1、第三章 溫度,大氣溫度、土壤溫度的變化過程 溫度與農(nóng)業(yè),第一節(jié) 大氣溫度,一、大氣的熱量輸送,空氣的溫度變化途徑有兩種 空氣與外界有熱量交換，使空氣內(nèi)能發(fā)生變化。 這種變化叫做非絕熱變化。 空氣與外界沒有熱量交換，只是由于外界壓力變化使空氣膨脹或壓縮， 也會(huì)引起內(nèi)能的變化。這種與外界未發(fā)生熱量交換而引起的變化， 稱為絕熱變化(Adiabatic process)。,1. 空氣溫度的非絕熱變化(空氣與外界發(fā)生熱量交換),（1）分子傳導(dǎo)（Conduction) 依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)將能量從一個(gè)分子傳遞給另一個(gè)分子，而達(dá)到熱量 平衡的傳熱方式。 （2）輻射（Radiation) 通過長波輻射方式，大氣和

2、地面之間、空氣團(tuán)之間不停地進(jìn)行 熱量交換。,（3）對(duì)流（Convection) 當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí)，周圍冷而重的空氣便下來補(bǔ)充，這種升降 運(yùn)動(dòng)，稱為對(duì)流。 通過空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，空氣上下層互相混合，熱量隨之得到交換， 使底層空氣的熱量傳遞到較高的氣層。,（4）湍流（Turbulence) 空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為湍流（亂流）。 當(dāng)有湍流時(shí)，相鄰空氣之間在各個(gè)方向發(fā)生混合，發(fā)生熱量交換,（5）平流（Advection) 大規(guī)?？諝鈮K的水平運(yùn)動(dòng)稱為平流。 當(dāng)冷空氣流經(jīng)暖的區(qū)域時(shí)，可使流經(jīng)區(qū)域溫度下降。 當(dāng)暖空氣流經(jīng)冷的區(qū)域時(shí)，可使流經(jīng)區(qū)域溫度上升。 （6）蒸發(fā)與凝結(jié)（Evaporation and c

3、ondensation) 當(dāng)水在蒸發(fā)時(shí)要吸收能量。水汽在凝結(jié)時(shí)，要放出潛熱。,2. 空氣溫度的絕熱變化(空氣與外界不發(fā)生熱量交換),空氣與外界沒有熱量交換， 而是由外界壓力的變化，使空氣膨脹或壓縮引起的空氣內(nèi)能的變化，稱為絕熱變化。,絕熱冷卻,空氣塊(團(tuán))在上升過程中，因外界壓力減小，空氣團(tuán)體積膨脹，對(duì)外做功。而這時(shí)，由于空氣團(tuán)與外界沒有熱量交換，做功所需的能量，只能由空氣團(tuán)本身的內(nèi)能來負(fù)擔(dān)，因此，該空氣團(tuán)消耗內(nèi)能而溫度下降。,空氣塊(團(tuán))在下降的過程中，因外界壓力增大，空氣團(tuán)體積被壓縮，外界對(duì)空氣團(tuán)做功。在絕熱條件下，所作的功只能用于增加空氣團(tuán)的內(nèi)能，因而空氣團(tuán)的溫度升高。,絕熱增溫,根據(jù)空

4、氣團(tuán)的水汽含量，可分為干絕熱變化 濕絕熱變化,(1)干絕熱變化： 是指干空氣或未飽和的濕空氣團(tuán)，在絕熱上升或下降過程中的絕熱變化。在干絕熱變化過程中，空氣團(tuán)溫度隨高度的變化率稱為干絕熱直減率。 （Adiabatic lapse rate for dry air) d, 一般約為1/100m。 (2)濕絕熱變化： 是指飽和濕空氣團(tuán)，在絕熱上升或下降過程中的絕熱變化。 在濕絕熱過程中，空氣團(tuán)溫度隨高度的變化率稱濕絕熱直減率。 （Adiabatic lapse rate in saturated air） m, 其值約為0.5/100m。,d m： 在濕絕熱變化過程中，飽和空氣團(tuán)上升時(shí)，由于溫度降低

