農(nóng)林氣象學(xué) 第二章溫度課件

第二章本章內(nèi)容

熱量交換方式

土壤溫度

溫度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)2022/12/281一、輻射熱交換

任何溫度在絕對零度以上的物體，通過放射和吸收輻射而進行的熱量交換方式。是地面和大氣熱量交換的主要方式。

二、分子熱傳導(dǎo)

物質(zhì)通過分子熱運動，傳導(dǎo)熱量的方式。土壤中熱量交換的主要方式。土壤表面與下層土壤間以分子熱傳導(dǎo)形式進行交換的熱量以土壤熱通量B來表示。第一節(jié)熱量交換方式2022/12/282作用：緩和地區(qū)之間、緯度之間溫度的差異有很大作用。

作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。

大規(guī)模空氣在水平方向上的運動稱為平流。四平流熱交換：水平方向上熱量交換的主要方式三對流熱交換：低層大氣與高層大氣熱交換的主要方式空氣在垂直方向上有規(guī)律的升降運動稱為對流。根據(jù)其形成原因，分為兩種：熱力對流和動力對流。2022/12/283

陸地比海面強

山地比平原強

白天比夜間強

夏季比冬季強六、潛熱交換水汽在相態(tài)變化時所進行的熱量交換稱潛熱交換，它影響下墊面和大氣層的溫度變化，是天氣演變的主角。近地氣層亂流強度的時空變化：潛熱交換的熱量以潛熱通量LE表示，其中L為蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱，E為蒸發(fā)或凝結(jié)的量。2022/12/285一、土壤表層熱量收支狀況ΔQs

ΔQs

RLEP

B′LERP

B′（白天或夏季）（夜間或冬季）圖2.1地表層熱量收支示意圖白天：ΔQs=R-P-B-LE夜間：-ΔQs=

-R+P+B′+LE

箭頭指向地面的是收入項，表示地面得到熱量，為正值；箭頭離開地面是支出項，表示地面損失熱量，為負值。第二節(jié)土壤溫度2022/12/286二、地面熱量平衡方程R-P-B′-LE=ΔQs-R+P+B′+LE=-ΔQs由此二式推出：R=(B′+ΔQs)+P+LE即：R=B+P+LE地面熱量平衡方程。意義：在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中可以通過改變耕作措施來改善農(nóng)林小氣候環(huán)境。2022/12/287二、土壤的熱特性（一）容積熱容量（Cv)1.概念：單位體積的土壤溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。

2.大小

由土壤組成成分其各成分的比例決定。單位：J/m3℃2022/12/288（二）導(dǎo)熱率（λ）1.定義：溫度梯度為1℃/m時，單位時間單位截面積土壤穿過的熱量。即1m厚的土層上下溫差為1℃時，單位時間單位截面積上穿過的熱量。它表示土壤傳遞熱量的能力。單位：J/m·s·℃2.大小：決定于土壤各組分及其比例。此外，土壤中有機質(zhì)的含量也影響導(dǎo)熱率，有機質(zhì)含量越多，導(dǎo)熱率越小。土壤熱通量的表達式:2022/12/2810單位：ｍ2/S

1.定義：單位體積的土壤，通過熱傳導(dǎo)，由垂直方向流入或流出λ焦耳的熱量時，溫度升高或降低的數(shù)值。它可以表示土壤因熱傳導(dǎo)而消除層次間溫度差異的能力。

（三）導(dǎo)溫率（k）

土壤因?qū)岫饻囟茸兓哪芰ΨQ為土壤的導(dǎo)溫性，導(dǎo)溫性用導(dǎo)溫率K表示。2022/12/2812★

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。?土壤導(dǎo)溫率分析：圖2.2

砂土的熱特性與土壤濕度的關(guān)系★

當(dāng)土壤濕度增加到一定程度后，土壤導(dǎo)溫率卻隨著土壤濕度的增大而減小。2022/12/2814三、土壤溫度變化

日較差：一天內(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。

位相：最高溫度與最低溫度出現(xiàn)的時間。

◆表征溫度變化的幾個物理量：2022/12/2815(一）地面溫度的日變化1.概念：土壤溫度在一晝夜之內(nèi)隨時間的連續(xù)變化，稱為土溫的日變化。2.變化規(guī)律午后，當(dāng)?shù)孛鏌崃渴罩嗟葧r，ΔQs＝0，地面溫度達到一天中的最高值，約在13：00左右；天亮前地面熱量積累最少，當(dāng)?shù)孛鏌崃渴罩г俅芜_平衡時，ΔQs＝0，地面溫度達一天中最低值。其變化過程如下圖所示:2022/12/28161．地面溫度日變化曲線；2．地面熱量支出日變化曲線；3．地面熱量收入日變化曲線。Tm：地面最低溫度；TM：地面最高溫度圖2.3地面溫度變化與地面熱量收支示意圖2022/12/28173.日恒溫層：土壤溫度日較差為零時的深度。一般深度約為40～80㎝，平均為60㎝。4.影響土溫日變化的因子：

