒地區(qū)因嚴(yán)冬溫度太低，無(wú)法種植冬小麥，將冬小麥種子低溫處理后春播，可在當(dāng)年夏季抽穗開(kāi)花。這種低溫誘導(dǎo)促使植物開(kāi)花的作用叫春化作用，意為冬麥春麥化。在植物春化過(guò)程結(jié)束之前，如將植物放到較高的生長(zhǎng)溫度下，低溫的效果被減弱或消除，這種現(xiàn)象稱(chēng)去春化作用或解除春化。一般解除春化的溫度為２５～４０℃，如冬小麥在３０℃以上３～５d即可解除春化。通常植物經(jīng)過(guò)低溫春化的時(shí)間越長(zhǎng)，則解除春化越困難，當(dāng)春化過(guò)程結(jié)束后，春化效應(yīng)就穩(wěn)定了，不會(huì)被高溫解除。大多數(shù)去春化作用的植物返回低溫下，又可重新進(jìn)行春化，而且低溫的效應(yīng)是可以累加的，這種解除春化后現(xiàn)恢復(fù)春化的現(xiàn)象稱(chēng)再春化現(xiàn)象。3.春化作用所有的作物都必須在一三、積溫理論1、為什么需要計(jì)算積溫2、積溫的定義及單位3、活動(dòng)積溫和有效積溫的統(tǒng)計(jì)方法4、積溫的穩(wěn)定性及其運(yùn)用中要注意的問(wèn)題

溫度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系非常密切的。作為熱量條件的指標(biāo)，影響作物的生長(zhǎng)、分布、產(chǎn)量和發(fā)育速度，從而影響作物全生育期的長(zhǎng)短及各發(fā)育期出現(xiàn)的早晚。三、積溫理論1、為什么需要計(jì)算積溫溫度與農(nóng)積溫作物生育要求一定的累積熱量強(qiáng)度，其表征指標(biāo)為積溫?；顒?dòng)積溫：高于生物學(xué)下限溫度的日平均氣溫的累積和有效積溫：有效溫度的總和。有效溫度為日平均氣溫減去生物學(xué)下限溫度。小麥從抽穗到成熟發(fā)育速度與溫度的關(guān)系（最低9-11，最適18-20，最高32）積溫小麥從抽穗到成熟發(fā)育速度與溫度的關(guān)系（最低9-11，最適實(shí)習(xí)五如何求算某地穩(wěn)定通過(guò)某界限溫度的日期、持續(xù)天數(shù)及活動(dòng)積溫有效積溫實(shí)習(xí)五如何求算某地穩(wěn)定通過(guò)某界限溫度的土壤溫度的垂直變化課件本章重點(diǎn)：1、空氣的絕熱變化和大氣層結(jié)穩(wěn)定度2、

土壤溫度：（1）土壤溫波振幅分析（2）土壤溫波峰值遲后分析（3）例題分析3、積溫的種類(lèi)及其統(tǒng)計(jì)方法本章重點(diǎn)：溫度：分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的反映。內(nèi)能：動(dòng)能和勢(shì)能。改變內(nèi)能的物理過(guò)程有做功和熱傳遞兩種方式。熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律

W＋Q＝ΔE熱力學(xué)第二定律：熱量從高溫物體傳到低溫物體，方向是不可逆的。第三章溫度

第一節(jié)熱力學(xué)基本知識(shí)

一、基本概念和定律溫度：分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的反映。第三章溫度

第一節(jié)

1、

輻射（Radiation）

輻射能被體物吸收時(shí)發(fā)生熱的效應(yīng)，物體吸收的輻射能不同，所產(chǎn)生的溫度也不同。因此，輻射是能量轉(zhuǎn)換為熱量的重要方式。2、分子傳導(dǎo)(Molecularconduction)