5、，發(fā)生凝結(jié)，放出熱量，緩和了空氣上升冷卻的程度。因此降溫減小。 而干空氣或未飽和空氣上升時(shí)并沒有發(fā)生凝結(jié)放熱，因此降溫增多。 空氣塊(團(tuán))在下沉增溫時(shí)，如空氣塊有凝結(jié)的水分，則由于蒸發(fā)耗熱，下沉?xí)r的增溫比干絕熱增溫少。,二、 大氣穩(wěn)定度（Atmospheric stability),1.大氣穩(wěn)定度的概念： 空氣塊受到垂直方向擾動(dòng)后， 大氣層結(jié)(溫度和濕度的垂直分布)使該空氣團(tuán)具有返回或遠(yuǎn)離 原來平衡位置的趨勢和程度，稱為大氣穩(wěn)定度。 取大氣中某高度上的一團(tuán)空氣， 假如這團(tuán)空氣受到某種外力的作用，產(chǎn)生了向上或向下的運(yùn)動(dòng)，那么就可能出現(xiàn)以下三種情況： ,（1）穩(wěn)定（Stable）： 空氣團(tuán)受力移動(dòng)

6、后，逐漸減速，并且有返回原來 高度的趨勢，則這時(shí)的氣層對(duì)該空氣團(tuán)來說是穩(wěn)定的。 （2）不穩(wěn)定(Unstable)： 如果該空氣團(tuán)一離開原來的高度就逐漸加速運(yùn)動(dòng)， 并有遠(yuǎn)離原高度的趨勢， 這時(shí)的氣層對(duì)于該空氣團(tuán)來說是不穩(wěn)定的。 （3）中性（Neutral）： 如果該空氣團(tuán)在外力作用下到達(dá)某高度以后，既不加 速也不減速，停留于此高度， 這時(shí)的氣層對(duì)于該空氣團(tuán)來說是中性的。,2.大氣穩(wěn)定度的判斷 當(dāng)該空氣塊(團(tuán))受到外力作用，作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)， 只要它本身的絕熱直減率(d或m)與周圍空氣的溫度垂直梯度不一致， 那么它到達(dá)新的高度時(shí)其溫度與周圍空氣的溫度就不相同。 導(dǎo)致該空氣團(tuán)(塊)的密度與周圍空氣密度的

7、不相同。 最終產(chǎn)生向上或向下的力。 當(dāng)空氣塊的重力小于浮力時(shí)，空氣塊向上運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)空氣塊的重力大于浮力時(shí)，空氣塊向下運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)空氣塊的重力等于浮力時(shí)，空氣塊不運(yùn)動(dòng)。, 值越小，大氣越穩(wěn)定。 在逆溫的情況下， m 時(shí)，大氣是不穩(wěn)定的。,三、氣溫的時(shí)空變化,1.氣溫的周期性變化 （1）氣溫的日變化：一天中氣溫隨時(shí)間的連續(xù)變化，稱氣溫的日變化。 氣溫日較差：在一天中空氣溫度有一個(gè)最高值和一個(gè)最低值， 兩者之差為氣溫日較差。,上海市7月氣溫日變化的平均情況,影響氣溫日較差的因素 1. 緯度：氣溫日較差主要決定于正午的太陽高度角，而正午的太陽高 度角是隨緯度的升高而減小的。 因此，氣溫日較差是隨緯度的升

8、高而減小。 熱帶地區(qū)：12左右； 溫帶地區(qū)：8.0-9.0； 極圈：3.0-4.0,2. 季節(jié)：夏季日較差大于冬季。中高緯度地區(qū)，春季日較差最大。 ,3. 地形：低凹地的氣溫日較差大于凸地的氣溫日交差。 4. 下墊面性質(zhì)： 陸地日較差大于海洋； 沙土、深色土、干松土壤的日交差大于粘土、淺色土和潮濕緊密地土。,5. 天氣： 晴天日較差大于陰雨天的日較差； 大風(fēng)天的日較差較小。,（2）氣溫的年變化：一年中氣溫隨時(shí)間的連續(xù)變化，稱氣溫的年變化。 氣溫年較差：在一年中月平均氣溫最高值與最低值之差，稱為氣溫 年較差。 中、高緯度地區(qū)月平均最高溫度在7月份出現(xiàn)；最低溫度在1月份出現(xiàn) 海洋上的最高氣溫在8月

