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1、,农业气象学2 农学专业2011级,第2章 温度,2.1热量交换方式 2.2土壤温度 2.3水层温度 2.4空气温度 2.5温度与农业生产,2.1热量交换方式,地球表面接受太阳辐射能，在下垫面本身、下垫面和空气、 空气层之间，进行多种形式的热量交换，使地面温度、下层土壤 温度、大气温度发生变化。 主要的热量交换方式有： 一、 分子热传导 以分子运动来传递热量的过程称为分子热传导。 在土壤层中，热量交换是由分子热传导形式完成的。分子热传导过程的强弱对土壤层内热状况的形成有着重要意义。 空气是热的不良导体，空气分子导热率很小，因而由传导方式进行的热量转移比其他方式要少得多，多数情况下是可以忽略不计
2、的。,二、辐射 地面和大气层之间的辐射热交换是始终存在的。地面一方面吸收太阳辐射和大气逆辐射，同时也向大气放射长波辐射。 白天，当地面吸收的辐射超过放出的辐射时，地面被加热增温，并通过辐射或其他方式把热量传送到大气层和深层土壤使大气和深层土壤温度增加； 夜间，地面放出的长波辐射超过吸收的大气逆辐射，结果使得地面损失热量，导致地面温度下降，此时深层土壤和大气就反过来以各种方式向地面输送热量，以维持地表面温度不致下降太多，结果使深层土壤和大气层损失热量，温度也出现下降。,三、对流 空气在垂直方向上大规模的、有规律的升降运动称为对流。 根据其形成原因可分为如下两种： 热力对流（自由对流） 形成原因：
3、由热力原因引起的对流。 热力对流发生在低层气温剧烈增高或高层空气冷却时，此时上下层气温差异加大，造成低层空气密度较小，高层空气密度较大，高层的冷空气下沉，低层的暖空气上升，形成空气的不稳定状态。 热力对流的空气升降速度快，多在10 ms左右，但它的水平尺度小，多在0.150 km之间，是中低纬度温暖季节经常发生的天气运动现象。,动力对流（强迫对流） 形成原因：有动力原因形成的对流 当空气水平流动遇到山脉等障碍物时被迫抬升，或者因受其他外力作用强迫抬升时发生的空气流动现象。 动力对流的升降速度慢，一般在0.110 cms之间，但水平范围广，可达到几百至几千千米。,大气中的对流多数是由热力原因和动
4、力原因共同引起的。 对流的结果使上下层空气混合，并发生热量交换。 不同的对流运动带来不同的天气、气候特征。 一般在夏季及午后空气对流较强，冬季及清晨较弱。 对流运动是地面和低层大气的热量向高层传递的重要方式。,四、平流 空气大规模的水平运动称为平流。 冷平流： 空气经常大规模地在水平方向上流动着，当冷空气流经暖的区域时，可便当地温度下降，称之为冷平流； 暖平流： 当暖空气流经冷的区域时，可使该区域的温度升高，称之为暖平流。 平流运动对缓和地区之间和纬度之间的温度差异有很大作用，是水平方向上热量交换的主要方式。,五、乱流（湍流） 因为地面受热不均匀，或者空气沿一粗糙不平的下垫面移动时，常出现一种
5、小规模的、无规则的升降气流或空气的涡旋运动，这种空气的不规则运动称为湍流，习惯上常叫乱流。 乱流可使空气在各个方向得到充分混合，并伴随着热量的交换。与对流相比，乱流的规模较小，但它更具有普遍性。 乱流对缓和贴地气层的温度变化起着十分重要的作用，是地面和空气、空气和空气之间热量交换的重要方式之一。,六、潜热交换 下垫面受热后，因水分蒸发(升华)而消耗热量，使地面温度降低，这部分热量在大气中凝结(或凝华)释放出来，使气温增加，气象学上把因水的相态变化而引起的热量转移称为潜热。 潜热交换不仅在地面与空气间进行，也可在空气与空气之间进行。 大气中水的潜热释放是中小尺度天气系统发生、发展的一种主要能源。
