农林气象学第二章温度.

2020/1/51第二章温度本章内容热量交换方式土壤温度水体温度空气温度温度与农业生产2020/1/52一、辐射热交换任何温度在绝对零度以上的物体，通过放射和吸收辐射而进行的热量交换方式。是地面和大气热量交换的主要方式。二、分子热传导物质通过分子热运动，传导热量的方式。土壤中热量交换的主要方式。☻土壤表面与下层土壤间以分子热传导形式进行交换的热量以土壤热通量B来表示。第一节热量交换方式2020/1/53作用：缓和地区之间、纬度之间温度的差异有很大作用。作用：使上下层空气混合，产生热量交换。大规模空气在水平方向上的运动称为平流。四平流热交换：水平方向上热量交换的主要方式三对流热交换：低层大气与高层大气热交换的主要方式空气在垂直方向上有规律的升降运动称为对流。根据其形成原因，分为两种：热力对流和动力对流。2020/1/54五、乱流（湍流）：低层大气热交换的主要方式☺流体在各方向上的不规则运动。分为热力乱流动力乱流☺乱流交换的热量以乱流热通量P来表示，表示以乱流方式进入空气的热量。2020/1/55陆地比海面强山地比平原强白天比夜间强夏季比冬季强六、潜热交换水汽在相态变化时所进行的热量交换称潜热交换，它影响下垫面和大气层的温度变化，是天气演变的主角。☺近地气层乱流强度的时空变化：☺潜热交换的热量以潜热通量LE表示，其中L为蒸发或凝结潜热，E为蒸发或凝结的量。2020/1/56一、土壤表层热量收支状况ΔQsΔQsRLEPB′LERPB′（白天或夏季）（夜间或冬季）图2.1地表层热量收支示意图白天：ΔQs=R-P-B-LE夜间：-ΔQs=-R+P+B′+LE箭头指向地面的是收入项，表示地面得到热量，为正值；箭头离开地面是支出项，表示地面损失热量，为负值。第二节土壤温度2020/1/57二、地面热量平衡方程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地面热量平衡方程。☻意义：在农林业生产中可以通过改变耕作措施来改善农林小气候环境。2020/1/58二、土壤的热特性（一）容积热容量（Cv)1.概念：单位体积的土壤温度变化１℃所需吸收或放出的热量。2.大小由土壤组成成分其各成分的比例决定。单位：J/m3℃)(12TTVQCv2020/1/59在土壤的组成物质中，空气的热容量最小，水的热容量最大，固体成分介于两者之间。表2－1.土壤容积热容量分析土壤成分容积热容量（J/（㎝3·℃））土壤矿物质土壤有机质水空气1.9252.7084.1860.00132020/1/510（二）导热率（λ）1.定义：温度梯度为1℃/m时，单位时间单位截面积土壤穿过的热量。即1m厚的土层上下温差为1℃时，单位时间单位截面积上穿过的热量。它表示土壤传递热量的能力。单位：J/m·s·℃2.大小：决定于土壤各组分及其比例。此外，土壤中有机质的含量也影响导热率，有机质含量越多，导热率越小。ZTB土壤热通量的表达式:2020/1/511土壤成分导热率(J·m－1·s－1·℃－1）土壤矿物质土壤有机质水空气0.02930.019970.006280.0002093土壤中固体成分的导热率最大，水居中，空气最小。表2－2.土壤导热率分析2020/1/512单位：ｍ2/S1.定义：单位体积的土壤，通过热传导，由垂直方向流入或流出λ焦耳的热量时，温度升高或降低的数值。它可以表示土壤因热传导而消除层次间温度差异的能力。（三）导温率（k）土壤因导热而引起温度变化的能力称为土壤的导温性，导温性用导温率K表示。2020/1/513土壤导温率直接决定着土壤温度的垂直分布及最高、最低温度出现的时间。在其它条件相同时，K越大，其表面温度变化越小，而土壤内温度变化则越大；同时土壤温度变化所及的深度也越深，各深度最低、最高温度出现的时间较地表落后的也就越少。vCKＫ导温率；λ导热率，Ｃv容积热容量。2.计算公式：2020/1/514★土壤湿度较小的情况下，导温率随着土壤湿度的增大而增加。