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1、第第 四四 章章 温温 度度 本本 章章 内内 容容 热量收支热量收支 地面和土壤的温度地面和土壤的温度 水体的温度水体的温度 空气的温度空气的温度 第一节第一节 热量收支热量收支 热量平衡过程热量平衡过程 地球表面吸收太阳辐射能后，会通过各种热量收支方地球表面吸收太阳辐射能后，会通过各种热量收支方 式，产生能量的转换和输送而达到平衡，这样的物理过程式，产生能量的转换和输送而达到平衡，这样的物理过程 称为称为热量平衡过程。热量平衡过程。 一、物质的热属性一、物质的热属性 热容量热容量 定义：定义： 在一定过程中，物体温度变化在一定过程中，物体温度变化所需所需吸收或放吸收或放 出出的热量。的热量
2、。 分类：分类： 质量热容量（比热、比热容）质量热容量（比热、比热容） 容积热容量容积热容量 质量热容量：质量热容量： 定义：定义：单位质量单位质量的物质，温度变化的物质，温度变化所需吸收或所需吸收或 放出的热量。放出的热量。 单位：单位：J/(kg)(J/(kg)(或或J/(g)J/(g) 计算：计算： (4-(4- 1)1) 容积热容量：容积热容量： 定义：定义：单位体积单位体积的物质，温度变化的物质，温度变化所需吸收或所需吸收或 放出的热量。放出的热量。 (4-2) (4-2) ( ( 4-3)4-3) 单位：单位：J/(mJ/(m 3 3 )()(或或J/(cmJ/(cm 3 3 )
3、计算：计算： C C mm 、 、C C v v 之间的关系之间的关系： 土壤热容量分析土壤热容量分析：土壤成分土壤成分 容积热容量（容积热容量（J/J/（ 3 3 ） ） 土壤矿物质土壤矿物质 土壤有机质土壤有机质 水水 空气空气 1.9251.925 2.7082.708 4.1864.186 0.00130.0013 在土壤的组成物质中，在土壤的组成物质中，空气的热容量最小空气的热容量最小，水的热容水的热容 量最大量最大，固体成分介于两者之间固体成分介于两者之间。 导热率（热导率）导热率（热导率） 定义及单位：定义及单位： 定义：定义：指物体在指物体在单位厚度间单位厚度间、保持单位温度差
4、保持单位温度差时，其时，其 相对的两个面在相对的两个面在单位时间单位时间内通过内通过单位面积单位面积的的热热 流量流量。 单位单位： J/J/（mSmS）( (或或/ /（mm ）) ) 热流量方程：热流量方程： （4-4- 4 4） ：导热率，导热率， Q Q：热容量；热容量； T/ZT/Z：温度梯度，温度梯度，负号负号表示表示 热流方向由高温指向低温。热流方向由高温指向低温。 方程的意义：方程的意义： 当其他条件相同时，导热率大的物质，热流量大，当其他条件相同时，导热率大的物质，热流量大， 传热速度快；反之则小。传热速度快；反之则小。 土壤成分土壤成分 导热率（导热率（W/W/（） ） 土
5、壤矿物质土壤矿物质 土壤有机质土壤有机质 水水 空气空气 0.02930.0293 0.019970.01997 0.006280.00628 0.0002093 0.0002093 土壤中土壤中固体成分的导热率最大固体成分的导热率最大，水居中水居中，空气最小空气最小。 土壤导热率分析：土壤导热率分析： 土壤导热率影响因子：土壤导热率影响因子： 土壤含水量土壤含水量 土壤孔隙度土壤孔隙度 导温率（导温系数、导温率（导温系数、热扩热扩热扩热扩 散率散率） 定义及单位：定义及单位： 单位：单位： 2 2 /S( /S(或或 2 2 /S) /S) （4-4- 5 5） ：导温率，：导温率，：导热率