6、 潜热交换方式对于下垫面和空气温度变化都有直接影响。,2.2 土壤温度,一、地表层热量平衡 地表温度的升高或降低，均是由地表热量收支状况决定的。 白天，地表收入的能量多于支出的能量，地表温度升高 夜间，地表释放的热量多于吸收的热量，地表温度降低 若收支平衡，则地表温度保持不变。 根据能量守桓原理： 地表层热量收支差额(热量平衡)地面热量收入一地面热量支出 地表层的热量收入和支出项有： R：地表层和空气间以辐射形式进行交换的热通量项（辐射差额）； P：地表层和空气间以湍流形式进行交换的热通量项；,图2-1 地面热量收支示意图,B：地表层和地表下层间以分子传导形式进行交换的热通量项； LE：地表层
7、与空气间以潜热形式进行交换的热通量项。,白天，从日出后1小时到日落前1小时左右的这段时间内，地球表面吸收的太阳辐射大于地面有效辐射，辐射差额R为正值， 辐射差额转变为热能，使地表面温度增加于是地表层开始逐渐支出热量；以湍流方式进入空气的热通量P，使空气层升温； 以分子传导方式进入地表下层的热通量B，使地表下层增温；以潜热方式进人空气的热通量LE，使气温升高。 夜间，从日落前1小时至次日早晨日出后1小时左右的这段时间，地面吸收的太阳辐射小于地面有效辐射，辐射差额R为负值，于是地面开始逐渐失去热量，使地表面温度降低，近地气层和地表下层分别以湍流P和分子传导B的形式传递给地表层热通量，同时，近地层水
8、汽凝结于地表，以潜热LE形式传递给地 表层热通量。,可见，夜间的各项收入和支出与白天正好相反，若规定：地 表层得到热量为正，失去热量为负，则可写成： R=P+B+LE （2-1） (4-1)式为地表层热量平衡方程。是把地面看成为一个几何平面进行分析得来的，实际上土壤和空气，土壤和下层土壤之间的能量交换是在一定的土壤厚度间进行的。故可将(2-1)式的B项分解为表层土壤的热量收支Qs和下层土壤的热量收支B之和(图4-2)，则(4-1)式可写成： Qs=R-P- B-LE （2-2）,图2-2 地面层热量收支示意图,QS为正值时，地表层得热大于失热，地面温度上升； QS为负值时，地表层得热小于失热，
9、地面温度下降； QS0时，地表层得热等于失热，地面温度最高或最低。,二、土壤的热力学特性 土壤的热力学特性包括：热容量、导热率、导温率等。 （一）热容量（CV） 表示土壤容纳热量的能力。 即单位体积的土壤，温度变化1时所吸收或放出的热量， 单位是Jm-3-1。 CV=C （2-3） 式（4-3）中，CV为热容量，C为土壤的比热，即单位质量的 土壤温度变化1所吸收或放出的热量，为土壤密度，即单位体积土壤的质量。 显然地，当土壤失去或获取相同的热量时，热容量越大的土壤，生温或降温的幅度越小。,土壤热容量的大小主要决定于土壤的组成成分和组成比例，不同的土壤组成成分，具有不同的热容量，见表4-l。 表
10、2-1 土壤固体成分空气和水的热特性 从表中可以看出，土壤空气的热容量最小；而土壤水分的热容量最大，约为空气热容量的3000多倍；土壤固体部分的热容量，约为水的0.5倍。,改变土壤热容量的主要因素： 土壤水分 土壤热容量随土壤湿度的增大而增大。 土壤空隙度 土壤热容量随土壤空隙度的增大而减小。 在自然情况下，单位体积土壤孔隙的变化并不很大，所以热容量的改变，主要决定于土壤孔隙中水分的改变，也就是说主要决定于土壤湿度。 土壤的孔隙度可以人为地改变。例如，翻犁土壤可使孔隙度增大；镇压使空隙度减小。,（二）导热率（） 表示土壤传递热量的能力。 土壤的导热率也称热导率或导热系数，是指单位厚度(1m)
11、内温度相差1时，在单位截面的土壤，每秒钟所通过的热量。 单位是Jm-1s-1-1或写为Wm-1K-1。 导热率的大小，也决定于土壤的组成成分和组成比例。 从表2-1可以看出，土壤空气的导热率最小；土壤固体成分导热率最大；土壤水分的导热率居中，但比空气的导热率大20余倍。,图2-3土壤空隙度对土壤导热率的影响,土壤的固体成分一般是不变的。因此，土壤湿度增加时，土壤导热率变大；土壤空气多，孔隙度大，土壤导效率变小。 显然，土壤导热率随土壤的湿度和孔隙度的不同而变化(图4-3)。,土壤中有机质含量也影响导热率，有机质含量多，导热率变小。 土壤热通量： 单位时间内通过单位面积的热量称为土壤热通量。单位
