农林气象学-第二章温度.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,本 章 内 容,热量交换方式,土壤温度,温度与农业生产,2026/10/26,1,一、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,2026/10/26,2,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。,2026/10/26,3,陆地比海面强,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。,2026/10/26,5,一、土壤表层热量收支状况,Q,s,Q,s,R,L,E,P,B,L,E,R,P,B,（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,：,Qs=R-P-B-LE,夜间,：,-,Qs=,-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,2026/10/26,6,二、地面热量平衡方程,R-P-B-LE=Qs,-R+P+B+LE=,-,Qs,由此二式推出：,R=(B+,Q,s)+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。,2026/10/26,7,二、土壤的热特性,（一）容积热容量（,C,v,),1.,概念：,单位体积的土壤温度变化,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/m,3,2026/10/26,8,（,二）导热率（,）,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/ms,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。,土壤热通量的表达式,:,2026/10/26,10,单位：,2,/S,1.,定义：,单位体积的土壤，通过热传导，由垂直方向流入或流出,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。,2026/10/26,12,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。,2026/10/26,14,三、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：,2026/10/26,15,(,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，,Qs,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，,Qs,0,，,地面温度达一天中最低值。,其变化过程如下图所示,:,2026/10/26,16,1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,2026/10/26,17,3.,日恒温层：,土壤温度日较差为零时的深度。,一般深度约为4080，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.,2026/10/26,18,2.,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510处；中纬度约1020m；高纬约25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。,2026/10/26,20,（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,.,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？,2026/10/26,21,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。,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？,2026/10/26,23,解：,设日振幅为地面,1/2,的深度为,Z,1,，,依据定律一,有：,求得,Z1,10cm,，则可得到年振幅为地面,1/2,的深度为,191cm,。,2026/10/26,24,五、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。,2026/10/26,26,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。,2026/10/26,27,3.,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,km,，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,）。,2026/10/26,28,二、水体温度的变化,1.,日变化：,水面最高温度出现在午后1516h，最低温度出现在日出后的23h内。,日较差：在中纬度湖面上2.05,.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,23月。