6、，导热率，：容积热容量。：容积热容量。 定义：定义：单位容积单位容积的物质，通过的物质，通过热传导热传导，由，由垂直方向垂直方向获获 得或失去得或失去焦耳（焦耳（J J）的热量时，的热量时，温度升高或降温度升高或降 低的数值低的数值称为导温率。称为导温率。 计算公式：计算公式： 土壤导温率分析：土壤导温率分析： 砂土的热特性与土壤湿度的关系砂土的热特性与土壤湿度的关系 土壤湿度较小的土壤湿度较小的 情况下，导温率情况下，导温率 随着土壤湿度的随着土壤湿度的 增大而增加；增大而增加； 当土壤湿度增加当土壤湿度增加 到一定程度后，到一定程度后， 土壤到温率却呈土壤到温率却呈 现出减小的趋势现出减小
7、的趋势 。 土壤导温率对土壤温度分布的影响：土壤导温率对土壤温度分布的影响： 直接决定着土壤温度的垂直分布及最高、最低温度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。出现的时间。 二、热量收支二、热量收支( (交换交换) )方式方式 辐射热交换辐射热交换 任何温度在绝对零度以上的物体，通过辐射的放射和任何温度在绝对零度以上的物体，通过辐射的放射和 吸收而进行的热量交吸收而进行的热量交换方式。换方式。 分子传导热交换分子传导热交换 物质通过分子碰撞，所产生的表现为热量传导的动能物质通过分子碰撞，所产生的表现为热量传导的动能 交换方式。交换方式。 流体流动热交换流体流动热交换 流体在
8、各个方向上流动时，热量随流体流动而输送的流体在各个方向上流动时，热量随流体流动而输送的 热量交换方式。热量交换方式。 根根据流体流动的方向性分为：据流体流动的方向性分为：对流、平流和乱流。对流、平流和乱流。 定义定义：流体在垂直方向上有流体在垂直方向上有规律的升降运动。规律的升降运动。 作用：作用：使上下层空气混合，产生热量交换。使上下层空气混合，产生热量交换。 定义：定义：流体在水平方向上的流动。流体在水平方向上的流动。 分类：分类： 对流：对流： 分类分类 热力对流热力对流 动力对流动力对流 平流：平流： 作用：作用：对对大规模的热量传递和缓和地区之间、纬度之间大规模的热量传递和缓和地区之
9、间、纬度之间 温度的差异起着很大作用。温度的差异起着很大作用。 乱流（湍流）：乱流（湍流）： 定义：定义：流体在各方向上的不规则运动。流体在各方向上的不规则运动。 分类：分类： 热力乱流热力乱流 动力乱流动力乱流 乱流交换系数：乱流交换系数： 当单位质量的空气涡团所含物理属性的梯度等于当单位质量的空气涡团所含物理属性的梯度等于 时，因乱流作用所引起该物理属性的通量。时，因乱流作用所引起该物理属性的通量。 单位：单位： 2 2 /S/S 近地气层乱流强度的时空变化：近地气层乱流强度的时空变化： 陆地比海面强陆地比海面强 山地比平原强山地比平原强 白天比夜间强白天比夜间强 夏季比冬季强夏季比冬季强
10、 潜热交换潜热交换 物质在进行相态变化时所发生的热量交换物质在进行相态变化时所发生的热量交换。 三、热量收支三、热量收支( (平衡平衡) ) 活动层和活动面活动层和活动面 活动层（作用层）：活动层（作用层）： 定义：定义： 能够调节自身内部及相邻其它物质层的辐射、热量、能够调节自身内部及相邻其它物质层的辐射、热量、 水分分布完全吸收的水分分布完全吸收的物质层物质层。 不同物质活动层厚度：不同物质活动层厚度： 砂土：砂土：几几mmmm 水：水：几几m m几十几十m m 雪被和冰域：雪被和冰域：几分之一几分之一mmmm 疏松的耕地：疏松的耕地：几几cmcm 农田：农田：作物层作物层 活动面活动面（