12、是Jm-2s-1或J m-2。它与土壤垂直梯度成正比，则写成： （2-4）,（三）导温率（K） 表示土壤传递温度和消除层次间温度差异的能力。导温率是土壤的导热率A与其热容量Cv的比值。其定义为： 单位体积的土壤，由于流人(或流出)数量为A的热量后，温度升高(或降低)的数值，单位为m2s-1，可用下式表达： （2-5） 在其它条件相同时，物体导温率越大，温度传播速度越快，温度变化所及深度越深，各深度温度差异能很快消除。,由表4-1可知，导温率最大的是空气，空气的导温率比水大百倍、比土壤固体颗粒大几十倍。因此，过湿的沼泽土壤，热力特性极为不好，导温性很差。 由公式(2-5)可知，导温率与导热率大小
13、成正比，与热容量成反比。 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。在其他条件相同时，导温率越大，其表面温度变化越小，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，各深度和地表面在最高和最低温度出现的时间相比较，就落后得也越少。,三、土壤中热量的传递 白天，土壤表面由于吸收太阳辐射而增温，并通过分子热传导向深处传递热量； 夜间，土壤表面因有效辐射而首先冷却，热量便从土壤深处向上输送。 因此，土壤温度的变化首先从土壤表面开始，然后逐渐影响深层土壤温度的变化，其变化幅度随深度的增加而减少，而且最高、最低温度出现的时间也随土壤深度增加愈来愈推后。 土壤中热量传递的
14、数量与快慢还与土壤的热特性有关。,四、土壤温度的日、年变化 温度日、年变化的特征通常是用“较差”和“极值出现时刻”来描述。 较差：即振幅。 极值出现时刻：是指最高温度或最低温度出现的时刻。 （一）土壤表面温度的日变化 最高温度： 土壤表面的最高温度出现在13时左右。 正午以后，太阳辐射虽然逐渐减弱，即土壤表面的热量差额为正值，所以温度仍继续上升。到13时左右，热量收支才达到平衡(Qs0)，之后，热量差额为负值，温度逐渐下降。,最低温度 出现在将近日出的时候，即地表面热量差额由负值转为正值的平衡时刻。 土壤温度日较差 一天中，土壤的最高温度与最低温度之差，称土壤温度日较差。 土壤表面温度日较差的
15、大小与土壤表面的热量收支和土壤的热特性有关，与季节、纬度、地形、土壤颜色、土壤自然覆盖以及天气条件等也有关系。,太阳高度角 太阳高度角的大小决定地面接受太阳辐射的多少。 中午太阳高度角大的季节和地区白天接受很多太阳辐射，夜间以有效辐射方式支出热量，地面辐射差额的日变化大，因而土壤表面温度的日较差也大。反之，则小。 地形 地形主要是影响空气乱流热交换。 乱流的强弱决定丁地面和空气间热量变抉的多少。与平地相比，凸地由于通风良好，乱流交换旺盛，白天地面温度不易升高，夜间地面温度不易降低，因而凸地形的土壤温度日较差比平地形的小；凹地形则相反，土壤温度日较差较大。,下垫面颜色 土壤的颜色差异主要影响土壤
16、的反射率。反射率不同，土壤吸收的太阳辐射也不同。 一般是深色土壤表面的日较差比浅色土壤的大些。 导热率 导热率大的土壤温度日较差小；导热率小的土壤，温度日较差则大。 热容量 热容量大的土壤，温度日较差小，热容量小的土壤，温度日较差大。 天气 天气对土壤温度日较差也有一定的影响。,（二）土壤温度的年变化 土壤表面温度的年变化主要与地面接受的太阳辐射年变化有关。 在北半球的中、高纬度地区，土壤表面月平均最高温度出现在七八月份；月平均最低温度出现在一二月份。它们分别落后于太阳辐射最强(夏至)和最弱(冬至)的月份。 赤道附近一年中太阳直射两次，因此土壤表面的温度年变化也有两个起伏，月平均最高温度分别出现在春分和秋分之后；月平均最低温度分别出现在夏至和冬至以后。,土温年较差 一年中，土壤最高月平均温度与最低月平均温度之差，称为土温年较差。 土壤温度年较差的大小与纬度、地表状况、天气等因子密切相关。 土壤温度的年较差随纬度增高而增大，与日较差却相