,2026/10/26,30,水面温度年较差也小，洋面上低纬度,2.04.0,，中纬度,5.08.0,3,.,位相：,最高温度和最低温度出现的时间，大约每深入60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,15,30,，年变化可传到,100,150,深处。,2026/10/26,31,4,.,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。,2026/10/26,32,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。,2026/10/26,33,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89，极地平均34。,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,0,，表示气温随高度的增加而降低；,0,，表示气温不随高度变化；,海洋，沙漠、燥土,浅草地、湿土，晴天,阴天,（,二）近地层气温的垂直分布,2026/10/26,47,图,2.6,近地气层温度的垂直分布,日射型：,图中12时,辐射型：,图中0时,清晨过渡型：,图中06时,傍晚过渡型：,图中18时,2,.,气温的垂直分布,2026/10/26,48,3.,逆温,一定条件下，气温随高度增加而升高的现象称为逆温。,逆温层：出现逆温的气层称为逆温层。,当发生逆温时，冷而重的空气在下，暖而轻的空气在上，不易形成对流运动，使气层处于稳定状态，阻碍了空气垂直运动向上发展，因而又称,阻挡层,。,概念：,2026/10/26,49,逆温的分类：,辐射逆温、平流逆温、湍流（即乱流）逆温、下,沉逆温、地形逆温、锋面逆温和融雪逆温等。,辐射逆温,晴朗微风的夜晚，地面由于有效辐射而强烈降温，接近地面的空气随之冷却降温，较高的空气冷却较慢，从而形成的逆温。,厚度可达,200,300,。,大陆上常年都可出现，以冬季最强，夏季最弱。,夜间加强，黎明前达最大。,2026/10/26,50,平流逆温：,暖空气移到冷的下垫面上，发生接触冷却，愈近地表面的空气降,温愈多，而上层空气受冷地面的影响小，降温较少，于是产生了逆温现象，这种逆温称为,平流逆温,。,夜间加强，白天减弱。,冷的下垫面,暖空气,暖空气,2026/10/26,51,逆温的应用：,农业生产上常利用逆温层防寒避冻、防治病虫害；,逆温出现时,喷洒农药，能使其均匀落在植株上；熏烟雾防霜冻时，可使烟雾弥漫在低层。,工业上避开逆温出现的时间来排放污染物质。,思考题：,假设大气污染物以恒稳速率排放，那么在无风且晴朗的一天里，从避免吸入污染物的角度看，早晨是最适合锻炼的时间么？,2026/10/26,52,三、空气绝热变化与,大气稳定度,假定空气块在垂直运动中与外界不发生热量交换，这种过程称为绝热过程。,一块空气运动时通常与外界有热量交换，由于空气的导热率很小，气块在垂直运动中所经历各气层的时间又很短，致使垂直运动中的空气块与周围空气间的热量交换远小于气块内能的变化。所以，把空气的垂直运动近似地看作绝热变化。,（一）空气的绝热变化,2026/10/26,53,干绝热直减率：,干空气或未饱和的湿空气在绝热运动过程中,每改变单位距离温度变化,的数值叫干绝热直减率,，用,d,来表示，,d,1/100m,。若气块在高度,Z,0,处温度为,T,0,，干绝热上升或下降至高度,Z,Z,0,Z,处时，气温为,T,，则：,1.,干绝热变化,在绝热过程中气块内部无水分蒸发或水汽凝结称为干绝热过程。干空气和未饱和湿空气的绝热变化称为干绝热变化。,2026/10/26,54,2.,湿绝热变化,空气块在绝热过程中内部始终伴随着水汽凝结或蒸发，叫湿绝热过程。,饱和湿空气绝热上升时经历湿绝热过程。,饱和湿空气,在绝热运动过程中,每改变单位距离的温度变化,称为湿绝热直减率，用,m,表示。,m,0.5/100m.,注意：,m,、,d,指气块在升降过程中气块本身温度的变化，而,指的是实际大气中温度随高度的分布，也称作大气的温度层结。,m,不是常数，它是气压和温度的函数，随着气压的降低、温度的升高而减小。,2026/10/26,55,思考题：为什么干绝热直减率,d,大于湿绝热 直减率,m,？,干绝热过程是可逆的。湿绝热过程中如果没有水汽凝结物脱离则过程是可逆的，如果有水汽凝结物脱离气块则过程不可逆，这种过程称为假绝热过程。,2026/10/26,56,（二）大气稳定度,1.,大气稳定度的概念,概念：,大气的稳定程度称为大气稳定度，指空气块受外力扰动后，大气层结（温度和湿度的垂直分布）有使其,返回,或,远离原来平衡位置的趋势或程度,。,假如有一块空气块在外力的作用下，产生垂直运动，当外力除去后，有下列情况发生：,分,类：,2026/10/26,57,中性,若既无回到原位，又无继续加速前进的趋势，而是保持原有运动状态，这时气块所处的,气层,，对于该气块而言是,中性,的。,不稳定,若气块按原方向加速运动，这时气块所处的,气层,，对于该气块而言是,不稳定,的。,若气块逐渐减速，趋于回到原位，这时气块所处的,气层,，对于该气块而言是,稳定,的。,稳定,2026/10/26,58,2.气块垂直运动加速度,如图，有一气块，受外力作用后，在垂直方向上绝热上升或下降到某一高度。此时，其受力如图所示。若以向上的加速度为正，则有：,T P,vg,vg,T P,2026/10/26,59,将状态方程,代入上式得：,T,T,，,a,0,，气块向上运动；,T,T,，,a,0,，气块向下运动；,T,T,，,a,0,，垂直运动不发展。