太陽高度角（緯度、季節(jié)）、土壤熱特性、土壤顏色、地形、天氣，由各因子綜合影響。太陽高度角：隨太陽高度角增大輻射日變化增大,土溫日較差也越大。緯度增高，日較差減小。土壤熱特性：導(dǎo)熱率大的土壤日較差小;熱容量大的土壤,溫度日較差小.2022/12/28182.年恒溫層（土壤溫度沒有年變化的土層）：土壤溫度的年較差為零時的深度。低緯約5～10ｍ處；中緯度約10～20m；高緯約25ｍ左右。

3.影響因子緯度、土壤的自然覆蓋、土壤熱特性、地形、天氣。月平均最低溫度出現(xiàn)在夏至和冬至日以后。2022/12/2820（三）土壤中溫度變化的規(guī)律

定律一：最高、最低溫度出現(xiàn)的時間隨深度增加而落后,其落后的時間與土壤深度成正比.

例1.

若0cm最高溫度出現(xiàn)在13：00，5cm處最高溫度出現(xiàn)在15：00，問20cm處最高溫度出現(xiàn)在幾時？2022/12/2821

定律三：溫度振幅隨深度衰減的速度與周期有關(guān)，若振幅衰減同樣的倍數(shù)，則相應(yīng)的深度與其周期的平方根成正比。

例3：已知某地段5cm深處溫度日振幅為地面的求年振幅為地面1/2的深度？2022/12/2823解：設(shè)日振幅為地面1/2的深度為Z1，依據(jù)定律一有：求得Z1＝10cm，則可得到年振幅為地面1/2的深度為191cm。2022/12/2824五、土壤的凍結(jié)和解凍

當(dāng)土壤溫度降到零度以下，土壤中水分與潮濕土粒發(fā)生凝固或結(jié)冰，使土壤變得非常堅硬，即土壤的凍結(jié)。堅硬的土層并不十分厚，在它下面還是比較松軟的土。含有冰晶的土就是凍土。2.地理分布：

1.凍結(jié)：分布于高緯度地帶和高山垂直帶上部。

我國東北地區(qū)凍土層可達3米以上，華北平原約1米以內(nèi)，西北地區(qū)在1米以上，秦嶺淮河以南幾乎沒有凍土。2022/12/2826我國多年凍土分為高緯度和高海拔多年凍土。高緯度多年凍土主要集中分布在大小興安嶺,面積為38～39萬平方公里,高緯度的多年凍土是歐亞大陸多年凍土南緣,平面分布服從緯度地帶性規(guī)律,即緯度越高的地方凍土面積越大,厚度越厚。高海拔多年凍土分布在青藏高原、阿爾泰山、天山、祁連山、橫斷山、喜馬拉雅山，以及東部某些山地,如長白山、黃崗梁山、五臺山、太白山等。2022/12/2827

3.土壤的解凍：由上而下和由下而上同時解凍。

4.凍土的應(yīng)用：管道、房屋的地基，各地最大凍土的深度。

年平均溫度低于-3～-5℃，一般都有永凍土。我國永凍土面積約214.8萬km2，其中大小興安嶺38.2、青藏高原150.0、祁連山13.4、天山9.8、阿爾泰山3.4.…..五臺山（2.896）。

2022/12/2828二、水體溫度的變化1.日變化：水面最高溫度出現(xiàn)在午后15～16h，最低溫度出現(xiàn)在日出后的2～3h內(nèi)。

日較差：在中緯度湖面上2.0～5.0℃，洋面0.1～0.5℃.隨深度增加，水溫日較差減小。2.年變化：

北半球中、高緯度，水面月平均最高溫度一般出現(xiàn)在8月，月平均最低溫度則出現(xiàn)在2～3月。

2022/12/2830

水面溫度年較差也小，洋面上低緯度2.0~4.0℃，中緯度5.0~8.0℃

3.