分子在不停地做著布朗運(yùn)動(dòng),分子有攜帶著各種物理屬性,如熱量、水汽、CO2等；當(dāng)分子不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于分子間互相碰撞，同時(shí)也進(jìn)行著屬性的交換，完成熱量和水分的輸送。那么分子運(yùn)動(dòng)有多快呢？

空氣分子運(yùn)動(dòng)速度V=485m/s=1746km/h。二、熱量的傳遞方式

1、輻射（Radiation）二、熱量的傳遞方式對(duì)流(Convection)－空氣垂直運(yùn)動(dòng)：

熱力對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流湍流(Turbulence)－大團(tuán)空氣向垂直和水平方向作無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。大氣湍流就是日常感覺(jué)到一陣陣的風(fēng)，它的風(fēng)向和風(fēng)速經(jīng)常在變化，呈不規(guī)則的渦狀運(yùn)動(dòng)，所以又叫湍渦。它是一大團(tuán)空氣——片流層以外到湍流層就是一大團(tuán)一大團(tuán)空氣一起運(yùn)動(dòng)，使傳導(dǎo)屬性的能力大大增強(qiáng)，速度大。平流（Advection）－空氣的水平運(yùn)動(dòng)（風(fēng)）3.流體熱交換：對(duì)流、平流和湍流對(duì)流(Convection)－空氣垂直運(yùn)動(dòng)：3.流體熱交換：4.潛熱交換：水三相變化過(guò)程中伴隨著潛熱交換，且相變潛熱隨溫度而變化。蒸發(fā)潛熱與溫度關(guān)系：L＝２５００－２.４t

式中，L是蒸發(fā)潛熱，單位為J／g。當(dāng)t＝２０℃時(shí)，L≈２５００J／g。當(dāng)溫度變化不很大時(shí)，L的變化較小，所以在作物生長(zhǎng)季節(jié)（１５～２５℃左右），一般取L＝２４５０J／g。4.潛熱交換：水三相變化過(guò)程中伴隨著潛熱交換，且相變潛熱隨三、物體的熱特性

1、

熱容量C(heatcapacity）:表示某物體溫度每升高1℃所需要的熱量J/℃；2、質(zhì)量熱容Cm(massspecificheat):

表示單位質(zhì)量物體，升高一度所需要熱量J/kg.℃3、定容熱容CV(volumespecificheat):表示單位體積物體，每升高一度所需熱量J/m3.℃

Cm與CV的關(guān)系：

CV=ρ.Cm

水：CVw=4·18×106J/m3℃空氣：CVa=0·0013×106J/m3℃

為什么水體增溫慢(或水不易熱)，水比空氣熱得慢？三、物體的熱特性4.導(dǎo)熱率λ(thermalConductivity)J/m.S℃表示物體對(duì)熱量傳導(dǎo)快慢的一種能力。水（指4℃靜止的水）λ=0.57J/m.s.℃，空氣（10℃靜止空氣）λ=0.025J/m.s.℃，水導(dǎo)熱比空氣快22.8倍。導(dǎo)熱率只說(shuō)明物體傳導(dǎo)熱量速度快慢。水的λ

比空氣大22.8倍，可空氣的Cv只是水的1/3483，所以，空氣比水增溫得快得多。為什么棉衣棉被可保暖？5.熱擴(kuò)散系數(shù)K(Thermaldiffusioncoefficient)（m2/S）說(shuō)明物體增溫快慢就有熱擴(kuò)散系數(shù)K，也稱(chēng)導(dǎo)溫率。

