农业气象学经典课件——温度

粘土
40%孔 隙度 0.18 0.25 饱和
泥炭土
80%孔 隙度 0.10 0.06 饱 和 0.1 2 0.5 0
0.51 1.58
对同种土壤K一样，日和年的土壤衰减深度相差多少？
D年是D日的19倍，即：年恒温层深度是日的19倍。
例如：某块小麦地为饱和沙壤土，求此块地的日和年恒 温层？ 解：
所 以 ， 日 恒 温 层 Z=3D 日 =0.14×3=0.42(m) ， 年 恒 温 层 Z=3D年=0.42×19=7.98(m)。
小麦从抽穗到成熟间的发育速率与平均气温的关系 0.040 0.035 0.030 y = 0.00214 x - 0.01238 R 2 = 0.85066
成熟发育速率与有效积温的关系
0.040 0.035 0.030
发育速率
y = 0.00201 x R 2 = 0.84720
发育速率
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 平均气温
土壤温波峰值滞后分析
sinω(t-Z/D/ω)→相当于从sin(α-β)→位相落后β→则峰值滞后 β，即峰值滞后Z/D/ω，与Z有关。当Z=D时，峰值滞后多长时 间？也有两种情况：一是相对日温波曲线来说，峰值滞后为 1/ω=T/2π=3.82h, 二 是 相 对 年 温 波 曲 线 来 说 ， 峰 值 滞 后 1/ω=T/2π=58.12d。 例：某农田为含40%空隙度的粘土，其地表最高温度出现 在12点30分，问离地表10 cm深处日最高温度将何时出现？ 解：
5˚C：早春作物播种， 5℃:冬小麦分蘖、马铃薯等 开始播种（ ＞5℃日数为喜凉作物生长期） 10℃：喜温作物开始生长、喜凉作物生长迅速；＞ 10℃日数为喜温作物生长期。
15℃：喜温作物生殖生长下限、早稻移栽、热带 作物生长。双季稻大田生长期。 20℃：水稻分蘖及迅速生长；安全齐穗；玉米、高 粱安全灌浆。
第三章
温度
§3.1 大气温度 §3.2 土壤温度 §3.3 温度与农业
§3.1 空气温度
• • • • 空气的非绝热变化 空气的绝热变化 大气稳定度 气温的日变化与年变化
一、空气的非绝热变化
1、 辐射（Radiation） 以电磁波形式传递能量 2、分子传导(Molecular conduction) 依靠分子的热运动传递能量
介绍描述热量的几个基本概念：
1、 热容量C ( heat capacity ）:表示某物体温度每升高 1℃所需要的热量J/℃； 2 、质量热容Cm( mass specific heat ) : 表示单位质量物 体，升高一度所需要热量J/kg.℃ 3、定容热容CV (volume specific heat ) :表示单位体积 物体，每升高一度所需热量J /m3.℃ Cm与CV的关系： CV=ρ .Cm 水：CVw=4· 18×106 J/m3℃ 空气：CVa=0· 0013×106 J/m3℃
•5 热扩散系数K (Thermal diffusion coefficient) （m2 / s）
说明物体增温快慢就有热扩散系数K，也称导温 率。 K与λ 的关系：K= λ / CV （单位换算） 水：K=0· 14×10-6 m2/S 空气：K=20.5×10-6 m2/S （空气大146· 4 倍），空气升温快。 农田土壤湿度B=20%左右时，对农作物生长最为有利。
4 导热率λ (thermal Conductivity) J / m.S℃
单位温度垂直梯度℃ /m、单位时间S、通过单位 面积m2(单位换算），它表示物体对热量传导快慢的 一种能力。 例如：水（指4℃静止的水） λ =0.57J/m.s.℃， 空气（10℃静止空气） λ =0.025J/m.s.℃ 水导热比空气快22.8倍。导热率只说明物体传 导热量速度快慢。 水的λ 比空气大22.8倍，可空气的Cv只是水的 1/3483，所以，空气比水增温得快得多。
• (2)大气稳定度的判断