位相：

最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時間，大約每深入60ｍ落后一個月。

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15～30ｍ，年變化可傳到100～150ｍ深處。2022/12/28314.垂直變化：等溫層、躍變層、等溫層

圖2.5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。

2022/12/2832第四節(jié)空氣溫度與大氣穩(wěn)定度一、氣溫隨時間變化（一）氣溫的日變化

1.日變化規(guī)律

最高溫度出現(xiàn)在14～15（冬季在13～14時）時，最低溫度出現(xiàn)在日出前.由于季節(jié)和天氣的影響，出現(xiàn)時間可能提前也可能落后。

2.影響氣溫日較差的因素:

緯度、季節(jié)、地形、下墊面的性質(zhì)、天氣條件,海拔等。2022/12/2833緯度：隨緯度的增高日較差減小，熱帶氣溫日較差平均為12℃，溫帶平均8～9℃，極地平均3～4℃。季節(jié)：一般夏季氣溫日較差大于冬季，但在中高緯度地區(qū)，一年中氣溫日較差在春季最大。地形：凹地＞平地＞凸地

天氣條件：晴天＞陰天、有風(fēng)<無風(fēng).

下墊面的性質(zhì)：海洋<陸地、沙土＞粘土、深色土＞淺色土、干松土＞潮濕土。海拔高度：隨海拔增高，日較差減小。2022/12/2834(二）氣溫的年變化表2.3

最冷、最熱月出現(xiàn)的時間

項目最熱月最冷月大陸性氣候區(qū)季風(fēng)氣候區(qū)7月1月海洋性氣候區(qū)8月2月1.變化規(guī)律2022/12/2835

2.影響氣溫年較差的因子：

緯度：隨緯度增加而增大。低緯度地區(qū)氣溫年較差很小，高緯度地區(qū)氣溫年較差可達40～50℃。

表2.4緯度與氣溫年較差地點緯度年較差（℃）廣州23°08′N15.5上海31°10′N23.8呼和浩特40°49′N35.9海拉爾49°13′N49.12022/12/2836海陸：溫帶海洋上年較差為11℃，大陸上年較差可達20～60℃，遠海區(qū)＞近海區(qū)。緯度39°N40°N距海遠近遠近遠近地點保定大連大同秦皇島年較差32.6℃29.4℃37.5℃30.6℃表2.5距海遠近與氣溫年較差2022/12/28373.氣溫的非周期變化⑴概念：即天氣變化引起的突然升溫和降溫。地形

天氣狀況海拔高海拔地區(qū)日較差大，年較差小。⑵形成原因：大規(guī)?？諝獾乃竭\動引起的。2022/12/2838

氣溫的周期性變化是地球公轉(zhuǎn)運動的結(jié)果，非周期性變化是大氣運動的結(jié)果。氣溫的非周期性變化可以加強或減弱甚至改變氣溫的周期性變化。實際上，一個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。⑶發(fā)生季節(jié)：一年中任何時間都可能發(fā)生,過渡季節(jié)（春夏、夏秋之交。）較為頻繁。2022/12/2839二、氣溫的空間變化（一）氣溫的水平分布

不同季節(jié)，氣溫水平分布不同，氣溫的水平分布通常用等溫線來表示。

等溫線分布反映氣溫的水平分布規(guī)律,如果地球有一個均一的表面,則等溫線分布與緯線大致平行,氣溫從低緯向高緯遞減。但由于氣溫除受緯度、太陽輻射影響外,還受大氣運動、地面狀況等因素的影響,所以等溫線不一定與緯線一致,經(jīng)常發(fā)生彎曲。2022/12/2840

赤道附近的氣溫年變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅度增大。

世界冷極在南極，為－90℃（喬治峰），熱極在索馬里境內(nèi)，為63℃。2022/12/2841我國實測最高氣溫48.9℃，新疆吐魯番2022/12/2842我國實測最低氣溫－52.5℃，黑龍江漠河2022/12/2843－90℃，南極2022/12/2844南極2022/12/2845北極2022/12/28461.氣溫垂直遞減率：

γ>0，表示氣溫隨高度的增加而降低；

γ＝0，表示氣溫不隨高度變化；

γ<0，表示氣溫隨高度的增加而增加。影響因子：陸地>海洋，沙漠、燥土>淺草地、濕土，晴天>陰天（二）近地層氣溫的垂直分布2022/12/2847圖2.6近地氣層溫度的垂直分布