K與λ的關(guān)系：K=λ/CV

（單位換算）

水：K=0·14×10-6m2/S空氣：K=20.5×10-6m2/S（空氣大146·4倍），空氣升溫快。農(nóng)田土壤中K大好還是K小好？農(nóng)田土壤濕度B=20%左右時(shí)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)最為有利。4.導(dǎo)熱率λ(thermalConductivity)第二節(jié)溫度一、大氣溫度氣溫是表示空氣冷熱程度的物理量，大氣溫度狀況是支配天氣變化的重要因子之一。氣溫變化反映空氣內(nèi)能大小的變化，當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，內(nèi)能增加，溫度升高，當(dāng)空氣失去熱量時(shí)，內(nèi)能減少，溫度降低。引起空氣內(nèi)能變化的原因可分為兩種：一種是空氣與外界沒(méi)有熱量交換，內(nèi)能變化是由于外界對(duì)空氣做功或空氣對(duì)外做功引起的，稱(chēng)為絕熱變化；另一種則是空氣與外界發(fā)生熱量交換而引起的內(nèi)能變化，稱(chēng)為非絕熱變化。第二節(jié)溫度一、大氣溫度

(一)、空氣的絕熱變化

大氣中進(jìn)行的物理過(guò)程，通常伴有不同形式的能量轉(zhuǎn)換。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無(wú)熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，叫做絕熱過(guò)程。在大氣中，作垂直運(yùn)動(dòng)的氣塊，其狀態(tài)變化通常接近于絕熱過(guò)程。什么是絕熱冷卻？什么是絕熱增溫？什么是干絕熱變化

當(dāng)升、降氣塊內(nèi)部既沒(méi)有發(fā)生水相變化，又沒(méi)有與外界發(fā)生熱量交換的過(guò)程，稱(chēng)為干絕熱過(guò)程。什么是濕絕熱變化

(一)、空氣的絕熱變化

絕熱過(guò)程與泊松（Poisson）方程

要求出在絕熱過(guò)程中氣溫的變化，必須應(yīng)用熱力學(xué)第一定律。

熱力學(xué)第一定律(能量守恒)：

氣塊絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值，稱(chēng)為絕熱垂直減溫率（絕熱直減率或絕熱垂直遞減率）。干絕熱直減率

對(duì)干空氣(dry)和未飽和的濕空氣而言，稱(chēng)干絕熱直減率。

絕熱過(guò)程與泊松（Poisson）方程氣塊濕絕熱直減率將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用到飽和濕空氣絕熱變化過(guò)程，則有：飽和濕（moist）空氣絕熱上升時(shí)，如果只是膨脹降溫，濕絕熱直減率=1℃/100m,但水汽既已飽和，就要因冷卻而發(fā)生凝結(jié)，同時(shí)釋放凝結(jié)潛熱而加熱氣塊。所以，飽和濕空氣絕熱上升時(shí)，因膨脹而引起的減溫率要比小，

=0.5℃/100m。

濕絕熱直減率飽和濕（moist）空氣絕熱上升時(shí)，如果只是膨脹

（比較r、和？）1.氣溫的垂直變化為什么γm﹤γd呢？γm、γd和γ有什么不同？（比較r、和？）1.2.大氣穩(wěn)定度

大氣層結(jié)：大氣中溫濕度等氣象要素的垂直分布狀況。

r＞0，大氣為不穩(wěn)定層結(jié)；

r＜0,大氣為穩(wěn)定層結(jié)；

r=0，大氣為中性層結(jié)。

A)在穩(wěn)定的大氣層結(jié)下，大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)將受到抑制，常出現(xiàn)霧、層狀云、連續(xù)性降水等天氣現(xiàn)象。污染物不易擴(kuò)散，污染嚴(yán)重。B）在不穩(wěn)定大氣層結(jié)下，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展旺盛，常出現(xiàn)積狀云、陣性降水和冰雹等天氣。污染物擴(kuò)散快，不易造成空氣污染。

r＞0大氣為不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，氣溫下高上低，空氣密度上高下低，因浮力作用，對(duì)流旺盛；當(dāng)r＜0為穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，因重力作用，抑制對(duì)流運(yùn)動(dòng)。因此，我們把大氣層結(jié)具有的這種影響對(duì)流運(yùn)動(dòng)的特性稱(chēng)為大氣層結(jié)的穩(wěn)定度。2.大氣穩(wěn)定度