判断某时刻大气是否稳定要由大气温度的 垂直梯度r、干空气绝热直减率rd和湿空气绝热 直减率rm的大小决定。 A）γ>γd 绝对不稳定 B） γ<γm 绝对稳定 C） γ=γd 干中湿不稳 D） γ=γm 湿中干稳 E）γm <γ<γd 条件不稳定。
四、 气温的日变化和年变化
三、 积温及对作物生长发育的影响
温度与农业生产的关系非常密切。作为热 量条件的指标，影响着作物的生长、分布、产 量和发育速度，从而影响着作物全生育期的长 短及各发育期出现的早晚。
积温
– 作物生育要求一定的累积热量强度，其表征指标为
积温。
活动积温：高于生物学下限温度的日平均气温的累积和 有效积温：有效温度的总和。有效温度为日平均气温减去 生物学下限温度。 小麦从抽穗到成熟发育速度与温度的关系（最低9-11，最适18-20，最高32）
原因：日——太阳高度角，年——赤纬 • 什么是日较差?年较差? • 如果不考虑 下垫面（水、 陆等）的影响， 为什么日较差 随纬度的升高 而减小，而年 较差随纬度的 升高而增加？ • 日较差与农业生产的关系如何？
℃
北京海淀地区地表温度与气温关系分析
§3.2 土壤温度
• 土壤的热特性 • 土温的时空变化 • 土壤温波方程
Z t D sin
， 为Z深度土壤平均温度， 为地表0cm处温 度振幅，Z为任何深度（m），t为任意时刻。
Tmax T0 A, Tmin T0 A
ω指温度曲线的正弦角度，旋转一周为360°=2π，ω=2π/T ，T为旋转一周所用的时间，相对日变化而言，则T=24h， 即24h完成360°旋转；相对年变化，则T=365d。t是所求时 刻时间。
2）随离地表的距离向上或向下的增加，最高最 低温度出现的时间越来越滞后 ？滞后现象主要是因 为，热量的传导、输送需要有一定时间，所以每层 达到最高或最低的时间也越滞后。
二、土壤的温波方程
土壤温度的日，年变化曲线可用数学公式来表示：
T Z ,t T 0 A0 e
Z D
讨论
•为什么γm﹤γd呢？
•γm 、γd 和γ有什么不同？
（比较r、 γm 和 γd ？）
三 、大气稳定度
大气层结：大气中温度等气象要素的垂直分布 状况。 r＞0，大气为不稳定层结 r＜0, 大气为稳定层结 r=0， 大气为中性层结
A ) 在稳定的大气层结下，大气的对流运动将受 到抑制，常出现雾、层状云、连续性降水等天 气现象。污染物不易扩散，污染严重。 B）在不稳定大气层结下，空气对流运动发展旺 盛，常出现积状云、阵性降水和冰雹等天气。 污染物扩散快，不易造成空气污染。 r＞0大气为不稳定层结时，气温下高上低，空 气密度上高下低，因浮力作用，对流旺盛； 当r＜0为稳定层结时，因重力作用，抑制对流 运动。因此，我们把大气层结具有的这种影响 对流运动的特性称为大气层结的稳定度。
0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0.0 5.0 10.0 >5度有效温度 15.0 20.0
• 当量积温 – 活动积温经过温度强度系数订正后得到物理量，反映某种作 物对累积热量的要求。 可表达为：ΣＱ＝K(T)Σt Σ Ｑ 为 当 量 积 温 ， Σt 为 活 动 积 温 ， K(T) 为 温 强 系 数 ： K(T)=n0T0/Σt ，式中 T0 为作物发育最快的温度， n0 为该温度
从公式中可以看出：土壤温度振幅 将按对数 规律衰减，土壤温波 峰值出现时间将按位相Z/ωD滞后。 所以，D是一个重要参数，称为土壤 衰减深度。
2 2K D , 这里, K为导温率, D的单位为(米, m), T
土壤温波的振幅分析
由于D与K成正式，所以，不同的K，D不同，也就是说衰减 快慢不同。 （1）当土壤深度Z=D(1个衰减深度)时，
生物能生存的 温度范围较生长 的温度范围宽， 冷致死温度较生 长最低温度低， 热致死温度较生 长最高温度高
二、农业界线温度