,3.,大气稳定度的判据,通常用气温直减率（,）与上升气块的干绝热直减率,（,d,）或湿绝热直减率（,m,）的对比来判断。,2026/10/26,60,高度,（,m,）,100,200,300,13,12,11,13,12,11,13,12,11,=0.8,=1.0,=1.2,11.2,12.0,12.8,11.0,12.0,13.0,10.8,12.0,13.2,A:,d,不稳定,如图示，气块在平衡位置处受到扰动后,由于气温直减率,不同，会产生下列三种情形：,图,2.7,不饱和空气的大气稳定度,2026/10/26,61,对于未饱和空气,d,不稳定；=,d,中性；,m,不稳定；=,m,中性；,d,时，大气为绝对不稳定；,m,时，大气为绝对稳定；,m,d,时，大气为条件性不稳定。,2026/10/26,62,热量是生命活动的重要条件之一，也是农业环境的一个重要因子。在研究热量条件与动植物生长发育的关系时，一般都用温度来表示。本节讲述温度的生物学意义；分析气温变化对农业生物、农业环境和农事活动的影响，同时给出积温的定义、求算方法及在农业上的应用。,第五节 温度与农业生产,2026/10/26,63,一、作物的三基点温度,(Three-basic-point temperature of crop),三基点温度：指作物在生长发育过程中遇到的最低温度、最高温度和最适,温度。,作物种类,最低温度,最适温度,最高温度,小麦,3-4.5,20-22,30-32,玉米,8-10,30-32,40-44,水稻,10-12,30-32,36-38,油菜,4-5,20-25,30-32,表,2.4,几种作物的三基点温度（,）,2026/10/26,64,作物光合作用的三基点温度指标：,最低温度,C,3,0-5,，,C,4,5-10,、最适温度,C,3,20-,32,，,C,4,40-45,、最高温度,C,3,40,以下，,C,4,50-60,。,五个基本温度指标：,把影响作物生命活动的致死低温、最低温度、最适温度、最高温度和致死高温合称五个基本温度指标。,2026/10/26,65,二、农业界限温度,(,Index temperature in farming,),1.,概念：指对作物有指示和临界意义（标志某些物候现象或农事活动的开始、转折或终止）的日平均气温。,2,.几个重要的界限温度,（1）0-土壤冻结与解冻；一年中日平均气温稳定通过0的持续时期称为,农耕期。,（2）5-早春作物播种、多数树木开始生长；日平均气温稳定通过5的持续时期称为生长季,。,2026/10/26,66,（3）10-多数作物生长活跃；日平均气温 稳定通过10的持续时期称为积极生长期。（4）15-喜温作物积极生长。,三.积温的与植物的生长发育,(the relationship of accumulated temperature and crop growth),在其他条件得到满足的前提下，温度因子对生物的发育起着主要作用。,温度对作物和变温动物生长发育的影响，包括温度的强度和持续时间两个方面，积温就是衡量这两个方面的综合效应的一种农业气象指标。是一种热量指标。,2026/10/26,67,几个温度概念：,1.,生物学下限温度（,B,）：,植物开始生长发育的温度。,2.,活动温度：,高于生物学下限温度的日平均温度，用,t,i,来表示。,3.,有效温度：,日平均温度与生物学下限温度之差，用,t,i,B,来表示。,2026/10/26,68,4.,积温：,植物某一发育时期或整个生长期高于生物学下限温度的日子的,日平均气温总和，,称为植物在此期间的积温。,5.,活动积温：,植物某一生育时期或整个生长期所有活动温度的总和。,（,t,i,B),6.,有效积温：,植物某一生育期或全生育期所有有效温度的总和。,（,ti,B,）,2026/10/26,69,积温在农业生产的应用,(Application of accumulated temperature on agricultural production),鉴定各地的热量资源（常用年活动积温）；,预测预报植物生育期及病虫害；,可作为作物与品种特性的一个重要指标,在种子鉴定证书上标明作物与品种从播种到开花、成熟所需的积温。,引种的重要依据。,2026/10/26,70,应用举例：,n=25（天）,答：水仙从浸泡到开花需,25,天。,例,4:,水仙从浸泡根球到开花需大于,10,的有效积温,250,日,度，若浸泡后日平均气温为,20,，问水仙从浸泡到开花需多少天？,解：根据,有：,2026/10/26,71,例,5:,梨小食心虫的生物学下限温度为5.5，完成一个世代需有效积温679日,度，若某地大于5.5的年有效积温为3627.4日,度，问该地梨小食心虫一年内能完成多少个世代的循环。,答：该地梨小食心虫一年内能完成,3627.4日,度/679日,度=5.3个世代的循环,。,2026/10/26,72,习 题：,1.,求某站某年某月,1625,日期间,10,以上的活动积温和有效积温。,2.,绘图说明，一天中土壤温度铅直分布的四种类型。,日期（日）,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,日平均气温（）,11.7,11.5,9.3,9.4,12.6,12.8,12.0,12.1,12.4,17.3,2026/10/26,73,3.,阐明高纬度地区土壤温度的年较差比低纬度地区大。,4.,写出地面热量平衡方程，试举一例说明其在农业生产中的应用。,5.,气温非周期性变化的原因是什么？多出现在那个季节？,6.,大气稳定度的判据是什么,?,2026/10/26,74,