3.大氣穩(wěn)定度的判斷

A）γ>γd絕對(duì)不穩(wěn)定

B）γ<γm絕對(duì)穩(wěn)定

C）γ=γd干中濕不穩(wěn)

D）γ=γm濕中干穩(wěn)

E）γm<γ<γd條件不穩(wěn)定。不穩(wěn)定指誰(shuí)？

3.大氣穩(wěn)定度的判斷A）γ>γd（二）、氣溫的非絕熱變化1.氣溫的垂直分布１）氣溫垂直梯度氣溫垂直梯度又稱(chēng)氣溫直減率。在對(duì)流層中，氣溫垂直梯度的平均值約為０.6５℃／１００m。實(shí)際上，氣溫垂直梯度隨時(shí)間和高度的不同而變化。一天中，不同的時(shí)間氣溫的垂直分布規(guī)律也表現(xiàn)出較大的差異。白天，下墊面在太陽(yáng)輻射的作用下強(qiáng)烈升溫，以感熱的形式輸送給近地面大氣層，氣溫隨高度升高而降低，這種氣溫變化類(lèi)型稱(chēng)為日射型；夜間，下墊面因輻射冷卻，失去熱量而降溫，此時(shí)大氣以感熱的形式由大氣向下墊面輸送，氣溫隨高度升高而增加，為輻射型；在晝夜交替的過(guò)程中，氣溫的垂直分布同時(shí)具有日射型和輻射性的特征，稱(chēng)為過(guò)渡型，有從日射型向輻射型的過(guò)渡，也有輻射型向日射型的過(guò)渡。（二）、氣溫的非絕熱變化1.氣溫的垂直分布２）對(duì)流層中的逆溫現(xiàn)象一般地，對(duì)流層氣溫是隨著高度的增加而遞減的。在對(duì)流層中，氣溫隨高度增高而升高的現(xiàn)象稱(chēng)為逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層叫做逆溫層。當(dāng)發(fā)生逆溫時(shí)，冷而重的空氣在下，暖而輕的空氣在上，不易形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，阻礙了空氣垂直運(yùn)動(dòng)向上發(fā)展，因而在逆溫層下部，常聚集大量的煙塵、水汽凝結(jié)物等，使能見(jiàn)度變壞。逆溫按形成原因可分為輻射逆溫、平流逆溫、下沉逆溫、鋒面逆溫等類(lèi)２）對(duì)流層中的逆溫現(xiàn)象2.氣溫的周期性變化日變化和年變化

原因：日——太陽(yáng)高度角，年——赤緯什么是日較差?年較差?如果不考慮下墊面（水、陸等）的影響，為什么日較差隨緯度的升高而減小，而年較差隨緯度的升高而增加？日較差與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系如何？

2.氣溫的周期性變化3.氣溫的非周期性變化氣溫除了由于太陽(yáng)輻射的作用引起的周期性的日、年變化外，在大氣運(yùn)動(dòng)的影響下還會(huì)發(fā)生非周期性的變化。例如，春季正是春暖花開(kāi)氣溫回升的季節(jié)，若有北方冷空氣南下，會(huì)使氣溫大幅度下降，發(fā)生倒春寒現(xiàn)象。秋季，正是秋高氣爽氣溫下降的時(shí)候，若有南方暖空氣北上，則會(huì)出現(xiàn)氣溫突升的現(xiàn)象，稱(chēng)為“秋老虎”現(xiàn)象。氣溫的非周期性變化，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)地方的氣溫變化是周期性變化和非周性變化共同作用的結(jié)果，如果前者的作用大，則表現(xiàn)周期性變化；相反，就表現(xiàn)非周性變化。從總的趨勢(shì)和大多數(shù)情況來(lái)看，氣溫變化的周期性還是主要的。3.氣溫的非周期性變化氣溫除了由于太陽(yáng)輻射的作用引起的周期性二、土壤溫度1.土壤熱交換方式土壤溫度的變化取決于與外界熱量交換的狀況。土壤表面的溫度變化主要是由于土壤表面熱量收支不平衡引起的。土壤表面熱量交換方式包括輻射、分子傳導(dǎo)、潛熱交換、對(duì)流和湍流交換等多種，而土壤中熱量交換則主要是分子傳導(dǎo)。受太陽(yáng)輻射影響，白天和夜晚土壤表面的熱量收支差別較大。地表白天是熱源，晚上則是熱匯。二、土壤溫度1.土壤熱交換方式地表白天是熱源，2.土壤溫度的垂直變化