9、份出現(xiàn)，最低溫度在2月份出現(xiàn),影響氣溫年較差的因素 1.緯度：氣溫年較差隨緯度的升高而增大(太陽輻射隨緯度的年變化有關(guān))。,2.海洋：由于海陸熱特性不同，對(duì)于同一緯度的海陸地區(qū)， 大陸地區(qū)冬夏兩季空氣的熱量收入的差值比海洋大。 所以大陸上的年較差比海洋大。 溫帶海洋氣溫年較差為11 大陸上年較差可達(dá)20-60 3.距海遠(yuǎn)近：由于水的熱特性，使海洋升降溫都比較緩和， 距海洋越近，受海洋的影響越大，氣溫年較差越小。,2.氣溫的非周期性變化 在大氣水平運(yùn)動(dòng)的影響下會(huì)發(fā)生非周期性的變化。 在春季，有北方冷空氣的南下，會(huì)使氣溫大幅度下降。 在秋季，有南方暖空氣的北上，會(huì)出現(xiàn)氣溫突升的現(xiàn)象。,3.氣溫的垂

10、直分布 一般情況下，在對(duì)流層中，氣溫是隨著高度的增加而降低的。 因?yàn)閷?duì)流層空氣是通過吸收地面輻射而增溫的。 所以，距地面越遠(yuǎn)，溫度則越低。 （1）氣溫的垂直梯度：指高度相差100m，兩端氣溫的差值（/100m）。 簡稱氣溫直減率()。 Z 表示兩高度差； T 表示兩高度相應(yīng)的氣溫差； 負(fù)號(hào)表示氣溫垂直分布的方向。 氣溫垂直梯度在對(duì)流層中的平均值為約0.65/100m。,（2）對(duì)流層中的逆溫現(xiàn)象 a.輻射逆溫：由于地面強(qiáng)烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱為輻射逆溫。 在晴朗無云或少云的夜晚，地面因強(qiáng)烈的有效輻射而很快冷卻，使貼近 地面的氣層也隨之降溫。,b.平流逆溫：當(dāng)暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上時(shí)

11、， 由于近地面氣層的空氣受冷的地面的影響大，降溫較多； 而上層空氣受地面影響小，降溫也較少。,逆溫現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 有霜凍的夜晚，往往有逆溫存在，氣層處于最穩(wěn)定狀態(tài)。 此時(shí)燃燒干草、化學(xué)物質(zhì)等，這些物質(zhì)的燃燒所形成的煙霧會(huì)被逆溫層阻擋而彌漫在貼地氣層，使大氣逆輻射增加，防霜凍效果好。 噴灑農(nóng)藥時(shí)，為使農(nóng)藥能均勻地灑落在植株上，也往往利用清晨的逆溫層，使藥劑不能向上亂飛。 在寒冷季節(jié)需要涼曬一些農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，為避免地面溫度過低受凍，可將晾曬的東西置于一定高度之上。 一般2m高度處的氣溫比地面溫度高3-5,第二節(jié) 土壤溫度,一、 土壤熱特性,1.熱容量 描述土壤熱容量的物理量有三種：熱容量、質(zhì)量

12、熱容量和定容熱容量 熱容量（Heat capacity):表示某物體溫度升高或降低1所需吸收或 放出的熱量。用C表示，單位為J/。 （1）土壤質(zhì)量熱容（Heat capacity of soil at constant mass): 表示單位質(zhì)量的物體，溫度變化1所需吸收或放出的熱量。 用Cm表示，單位為J/(kg )。 （2）土壤定容熱容（Heat capacity of soil at constant volume): 表示單位體積的物體，溫度變化1所需吸收或放出的熱量。 用Cv表示，單位為J/(m3 ),表. 土壤和土壤組成成份的熱特性,容積熱容量 J cm-3 K-1,2.13 2.

13、39 3.51 4.18 1.2110-3,1.28 2.12 2.96,0.58 2.31 4.05,1.42 2.25 3.10,2.熱導(dǎo)率（Thermal conductivity) 當(dāng)物體不同部位之間存在溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱能的傳遞，熱流的方向總是由 高溫指向低溫。物體傳遞熱量的能力用熱導(dǎo)率來表示。 熱導(dǎo)率：當(dāng)溫度垂直梯度為1/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積 所傳遞的熱量。用表示，單位為 J/(ms),表. 土壤和土壤組成成份的熱特性,容積熱容量 J cm-3 K-1,2.13 2.39 3.51 4.18 1.2110-3,1.28 2.12 2.96,0.58 2.31 4.05

