農(nóng)業(yè)氣象學(xué)第二章溫度.ppt

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(duì)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(dòng)能交換方式。,流體流動(dòng)熱交換,流體在各個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)，熱量隨流體流動(dòng)而輸送的熱量交換方式。,根據(jù)流體流動(dòng)的方向性分為：對(duì)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(dòng)。,作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。,分類：,對(duì)流：,作用：對(duì)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(dòng)。,定義：流體在水平方向上的流動(dòng)。,平流：,近地氣層亂流強(qiáng)度的時(shí)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(shí)所發(fā)生的熱量交換。,地面熱量收支,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：,白天：,R-P-B-LE=Q,夜間：,-R+P+B+LE= -Q,熱量平衡過程,地球表面吸收太陽(yáng)輻射能后，會(huì)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：?jiǎn)挝毁|(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(jì)算：,容積熱容量：,定義：?jiǎn)挝惑w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(jì)算：,Cm 、Cv 之間的關(guān)系：,土壤熱容量分析：,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(shí)，其 相對(duì)的兩個(gè)面在單位時(shí)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(hào)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(shí)，導(dǎo)熱率大的物質(zhì)，熱流量大，傳熱速度快；反之則小。,土壤中固體成分的導(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：?jiǎn)挝蝗莘e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(shí)，溫度升高或降 低的數(shù)值稱為導(dǎo)溫率。,計(jì)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(shì)。,土壤導(dǎo)溫率對(duì)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(shí)間。,三 、地面和土壤溫度的變化,表征溫度變化的幾個(gè)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(duì)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(shí)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(shí) 刻。,一年中地面最熱月溫度， 一般出現(xiàn)在月或月， 地面最冷月溫度一般出現(xiàn) 在月或月。,、土壤溫度的變化,時(shí)間變化,日變化,日較差的影響因子：,(1)太陽(yáng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),輻射型（放熱型）：,圖中01時(shí),上午轉(zhuǎn)變型（由輻射型向日射型過渡）：,圖中07時(shí),傍晚轉(zhuǎn)變型（由日射型向輻射型過渡）：,圖中19時(shí),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(shí)，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(jiān)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(shì),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，增加耕作層水分儲(chǔ)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(diǎn),水體中的輻射特點(diǎn),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(zhǎng)波，散射短波，水中懸浮物散射長(zhǎng)波。,水體中的熱量平衡特性,熱量平衡公式,R0HLEQA,R0：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。,特性,海洋熱量平衡的主要輸出項(xiàng)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(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：,水面最高溫度一般出現(xiàn)在8月，最低溫度則出現(xiàn)在23月。,位相：,最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間，大約每深入60落后一個(gè)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(gè)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(shí)，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(duì)流：是對(duì)流性降水的主要原因。,亂流：對(duì)一些低云和霧的生消起重要的作用。,潛熱交換：對(duì)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(shí)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。,二、空氣溫度的時(shí)間變化,天氣狀況：,下墊面性質(zhì)：,晴天陰天,近地層氣溫的年變化,最冷、最熱月出現(xiàn)的時(shí)間,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,日射型：,圖中12時(shí),輻射型：,圖中0時(shí),上午轉(zhuǎn)變型：,圖中06時(shí),傍晚轉(zhuǎn)變型：,圖中18時(shí),對(duì)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(hào)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(duì)值越大，氣溫隨高度變化差異越大。,各個(gè)層次上的氣溫直減率,整個(gè)對(duì)流層平均氣溫直減率：0.65/hm,對(duì)流層上層： 0.30.4 /hm,對(duì)流層中層：0.50.6 /hm,對(duì)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(gè)概念,干絕熱過程,空氣是干空氣或未飽和的濕空氣（沒有水汽凝結(jié)），與外界之間無熱量交換時(shí)（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(duì)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(duì)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(dòng)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,飽和濕空氣在上升或下降的絕熱變化過程中，會(huì)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(duì)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(dòng)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(shì)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(dòng)，但外力除去后：,若氣塊逐漸減速，趨于回到原位，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)于該氣塊而言是穩(wěn)定的。,中性,若既無回到原位，有無繼續(xù)加速先前的趨勢(shì)，而是保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)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(dòng)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)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(duì)比來判斷。,判斷方法,對(duì)于未飽和空氣,d 不穩(wěn)定；=d 中性；d 穩(wěn)定。,對(duì)于飽和濕空氣,m 不穩(wěn)定；=m 中性；m 穩(wěn)定。,綜合判據(jù),愈大，大氣愈不穩(wěn)定；,md時(shí)，大氣為絕對(duì)穩(wěn)定；,md時(shí)，大氣為條件性不穩(wěn)定。,六、大氣中的逆溫,概念,逆溫,在一定條件下，氣溫隨高度的增高而增加，氣溫直減率為負(fù)值的這種現(xiàn)象稱為逆溫。,阻塞層,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，因而又稱阻塞層。,逆溫的分類（按成因）,輻射逆溫、湍流（即亂流）逆溫、平流逆溫、下沉逆溫、地形逆溫、鋒面逆溫和融雪逆溫等。,輻射逆溫,定義,夜間由地面、雪面或冰面、云層頂部等輻射冷卻形成的逆溫。,厚度,一般為200300。,高緯地區(qū)冬季有時(shí)可達(dá)2,000左右。,出現(xiàn)時(shí)間,大陸上常年都可出現(xiàn)，以冬季最強(qiáng)，夏季最弱。,平流逆溫,定義,暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上，會(huì)發(fā)生接觸冷卻，愈近地表面的空氣降溫愈多，而上層空氣受冷地面的影響小，降溫較少，于是產(chǎn)生了逆溫現(xiàn)象，這種逆溫稱為平流逆溫。,日變化,夜間加強(qiáng)，白天減弱。,下沉逆溫,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(gè)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(shí)，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。,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。,地形逆溫,在山區(qū)夜間，由于山上冷空氣沿斜坡向下移動(dòng)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。,逆溫的實(shí)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(shí)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(dòng)的基本溫度,三基點(diǎn)溫度,對(duì)大多數(shù)植物來說，維持生命的溫度一般在-1050之間，生長(zhǎng)溫度在540之間，發(fā)育溫度在1035之間。 溫度對(duì)于植物生命、生長(zhǎng)和發(fā)育過程的影響有3個(gè)基本點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱三基點(diǎn)溫度，即最適溫度、最低溫度和最高溫度。,生命溫度 生長(zhǎng)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、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(zhǎng)發(fā)育，而且必要的高溫對(duì)某些喜熱作物是不可缺少的。,二、周期性變溫對(duì)植物的影響,在三基點(diǎn)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(gè)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(zhǎng)期或生長(zhǎng)季。 10以上的持續(xù)時(shí)期為喜溫作物的生長(zhǎng)期。 15表示喜溫作物積極生長(zhǎng)。 20是水稻安全抽穗、開花的指標(biāo)。,對(duì)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(dòng)的開始、終止或轉(zhuǎn)折的溫度叫農(nóng)業(yè)界限溫度，簡(jiǎn)稱界限溫度。,四、土溫對(duì)植物的影響,大多數(shù)作物根區(qū)溫度在2030時(shí)生長(zhǎng)最快。土溫對(duì)作物的影響主要有以下幾個(gè)方面：,土溫影響種子發(fā)芽、出苗 土溫與根系的生長(zhǎng) 土溫影