土壤溫度的垂直變化的三種類(lèi)型(日射型、輻射型和過(guò)渡型)。

2.土壤溫度的垂直變化

土壤溫度的垂直變化的三種3.土壤溫度的時(shí)空變化土壤和空氣溫度日變化和年變化與太陽(yáng)輻射的日變化和年變化曲線相似，因?yàn)橥寥篮涂諝獾臒崃渴怯捎诘孛娼邮芰颂?yáng)輻射增溫后，再由地面向上輸送給空氣，向下傳導(dǎo)給土壤，空氣和土壤才得以增溫的，因此溫度和輻射二者有直接相關(guān)關(guān)系。3.土壤溫度的時(shí)空變化1.太陽(yáng)照射地表面后，熱量可以向上輸送到高空100m以上高度，而且仍很強(qiáng)烈；而往下輸送深處還不到1m就沒(méi)有多少熱量傳送了？這是為什么？1.太陽(yáng)照射地表面后，熱量可以向上輸送到高空100m以上高

2）隨離地表的距離向上或向下的增加，最高最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間越來(lái)越滯后？滯后現(xiàn)象主要是因?yàn)?，熱量的傳?dǎo)、輸送需要有一定時(shí)間，所以每層達(dá)到最高或最低的時(shí)間也越滯后。2.從土壤和空氣的溫度的年變化曲線和日變化曲線，都可看到兩個(gè)特點(diǎn)：（1）隨離地表的距離向上或向下的增加，溫度變化振幅越小。這是由于熱量向上，向下輸送過(guò)程中，每層空氣或土壤都要留下一部分熱量，所以越往上或下獲得的熱量就越少，增溫幅度就越小。

2）隨離地表的距離向上或向下的增加，最高最低溫4.土壤的溫波方程土壤溫度的日，年變化曲線可用數(shù)學(xué)公式來(lái)表示：，為Z深度土壤平均溫度，為地表0cm處溫度振幅，Z為任何深度（m），t為任意時(shí)刻。ω指溫度曲線的正弦角度，旋轉(zhuǎn)一周為360°=2π，ω=2π/T，T為旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間，相對(duì)日變化而言，則T=24h，即24h完成360°旋轉(zhuǎn)；相對(duì)年變化，則T=365d。t是所求時(shí)刻時(shí)間。從公式中可以看出：土壤溫度振幅將按對(duì)數(shù)規(guī)律衰減，土壤溫波峰值出現(xiàn)時(shí)間將按位相滯后。所以，D是一個(gè)重要參數(shù)。那么，D=？D為土壤衰減深度（damp消沉、衰減、潮濕）4.土壤的溫波方程D為土壤衰減深度（damp消沉、衰減、潮1.

土壤溫波的振幅分析，衰減；由于D與K成正式，所以，不同的K，D不同，也就是說(shuō)衰減快慢不同。（1）當(dāng)土壤深度Z=D(1個(gè)衰減深度)時(shí)，（2）當(dāng)土壤深度Z=2D(2個(gè)衰減深度)時(shí)，（3）當(dāng)土壤深度Z=3D時(shí)，所以，我們把3D深度稱(chēng)為恒溫層，了解土壤恒溫層深度是很重要的。1.