♠土壤导温率分析：图2.2砂土的热特性与土壤湿度的关系★当土壤湿度增加到一定程度后，土壤导温率却随着土壤湿度的增大而减小。2020/1/515三、土壤温度变化日较差：一天内最高温度与最低温度之差。年较差：一年中最热月平均温度与最冷月平均温度之差。位相：最高温度与最低温度出现的时间。◆表征温度变化的几个物理量：2020/1/516(一）地面温度的日变化1.概念：土壤温度在一昼夜之内随时间的连续变化，称为土温的日变化。2.变化规律午后，当地面热量收支相等时，ΔQs＝0，地面温度达到一天中的最高值，约在13：00左右；天亮前地面热量积累最少，当地面热量收支再次达平衡时，ΔQs＝0，地面温度达一天中最低值。其变化过程如下图所示:2020/1/5171．地面温度日变化曲线；2．地面热量支出日变化曲线；3．地面热量收入日变化曲线。Tm：地面最低温度；TM：地面最高温度图2.3地面温度变化与地面热量收支示意图2020/1/5183.日恒温层：土壤温度日较差为零时的深度。一般深度约为40～80㎝，平均为60㎝。4.影响土温日变化的因子：太阳高度角（纬度、季节）、土壤热特性、土壤颜色、地形、天气，由各因子综合影响。太阳高度角：随太阳高度角增大辐射日变化增大,土温日较差也越大。纬度增高，日较差减小。土壤热特性：导热率大的土壤日较差小;热容量大的土壤,温度日较差小.2020/1/519土壤颜色:深色ΔT日＞浅色ΔT日地形:凹地＞平地＞凸地天气:晴天ΔT日＞阴天ΔT日（二）地面温度的年变化1.变化规律:北半球中高纬度，土壤表面月平均最高温度出现在7月份，最低温度出现在1月份；赤道附近由于两次太阳直射，土壤表面月平均最高温度出现在春分和秋分后，2020/1/5202.年恒温层（土壤温度没有年变化的土层）：土壤温度的年较差为零时的深度。低纬约5～10ｍ处；中纬度约10～20m；高纬约25ｍ左右。3.影响因子纬度、土壤的自然覆盖、土壤热特性、地形、天气。月平均最低温度出现在夏至和冬至日以后。2020/1/521（三）土壤中温度变化的规律定律一：最高、最低温度出现的时间随深度增加而落后,其落后的时间与土壤深度成正比.κπτ2Zt例1.若0cm最高温度出现在13：00，5cm处最高温度出现在15：00，问20cm处最高温度出现在几时？2020/1/522定律二：若土壤深度按算术级数增加，则土壤温度的振幅按几何级数减小.例2：地面温度日振幅为16℃，12cm处日振幅为8℃，即日振幅减小了1倍，则可推测在24cm处，日振幅为4℃，……问48cm处土温日振幅为多少？注：较差＝2振幅2020/1/523定律三：温度振幅随深度衰减的速度与周期有关，若振幅衰减同样的倍数，则相应的深度与其周期的平方根成正比。2121ττZZ例3：已知某地段5cm深处温度日振幅为地面的求年振幅为地面1/2的深度？222020/1/52450022eAA解：设日振幅为地面1/2的深度为Z1，依据定律一有：10021ZeAA求得Z1＝10cm，则可得到年振幅为地面1/2的深度为191cm。2020/1/525四、土壤温度的垂直分布：☻日射型：土壤温度随深度的增加而降低。图2.4土壤温度垂直分布☻辐射型：土壤温度随深度的增加而增加。☻清晨过渡型：由辐射型向日射型转变，早上或春季。☻傍晚过渡型：由日射型向辐射型转变，傍晚或秋季。2020/1/526五、土壤的冻结和解冻当土壤温度降到零度以下，土壤中水分与潮湿土粒发生凝固或结冰，使土壤变得非常坚硬，即土壤的冻结。坚硬的土层并不十分厚，在它下面还是比较松软的土。含有冰晶的土就是冻土。2.地理分布：1.冻结：分布于高纬度地带和高山垂直带上部。我国东北地区冻土层可达3米以上，华北平原约1米以内，西北地区在1米以上，秦岭淮河以南几乎没有冻土。2020/1/527我国多年冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭,面积为38～39万平方公里,高纬度的多年冻土是欧亚大陆多年冻土南缘,平面分布服从纬度地带性规律,即纬度越高的地方冻土面积越大,厚度越厚。