14、,1.42 2.25 3.10,例題： 由熱傳導(dǎo)作用通過面積為1m2、厚度為0.2m土塊的熱通量密度為50w/m2。 設(shè)該土塊的導(dǎo)熱率為1.2J/(ms)，試計(jì)算該土塊兩端的溫度差。,3.熱擴(kuò)散率（Thermal diffusivity) 熱擴(kuò)散率是指在一定的熱量得失情況下，土壤溫度變化快慢的一個(gè)物理量。 熱擴(kuò)散率：單位容積的物質(zhì)，通過熱傳導(dǎo)，由鉛直方向流入（或流出） (單位為J)的熱量后，溫度升高（或降低）的數(shù)值。,當(dāng)溫度梯度為1/cm時(shí)，體積為1cm3的物體的單位時(shí)間內(nèi)（一秒） 的溫度變化。,熱擴(kuò)散率直接決定著溫度傳播的速度， 因此，影響土壤溫度的鉛直分布、最高、最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間。,二、

15、 土壤溫度的日、年變化,1.土壤溫度的日變化 土壤溫度在晝夜間隨時(shí)間的連續(xù)變化，稱為土壤溫度的日變化。 土壤溫度日較差：一天中土壤溫度最高值和最低值之差， 稱為土壤溫度日較差。,影響土壤溫度日較差的因素 （1）太陽高度：是影響土壤溫度日變最主要和最基本的因子。 正午時(shí)刻太陽高度角大的季節(jié)和地區(qū)，一日內(nèi)太陽輻射日變化大, 因而土壤溫度日較差就大。 （2）土壤熱特性： 熱導(dǎo)率大的土壤，當(dāng)土壤表面獲得熱量時(shí)，有較多的熱量傳向深層; 當(dāng)土壤表層冷卻時(shí)，又有較多的熱量自深層傳至表層,因而土表日較差小。,（3）土壤顏色：深色土壤表面日較差比淺色土壤日較差大。 （4）地形：與平地或凹地相比，凸起地由于通風(fēng)良

16、好，亂流交換旺盛，白天溫度 不易升高，夜間溫度不易降低，因而凸起地的日較差小。 （5）天氣：與晴天相比，因?yàn)殛幪斓脑茖幽芟跆栞椛?，白天使地面增溫少?而夜間又減少了地面的長波輻射，因而陰天的日較差小。,2.土壤溫度的年變化 土壤表面溫度的年變化，主要決定于太陽輻射能的年變化。 北半球的中、高緯度地區(qū)，土壤表面最高溫度一般出現(xiàn)在7，8月份； 土壤表面最低溫度一般出現(xiàn)在1，2月份 一年中，最高的月平均溫度與最低的月平均溫度之差，稱為溫度年較差。 土壤表面溫度年較差：隨緯度的增高而增大。 廣州（2308N）:15.9 齊齊哈爾（4720N）:47.8,三、 土壤溫波方程,根據(jù)實(shí)際觀測，土壤日、年

17、周期性變化非常有規(guī)律性，呈現(xiàn)正鉉曲線。,假設(shè)：土壤結(jié)構(gòu)是均勻，且無限深的前提下， 對(duì)地面以下任一個(gè)深度、任一時(shí)刻的溫度可以用正鉉公式來表示。,:表示z深度t時(shí)刻的土壤溫度，單位：； A(0):地表振幅。 :土溫曲線的正鉉角度；=2/，為周期(日變化周期為24h,年變化為365d) z:觀測深度； t:觀測時(shí)間； D:土壤衰減深度(Damping depth): 土壤溫波振幅減少e-1(0.368)的深度(m)。用 來表示，K 為土壤的熱擴(kuò)散率。, 若土壤深度按算術(shù)級(jí)數(shù)增加，則土壤溫度的振幅按幾何級(jí)數(shù)減少。 如：土壤深度增加(如0，D2D3D) 土壤溫度振幅的減少 (A0：Az：A2z=1:e-

18、1:e-2)。 當(dāng) z = D時(shí)，Az = e-1 = 0.37A(0)； z = 2D時(shí)，Az = e-2 =0.13A(0)； z = 3D時(shí)，Az = e-3 =0.05A(0)。 到了某一深度，振幅趨近于零，土壤溫度的振幅消失。(土壤恒溫層) , 土壤最高溫度和最低溫度的出現(xiàn)時(shí)間，隨深度的增加而滯后。 任意深度z處的位相(用時(shí)間表示)為， 位相滯后時(shí)間為 z/(D)。,當(dāng) z = D 時(shí)，土壤日最高、最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間比地表滯后： 土壤年最高、最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間比地表滯后：,1.日射型：土壤溫度隨深度增加而降低的類型(12,16)。 2.輻射型：土壤溫度隨深度增加而增加的類型(04)。