0˚C-农事活动开始或终止，喜凉作物生长的起始温度,小 于０℃为寒冷期。 0℃：对某地区（一般而言），广义的生长期系指作物 能生长的时期。以春季的平均气温于0℃开始，至秋季的平 均气温大于0℃终止期的日数计算。某作物的生长期，即为 该作物由播种—成熟期间的日数。鉴定—地区的复种程度， 需考虑夏秋作物及秋种作物接茬的可能性，一般以0℃以上 的日数的指标。 春季日平均气温稳定通过0℃，为北方土壤日化夜凉， 早春作物开始播种，冬小麦开始返青，多年生果木开始萌动 的指标，秋季0℃终止日为北方冬小麦及多年生果木停止生 长的日期。故选用≥0℃之间的持续日数，为鉴定地区作物生 长期长度的指标。
3、 对流(Convection)－空气垂直运动
4、 湍流(Turbulence)－大团空气（eddy）向垂直和 水平方向作无规律运动。 5、 平流（Advection）－空气的水平运动（风） 6、 相变（Change phase）－汽态－液态－固态：
二、空气的绝热变化
在气象学上，任一气块与外界之间无热量交换 时的状态变化过程，叫做绝热过程。在大气中， 作垂直运动的气块，其状态变化通常接近于绝 热过程。 当升、降气块内部既没有发生水相变化，又 没有与外界发生热量交换的过程，称为干绝热 变化；过程发生水相变化的，称为湿绝热变化。
二、温度的时空变化
（一） 垂直变化（空间变化） 土壤温度的垂直变化的三种类型(日射型、辐射型和过渡型) 与气温垂直分布的三种类型。
（二）日、年变化（时间变化）
土壤和空气温度日变化和年变化与太阳辐射的日变化和年 变化曲线相似，因为土壤和空气的热量是由于地面接受了太阳 辐射增温后，再由地面向上输送给空气，向下传导给土壤，空 气和土壤才得以增温的，因此温度和辐射二者有直接相关关系。
气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称 为绝热垂直减温率（绝热直减率或绝热垂直递 减率）。 干绝热直减率 对干空气(dry)和未饱和的湿空 气而言，称干绝热直减率。
湿绝热直减率
饱和湿（moist）空气绝热上升时，如果只是膨 胀降温，湿绝热直减率 γm =1℃/100m,但水汽既已饱 和，就要因冷却而发生凝结，同时释放凝结潜热而 加热气块。所以，饱和湿空气绝热上升时，因膨胀 而引起的γm 要比 γd 小， γm平均值一般为γm =0.5℃/100m。
滞后5.46h，也就是说12.5+5.46≈18时出现最高温度。
§3.3 温度与农业
• 基点温度 • 农业界限温度 • 积温对作物生长的影响
一、基点温度
温度三基点：生长最低、最适、 最高温度。 –喜凉作物分别为: 5℃、 20-30℃ 35-40℃
–喜温作物分别为:
10-15℃、 30-35℃
45℃
（2）当土壤深度Z=2D(2个衰减深度)时，
（3）当土壤深度Z=3D时，
所以，我们把3D深度称为恒温层，了解土壤恒温层深度是 很重要的。
如了解了各种土壤的导温率K，就可以求到日和年 的衰减深度D日、D年。关键是K 值，下表给出不同 土质的土壤K和导热率κ。 表3.1 不同土壤的K和κ值
沙壤土
40%孔 隙度 K ×10-6 m2/s λ J/m.s.℃ 0.24 0.30 饱 和 0.7 4 2.2 0
地点 平均气温 大于5度有效温度 发育天数 发育速率 大于5度有效积温 哈罗 21.1 16.1 31 0.0323 499.1 渥太华 20.6 15.6 29 0.0345 452.4 斯威夫特卡伦特 19.1 14.1 41 0.0244 578.1 辛普森堡 16.4 11.4 38 0.0263 433.2 费米利恩堡 15.3 10.3 48 0.0208 494.4 诺曼丁 15.0 10.0 54 0.0185 540.0 拉科摩 14.7 9.7 59 0.0169 572.3
1. 太阳照射地表面后，热量可以向上输送到高空 100m以上高度，而且仍很强烈；而往下输送深处还 不到1m就没有多少热量传送了？这是为什么？
2.从土壤和空气的温度的年变化曲线和日变化曲 线，都可看到两个特点：
wenku.baidu.com
（1）随离地表的距离向上或向下的增加，温度变 化振幅越小。这是由于热量向上，向下输送过程 中，每层空气或土壤都要留下一部分热量，所以 越往上或下获得的热量就越少，增温幅度就越小。