11、作用面）：作用面）： 定义：定义： 凡是辐射能、热能和水分交换最活跃，从而能调凡是辐射能、热能和水分交换最活跃，从而能调 节邻近气层（或土层）的辐射节邻近气层（或土层）的辐射收支、温度高低或湿度收支、温度高低或湿度 大小的大小的物质面物质面。 农田内、外活动面（作物封行后）：农田内、外活动面（作物封行后）： 外活动面：外活动面：作物最密集的部位作物最密集的部位 内活动面：内活动面：地面地面 地面热量收支地面热量收支 R R L L E E P P B B R RL L E E P P B B （白天）（白天） 地表面地表面热量收支示意图热量收支示意图 （夜间）（夜间） 地表面昼夜热量收支平衡方
12、程：地表面昼夜热量收支平衡方程： 白天：白天： R-P-B-LE=0R-P-B-LE=0 夜间：夜间： -R+P+B+LE=0-R+P+B+LE=0 地表层昼夜热量收支平衡方程：地表层昼夜热量收支平衡方程： QQ s s QQ s s R R L L E E P P B B L L E E R R P P B B （白天）（白天）（夜间）（夜间） 地表层地表层热量收支示意图热量收支示意图 白天：白天： R-P-B-LE=QR-P-B-LE=Q 夜间：夜间： -R+P+B+LE= -Q-R+P+B+LE= -Q 第二节第二节 地面和土壤温度地面和土壤温度 表征温度变化的几个物理量表征温度变化的几
13、个物理量 较差：较差： 指一定周期内，温度最高值与最低值之差。指一定周期内，温度最高值与最低值之差。 日较差：日较差： 一日内最高温度与最低温度之差。一日内最高温度与最低温度之差。 年较差：年较差： 一年中最热月平均温度与最冷月平均温度之差。一年中最热月平均温度与最冷月平均温度之差。 绝对年较差：绝对年较差： 年极端最高气温与极端最低气温之差。年极端最高气温与极端最低气温之差。 位相：位相： 最高温度与最低温度出现的时间差。最高温度与最低温度出现的时间差。 一、地面温度和热量收支的关系一、地面温度和热量收支的关系 地面温度变化与地面热量收支示意图地面温度变化与地面热量收支示意图 1 1地面温度
14、日变化曲线；地面温度日变化曲线； 2 2地面热量支出日变化曲线；地面热量支出日变化曲线； 3 3地面热量收入日变化曲线。地面热量收入日变化曲线。 TmTm：地面最低温度；地面最低温度；TMTM：地面最高温度地面最高温度 一天中地面最高温度、地一天中地面最高温度、地 面最低温度出现在地面热面最低温度出现在地面热 量收支相抵（平衡）的时量收支相抵（平衡）的时 刻。刻。 一年中地面最热月温度，一年中地面最热月温度， 一般出现在月或月，一般出现在月或月， 地面最冷月温度一般出现地面最冷月温度一般出现 在月或月。在月或月。 二、土壤温度的变化二、土壤温度的变化 时间变化时间变化 日变化日变化 日恒温层日
15、恒温层（土温日不变层）土温日不变层）： 土壤温度日较差为零时的深度。土壤温度日较差为零时的深度。 日恒温层深度：日恒温层深度： 一般深度约为一般深度约为40408080，平均为，平均为6060。 日恒温层的影响因子：日恒温层的影响因子： 纬度、季节、土壤热特性纬度、季节、土壤热特性 土壤温度位相：土壤温度位相： 土壤温度位相落后于地面温度，土层越深，位相土壤温度位相落后于地面温度，土层越深，位相 落后越多。落后越多。 土壤温度的年变化土壤温度的年变化 年恒温层年恒温层（年温度不变层）年温度不变层）： 土壤温度的年较差为零时的深度。土壤温度的年较差为零时的深度。 影响因子影响因子 纬度纬度 垂直分布垂直分布 日分布日分布 日射型日射型（受热型）受热型）： 土壤温度垂直分布土壤温度垂直分布 图中图中1313时时 辐射型辐射型（放热型）放热型）： 图中图中0101时时 上午转变型上午转变型（由辐射（由辐射 型向日射型过渡型向日射型过渡）： 图中图中0707时时 傍晚转变型傍晚转变型（由日射型向辐射型过渡（由日射型向辐射型过渡）： 图中图中1919时时 年分布年分布 放热型、受热型和过渡型。放热型、受热型和过渡型。 影响土温变化的因素影响土温变化的因素 土壤本