19、 3.過渡型：土壤溫度的垂直分布分別具有日射型和輻射型的特征。,四、 土壤溫度的垂直分布,第三節(jié) 溫度與農(nóng)業(yè)（作物生產(chǎn)）,一、 氣溫與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系,1. 基本溫度指標(biāo)(三基點(diǎn)溫度、農(nóng)業(yè)界限溫度） (1)三基點(diǎn)溫度：,(2)農(nóng)業(yè)界限溫度：具有普遍意義的，標(biāo)志某些重要的物候現(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。 0 土壤凍結(jié)與解凍；農(nóng)事活動(dòng)開始或終止；冬小麥秋季停止生長與春季 開始生長(有人采用3） 5 早春作物播種；多數(shù)樹木開始生長。 10 喜溫作曲開始播種與生長。 15 喜濕作物開始積極生長。 20 水稻開始安全抽穗、開花的指標(biāo)；熱帶作物正常生長。,界限溫度可用在以下方面

20、分析與對(duì)比年代間、地區(qū)間穩(wěn)定通過某界限溫度日期之差異，以比較其 冷暖期到來的遲早及對(duì)作物的影響。 2. 分析與對(duì)比年代間、地區(qū)間穩(wěn)定通過相鄰或選定的兩界限溫度日期之間的間隔日數(shù)，以比較升溫與降溫的快慢緩急，分析對(duì)作物的影響等。 如春季010的間隔日數(shù)較長，對(duì)小麥穗分化有利， 而秋季50，0-5的間隔日數(shù)太短，是不利于小麥的越冬鍛煉的。 3. 分析與對(duì)比年代間、地區(qū)間春季和秋季穩(wěn)定通過5或10之間的 持續(xù)日數(shù)，為鑒定生長季長短的標(biāo)準(zhǔn)之一，可與無霜凍期日數(shù)結(jié)合使用，相互補(bǔ)充。,2.積溫及其對(duì)作物生長發(fā)育的影響 （1）積溫(Accumulated temperature )： 某一時(shí)段內(nèi)逐日平均氣溫

21、累計(jì)之和。 活動(dòng)積溫：高于生長下限溫度(B)的日平均溫度(ti)為活動(dòng)溫度。 活動(dòng)溫度的總和稱活動(dòng)積溫。 當(dāng)tiB時(shí) ti取值為0 有效積溫：有效溫度是指日平均溫度(ti)與生長下限溫度(B)的之差。 有效溫度的總和稱有效積溫。 當(dāng)tiB時(shí)， (ti-B)取值為0,不同作物所需大于10的活動(dòng)積溫 （單位：Cd), 積溫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 (1) 積溫是作物或品種特性的重要標(biāo)志之一，通過分析引進(jìn)或推廣地區(qū) 的溫度條件能否滿足作物生育所要求的積溫，為作物引種服務(wù)， 以避免引種或推廣的盲目性。 (2) 積溫可作為物候期、收獲期、病蟲害發(fā)生時(shí)期的預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。 (3) 積溫是熱量資源的主要標(biāo)志之一。

22、 根據(jù)積溫多少，確定某作物在某地種植能否正常成熟，預(yù)計(jì)能否 優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)。,(2) 積溫的穩(wěn)定性 1.光照時(shí)間的影響 有些作物的發(fā)育速度對(duì)光周期敏感程度與溫度相當(dāng)或超過溫度影響。 2.積溫學(xué)說是建立在其它因子基本滿足的條件下，溫度起主導(dǎo)作用的這一 理論基礎(chǔ)上。但在自然條件下，這一假定是難以滿足的。因而影響積溫 的穩(wěn)定性。 3.發(fā)育速度與溫度的關(guān)系也并非呈線性關(guān)系。 在下限溫度以上，發(fā)育速度隨溫度的增高而加快； 在最適溫度時(shí)，發(fā)育速度達(dá)最大值； 超過最適溫度時(shí)，過高的溫度對(duì)生長發(fā)育不利。,1. 土溫影響種子發(fā)芽與出苗 土溫對(duì)種子發(fā)芽、出苗的影響比氣溫更直接， 故一般用土溫做指標(biāo)。 2. 土溫影響植物根系的生長、水分和養(yǎng)分的吸收。 土溫與作物根系的生長有著密切的關(guān)系。 2-4時(shí)，根