高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地,如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。2020/1/5283.土壤的解冻：由上而下和由下而上同时解冻。4.冻土的应用：管道、房屋的地基，各地最大冻土的深度。年平均温度低于-3～-5℃，一般都有永冻土。我国永冻土面积约214.8万km²，其中大小兴安岭38.2、青藏高原150.0、祁连山13.4、天山9.8、阿尔泰山3.4.…..五台山（2.896）。2020/1/529第三节水层温度一、水体的辐射特征水是半透明体，吸收率大水的热容量大热量主要消耗于蒸发水是流体，通过乱流、对流、平流交换热量。2020/1/530二、水体温度的变化1.日变化：水面最高温度出现在午后15～16h，最低温度出现在日出后的2～3h内。日较差：在中纬度湖面上2.0～5.0℃，洋面0.1～0.5℃.随深度增加，水温日较差减小。2.年变化：北半球中、高纬度，水面月平均最高温度一般出现在8月，月平均最低温度则出现在2～3月。2020/1/531水面温度年较差也小，洋面上低纬度2.0~4.0℃，中纬度5.0~8.0℃3.位相：最高温度和最低温度出现的时间，大约每深入60ｍ落后一个月。水温日较差和年较差随深度加深而减小，日变化消失层深度可达15～30ｍ，年变化可传到100～150ｍ深处。2020/1/5324.垂直变化：等温层、跃变层、等温层图2.5琵琶湖水温的垂直分布夏季：水表层趋于等温分布。在等温层以下有一个跃变层。跃变层以下是等温层。冬季：水温的垂直分布几乎呈等温状态。当水面温度降到4℃以下时，表层冷水不再下沉，使水面以下的水温在4℃左右。2020/1/533第四节空气温度与大气稳定度一、气温随时间变化（一）气温的日变化1.日变化规律最高温度出现在14～15（冬季在13～14时）时，最低温度出现在日出前.由于季节和天气的影响，出现时间可能提前也可能落后。2.影响气温日较差的因素:纬度、季节、地形、下垫面的性质、天气条件,海拔等。2020/1/534纬度：随纬度的增高日较差减小，热带气温日较差平均为12℃，温带平均8～9℃，极地平均3～4℃。季节：一般夏季气温日较差大于冬季，但在中高纬度地区，一年中气温日较差在春季最大。地形：凹地＞平地＞凸地天气条件：晴天＞阴天、有风无风.下垫面的性质：海洋陆地、沙土＞粘土、深色土＞浅色土、干松土＞潮湿土。海拔高度：随海拔增高，日较差减小。2020/1/535(二）气温的年变化表2.3最冷、最热月出现的时间项目最热月最冷月大陆性气候区季风气候区7月1月海洋性气候区8月2月1.变化规律2020/1/5362.影响气温年较差的因子：纬度：随纬度增加而增大。低纬度地区气温年较差很小，高纬度地区气温年较差可达40～50℃。表2.4纬度与气温年较差地点纬度年较差（℃）广州23°08′N15.5上海31°10′N23.8呼和浩特40°49′N35.9海拉尔49°13′N49.12020/1/537海陆：温带海洋上年较差为11℃，大陆上年较差可达20～60℃，远海区＞近海区。纬度39°N40°N距海远近远近远近地点保定大连大同秦皇岛年较差32.6℃29.4℃37.5℃30.6℃表2.5距海远近与气温年较差2020/1/5383.气温的非周期变化⑴概念：即天气变化引起的突然升温和降温。地形天气状况海拔高海拔地区日较差大，年较差小。⑵形成原因：大规模空气的水平运动引起的。2020/1/539气温的周期性变化是地球公转运动的结果，非周期性变化是大气运动的结果。气温的非周期性变化可以加强或减弱甚至改变气温的周期性变化。实际上，一个地方气温的变化是周期性变化和非周期性变化共同作用的结果。⑶发生季节：一年中任何时间都可能