农林气象学 第二章温度

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☻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。
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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。 作用:使上下层空气混合,产生热量交换。 四 平流热交换:水平方向上热量交换的主要方式 大规模空气在水平方向上的运动称为平流。 作用:缓和地区之间、纬度之间温度的差异有很大作用。
其变化过程如下图所示:
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图2.3 地面温度变化与地面热量收支示意图
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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
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3.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㎝。
纬度 距海远近
地点 年较差
39°N


保定
大连
(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
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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。
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。
土壤热通量的表达式:
B T
Z
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表2-2.土壤导热率分析
土壤成分
土壤矿物质 土壤有机质
水 空气
导热率(J·m-1·s-1·℃-1)
0.0293 0.01997 0.00628 0.0002093
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
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第一节 热量交换方式
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。
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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。
Z1
τ 1
Z2
τ 2
例3:已知某地段5cm深处温度日振幅为地面的 2 2
求年振幅为地面1/2的深度?
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解:设日振幅为地面1/2的深度为Z1,依据定律一
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♠ 土壤导温率分析:
★ 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。
图2.2 砂土的热特性与土壤湿度的关系
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★ 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。
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三、土壤温度变化
◆表征温度变化的几个物理量: 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。
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.
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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,
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月平均最低温度出现在夏至和冬至日以后。 2.年恒温层(土壤温度没有年变化的土层):
以内,西北地区在1米以上,秦岭淮河以南几乎没有冻土。
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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。
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。
☺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。
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第二节 土壤温度
一、土壤表层热量收支状况
R
L
E
P
ΔQs B′
LR E
P
ΔQs
B′
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。
土壤中固体成分的导热率最大,水居中,空气最小。
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(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。 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。
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(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。
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?
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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.
注:较差=2振幅
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?
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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)。
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。
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第三节 水层温度
一、水体的辐射特征 水的热容量大 水是半透明体,吸收率大 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。
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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。
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。
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(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.
t Z 2
τ κπ
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。
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五、土壤的冻结和解冻
1.冻结: 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: 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
☻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。
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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。 单位:J/m3℃
2.大小 由土壤组成成分其各成分的比例决定。
Q Cv V (T2 T1 )
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表2-1.土壤容积热容量分析
土壤成分
土壤矿物质 土壤有机质
水 空气
容积热容量(J/(㎝3·℃ ))
1.925 2.708 4.186 0.0013
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。
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(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。
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4.垂直变化:等温层、跃变层、等温层
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。
图2.5琵琶湖水温的垂直分布
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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Hale Waihona Puke Baidu沉,使水面以 下的水温在4℃左右。
表2.4 纬度与气温年较差
地点
纬度
年较差(℃)
广州
23°08′N
15.5
上海 呼和浩特
海拉尔
31°10′N 40°49′N 49°13′N
23.8 35.9 49.1
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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 。
表2.5 距海远近与气温年较差
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。
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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。
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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。
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有:
2 2
A0
5
A0e
1 2
A0
A0e Z1
求得Z1=10cm,则可得 到年振幅为地面1/2的深 度为191cm。
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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 。 ☻辐射型:土壤温度随深度
的增加而增加。
图2.4土壤温度垂直分布
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☻清晨过渡型:由辐射型向日射
单位:m2 /S
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2. 计算公式:
K Cv
K导温率;λ导热率,Cv容积热容量。
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。
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. 海拔高度:随海拔增高,日较差减小。 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。
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(二)气温的年变化
1.变化规律 表2.3 最冷、最热月出现的时间
项目 大陆性气候区
季风气候区
海洋性气候区
最热月 7月 8月
最冷月 1月 2月
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2.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℃。
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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。
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☺近地气层乱流强度的时空变化:
✓ 陆地比海面强 ✓ 白天比夜间强 六、潜热交换
✓ 山地比平原强 ✓ 夏季比冬季强
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