★日射型：圖中12時★

輻射型：圖中0時★

清晨過渡型：圖中06時★

傍晚過渡型：圖中18時2.氣溫的垂直分布℃2022/12/28483.逆溫

一定條件下，氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象稱為逆溫。

逆溫層：出現(xiàn)逆溫的氣層稱為逆溫層。

當(dāng)發(fā)生逆溫時，冷而重的空氣在下，暖而輕的空氣在上，不易形成對流運動，使氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，阻礙了空氣垂直運動向上發(fā)展，因而又稱阻擋層。

⑴概念：

2022/12/2849

⑵逆溫的分類：輻射逆溫、平流逆溫、湍流（即亂流）逆溫、下沉逆溫、地形逆溫、鋒面逆溫和融雪逆溫等。

◆輻射逆溫

晴朗微風(fēng)的夜晚，地面由于有效輻射而強烈降溫，接近地面的空氣隨之冷卻降溫，較高的空氣冷卻較慢，從而形成的逆溫。厚度可達200～300ｍ。

大陸上常年都可出現(xiàn)，以冬季最強，夏季最弱。

夜間加強，黎明前達最大。2022/12/2850◆平流逆溫：暖空氣移到冷的下墊面上，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。

夜間加強，白天減弱。

冷的下墊面暖空氣暖空氣2022/12/2851

⑶逆溫的應(yīng)用：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常利用逆溫層防寒避凍、防治病蟲害；逆溫出現(xiàn)時噴灑農(nóng)藥，能使其均勻落在植株上；熏煙霧防霜凍時，可使煙霧彌漫在低層。工業(yè)上避開逆溫出現(xiàn)的時間來排放污染物質(zhì)。

思考題：假設(shè)大氣污染物以恒穩(wěn)速率排放，那么在無風(fēng)且晴朗的一天里，從避免吸入污染物的角度看，早晨是最適合鍛煉的時間么？2022/12/2852三、空氣絕熱變化與大氣穩(wěn)定度

假定空氣塊在垂直運動中與外界不發(fā)生熱量交換，這種過程稱為絕熱過程。一塊空氣運動時通常與外界有熱量交換，由于空氣的導(dǎo)熱率很小，氣塊在垂直運動中所經(jīng)歷各氣層的時間又很短，致使垂直運動中的空氣塊與周圍空氣間的熱量交換遠小于氣塊內(nèi)能的變化。所以，把空氣的垂直運動近似地看作絕熱變化。（一）空氣的絕熱變化2022/12/2853干絕熱直減率：干空氣或未飽和的濕空氣在絕熱運動過程中每改變單位距離溫度變化的數(shù)值叫干絕熱直減率

，用γd來表示，γd≈1℃/100m。若氣塊在高度Z0處溫度為T0，干絕熱上升或下降至高度Z＝Z0＋ΔZ處時，氣溫為T，則：1.干絕熱變化在絕熱過程中氣塊內(nèi)部無水分蒸發(fā)或水汽凝結(jié)稱為干絕熱過程。干空氣和未飽和濕空氣的絕熱變化稱為干絕熱變化。2022/12/28542.濕絕熱變化空氣塊在絕熱過程中內(nèi)部始終伴隨著水汽凝結(jié)或蒸發(fā)，叫濕絕熱過程。

飽和濕空氣絕熱上升時經(jīng)歷濕絕熱過程。飽和濕空氣在絕熱運動過程中每改變單位距離的溫度變化,稱為濕絕熱直減率，用γm表示。γm≈0.5℃/100m.注意：γm、γd指氣塊在升降過程中氣塊本身溫度的變化，而γ指的是實際大氣中溫度隨高度的分布，也稱作大氣的溫度層結(jié)。γm不是常數(shù)，它是氣壓和溫度的函數(shù)，隨著氣壓的降低、溫度的升高而減小。2022/12/2855思考題：為什么干絕熱直減率γd大于濕絕熱直減率γm？干絕熱過程是可逆的。濕絕熱過程中如果沒有水汽凝結(jié)物脫離則過程是可逆的，如果有水汽凝結(jié)物脫離氣塊則過程不可逆，這種過程稱為假絕熱過程。2022/12/2856（二）大氣穩(wěn)定度1.大氣穩(wěn)定度的概念概念：大氣的穩(wěn)定程度稱為大氣穩(wěn)定度，指空氣塊受外力擾動后，大氣層結(jié)（溫度和濕度的垂直分布）有使其返回或遠離原來平衡位置的趨勢或程度。假如有一塊空氣塊在外力的作用下，產(chǎn)生垂直運動，當(dāng)外力除去后，有下列情況發(fā)生：分類：2022/12/2857中性

若既無回到原位，又無繼續(xù)加速前進的趨勢，而是保持原有運動狀態(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動，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是不穩(wěn)定的。