土壤溫波的振幅分析，如了解了各種土壤的導(dǎo)溫率K，就可以求到日和年的衰減深度D日、D年。關(guān)鍵是K值，下表給出不同土質(zhì)的土壤K和導(dǎo)熱率κ。表3.1

不同土壤的K和κ值

沙壤土粘土泥炭土40%孔隙度飽和40%孔隙度飽和80%孔隙度飽和K×10-6m2/s0.240.740.180.510.100.12λ

J/m.s.℃0.302.200.251.580.060.50如了解了各種土壤的導(dǎo)溫率K，就可以求到日和年的衰減深度D日、對(duì)同種土壤K一樣，日和年的土壤衰減深度相差多少？D年是D日的19倍，即：年恒溫層深度是日的19倍。例如：某塊小麥地為飽和沙壤土，求此塊地的日和年恒溫層？解：所以，日恒溫層Z=3D日=0.14×3=0.42(m)，年恒溫層Z=3D年=0.42×19=7.98(m)。對(duì)同種土壤K一樣，日和年的土壤衰減深度相差多少？２.

土壤溫波峰值滯后分析sinω(t-Z/D/ω)→相當(dāng)于從sin(α-β)→位相落后β→則峰值滯后β，即峰值滯后Z/D/ω，與Z有關(guān)。當(dāng)Z=D時(shí)，峰值滯后多長(zhǎng)時(shí)間？也有兩種情況：一是相對(duì)日溫波曲線來(lái)說(shuō)，峰值滯后為1/ω=T/2π=3.82h,二是相對(duì)年溫波曲線來(lái)說(shuō)，峰值滯后1/ω=T/2π=58.12d。所以，在一個(gè)衰減深度的土壤處每日土壤最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間比地表最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間遲3.82小時(shí)；對(duì)一年來(lái)說(shuō)相差58天，即差不多要晚2個(gè)月。例：某農(nóng)田為含40%空隙度的粘土，其地表最高溫度出現(xiàn)在12點(diǎn)30分，問(wèn)離地表10cm深處日最高溫度將何時(shí)出現(xiàn)？解：滯后5.46h，也就是說(shuō)12.5+5.46≈18時(shí)出現(xiàn)最高溫度。２.

土壤溫波峰值滯后分析第三節(jié)溫度與農(nóng)業(yè)一、主要溫度指標(biāo)1.三基點(diǎn)溫度溫度三基點(diǎn)：生長(zhǎng)最低、最適、最高溫度。喜涼作物分別為:5℃、20-30℃35-40℃喜溫作物分別為:10-15℃、30-35℃45℃五基點(diǎn)溫度：生物能生存的溫度范圍較生長(zhǎng)的溫度范圍寬.第三節(jié)溫度與農(nóng)業(yè)一、主要溫度指標(biāo)1.三基點(diǎn)溫度五二、農(nóng)業(yè)界線溫度

0?C-農(nóng)事活動(dòng)開(kāi)始或終止，

０℃：喜涼作物生長(zhǎng)的起始溫度，小于０℃為寒冷期。

0℃：對(duì)某地區(qū)（一般而言），廣義的生長(zhǎng)期系指作物能生長(zhǎng)的時(shí)期。以春季的平均氣溫于0℃開(kāi)始，至秋季的平均氣溫大于0℃終止期的日數(shù)計(jì)算。某作物的生長(zhǎng)期，即為該作物由播種—成熟期間的日數(shù)。鑒定—地區(qū)的復(fù)種程度，需考慮夏秋作物及秋種作物接茬的可能性，一般以0℃以上的日數(shù)的指標(biāo)。春季日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)0℃，為北方土壤日化夜涼，早春作物開(kāi)始播種，冬小麥開(kāi)始返青，多年生果木開(kāi)始萌動(dòng)的指標(biāo)，秋季0℃終止日為北方冬小麥及多年生果木停止生長(zhǎng)的日期。故選用≥0℃之間的持續(xù)日數(shù)，為鑒定地區(qū)作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的指標(biāo)。二、農(nóng)業(yè)界線溫度5?C：早春作物播種，5℃:冬小麥分蘗、馬鈴薯等開(kāi)始播種（