若氣塊逐漸減速，趨于回到原位，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是穩(wěn)定的。

穩(wěn)定2022/12/28582.氣塊垂直運動加速度

如圖，有一氣塊，受外力作用后，在垂直方向上絕熱上升或下降到某一高度。此時，其受力如圖所示。若以向上的加速度為正，則有：T′ρ′P′ρ′vgρvgTPρ2022/12/2859將狀態(tài)方程代入上式得：T′＞T，a＞0，氣塊向上運動；T′＜T，a＜0，氣塊向下運動；T′＝T，a＝0，垂直運動不發(fā)展。3.大氣穩(wěn)定度的判據(jù)通常用氣溫直減率（γ）與上升氣塊的干絕熱直減率（γd）或濕絕熱直減率（γm）的對比來判斷。2022/12/2860

高度（m）10020030013℃12℃11℃13℃12℃11℃13℃12℃11℃γ=0.8γ=1.0γ=1.211.2℃12.0℃12.8℃11.0℃12.0℃13.0℃10.8℃12.0℃13.2℃A:γ<γd穩(wěn)定B:γ=γd中性C:γ>γd不穩(wěn)定

如圖示，氣塊在平衡位置處受到擾動后,由于氣溫直減率γ不同，會產(chǎn)生下列三種情形：圖2.7不飽和空氣的大氣穩(wěn)定度2022/12/2861對于未飽和空氣γ>γd不穩(wěn)定；γ=γd中性；γ<γd穩(wěn)定。

對于飽和濕空氣γ>γm不穩(wěn)定；γ=γm中性；γ<γm穩(wěn)定。大氣穩(wěn)定度的判據(jù)γ>γd時，大氣為絕對不穩(wěn)定；

γ＜γm時，大氣為絕對穩(wěn)定；

γm<γ<γd時，大氣為條件性不穩(wěn)定。2022/12/2862

熱量是生命活動的重要條件之一，也是農(nóng)業(yè)環(huán)境的一個重要因子。在研究熱量條件與動植物生長發(fā)育的關(guān)系時，一般都用溫度來表示。本節(jié)講述溫度的生物學(xué)意義；分析氣溫變化對農(nóng)業(yè)生物、農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)事活動的影響，同時給出積溫的定義、求算方法及在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。第五節(jié)溫度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)2022/12/2863一、作物的三基點溫度

(Three-basic-pointtemperatureofcrop)三基點溫度：指作物在生長發(fā)育過程中遇到的最低溫度、最高溫度和最適溫度。作物種類最低溫度最適溫度最高溫度小麥3--4.520--2230--32玉米8--1030--3240--44水稻10--1230--3236--38油菜4--520--2530--32表2.4幾種作物的三基點溫度（℃）2022/12/2864作物光合作用的三基點溫度指標(biāo)：最低溫度C30-5，C45-10、最適溫度C320-32，C440-45、最高溫度C340以下，C450-60。五個基本溫度指標(biāo)：把影響作物生命活動的致死低溫、最低溫度、最適溫度、最高溫度和致死高溫合稱五個基本溫度指標(biāo)。2022/12/2865二、農(nóng)業(yè)界限溫度

(Indextemperatureinfarming)

1.概念：指對作物有指示和臨界意義（標(biāo)志某些物候現(xiàn)象或農(nóng)事活動的開始、轉(zhuǎn)折或終止）的日平均氣溫。

2.幾個重要的界限溫度（1）0℃--土壤凍結(jié)與解凍；一年中日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的持續(xù)時期稱為農(nóng)耕期。（2）5℃--早春作物播種、多數(shù)樹木開始生長；日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃的持續(xù)時期稱為生長季。

2022/12/2866（3）10℃--多數(shù)作物生長活躍；日平均氣溫穩(wěn)定通過10℃的持續(xù)時期稱為積極生長期。

（4）15℃--喜溫作物積極生長。三.積溫的與植物的生長發(fā)育(therelationshipofaccumulatedtemperatureandcropgrowth)

在其他條件得到滿足的前提下，溫度因子對生物的發(fā)育起著主要作用。溫度對作物和變溫動物生長發(fā)育的影響，包括溫度的強度和持續(xù)時間兩個方面，積溫就是衡量這兩個方面的綜合效應(yīng)的一種農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)。是一種熱量指標(biāo)。2022/12/2867幾個溫度概念：1.生物學(xué)下限溫度（B）：植物開始生長發(fā)育的溫度。2.活動溫度：高于生