农林气象学 第二章温度课件

第二章本章内容

热量交换方式

土壤温度

温度与农业生产2022/12/281一、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。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。第一节热量交换方式2022/12/282作用：缓和地区之间、纬度之间温度的差异有很大作用。

作用：使上下层空气混合，产生热量交换。

大规模空气在水平方向上的运动称为平流。四平流热交换：水平方向上热量交换的主要方式三对流热交换：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。2022/12/283

陆地比海面强

山地比平原强

白天比夜间强

夏季比冬季强六、潜热交换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。近地气层乱流强度的时空变化：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。2022/12/285一、土壤表层热量收支状况ΔQs

ΔQs

RLEP

B′LERP

B′（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

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。第二节土壤温度2022/12/286二、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。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。2022/12/287二、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。

2.大小

由土壤组成成分其各成分的比例决定。单位：J/m3℃2022/12/288（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。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:2022/12/2810单位：ｍ2/S

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。

（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。2022/12/2812★

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。♠土壤导温率分析：图2.2

砂土的热特性与土壤湿度的关系★

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。2022/12/2814三、土壤温度变化

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。

◆表征温度变化的几个物理量：2022/12/2815(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。其变化过程如下图所示:2022/12/28161．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：地面最高温度图2.3地面温度变化与地面热量收支示意图2022/12/28173.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㎝。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.2022/12/28182.年恒温层（土壤温度没有年变化的土层）：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。月平均最低温度出现在夏至和冬至日以后。2022/12/2820（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.

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？2022/12/2821

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。

例3：已知某地段5cm深处温度日振幅为地面的求年振幅为地面1/2的深度？2022/12/2823解：设日振幅为地面1/2的深度为Z1，依据定律一有：求得Z1＝10cm，则可得到年振幅为地面1/2的深度为191cm。2022/12/2824五、土壤的冻结和解冻

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：

1.冻结：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米以内，西北地区在1米以上，秦岭淮河以南几乎没有冻土。2022/12/2826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。2022/12/2827

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。

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）。

2022/12/2828二、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。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。

2022/12/2830

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。2022/12/28314.垂直变化：等温层、跃变层、等温层

图2.5琵琶湖水温的垂直分布夏季：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。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，表层冷水不再下沉，使水面以下的水温在4℃左右。

2022/12/2832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。2022/12/2833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.

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。海拔高度：随海拔增高，日较差减小。2022/12/2834(二）气温的年变化表2.3

最冷、最热月出现的时间

项目最热月最冷月大陆性气候区季风气候区7月1月海洋性气候区8月2月1.变化规律2022/12/2835

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℃。

表2.4纬度与气温年较差地点纬度年较差（℃）广州23°08′N15.5上海31°10′N23.8呼和浩特40°49′N35.9海拉尔49°13′N49.12022/12/2836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。纬度39°N40°N距海远近远近远近地点保定大连大同秦皇岛年较差32.6℃29.4℃37.5℃30.6℃表2.5距海远近与气温年较差2022/12/28373.气温的非周期变化⑴概念：即天气变化引起的突然升温和降温。地形

天气状况海拔高海拔地区日较差大，年较差小。⑵形成原因：大规模空气的水平运动引起的。2022/12/2838

气温的周期性变化是地球公转运动的结果，非周期性变化是大气运动的结果。气温的非周期性变化可以加强或减弱甚至改变气温的周期性变化。实际上，一个地方气温的变化是周期性变化和非周期性变化共同作用的结果。⑶发生季节：一年中任何时间都可能发生,过渡季节（春夏、夏秋之交。）较为频繁。2022/12/2839二、气温的空间变化（一）气温的水平分布

不同季节，气温水平分布不同，气温的水平分布通常用等温线来表示。

等温线分布反映气温的水平分布规律,如果地球有一个均一的表面,则等温线分布与纬线大致平行,气温从低纬向高纬递减。但由于气温除受纬度、太阳辐射影响外,还受大气运动、地面状况等因素的影响,所以等温线不一定与纬线一致,经常发生弯曲。2022/12/2840

赤道附近的气温年变化很小，随着纬度的增加，年变化幅度增大。

世界冷极在南极，为－90℃（乔治峰），热极在索马里境内，为63℃。2022/12/2841我国实测最高气温48.9℃，新疆吐鲁番2022/12/2842我国实测最低气温－52.5℃，黑龙江漠河2022/12/2843－90℃，南极2022/12/2844南极2022/12/2845北极2022/12/28461.气温垂直递减率：

γ>0，表示气温随高度的增加而降低；

γ＝0，表示气温不随高度变化；

γ<0，表示气温随高度的增加而增加。影响因子：陆地>海洋，沙漠、燥土>浅草地、湿土，晴天>阴天（二）近地层气温的垂直分布2022/12/2847图2.6近地气层温度的垂直分布

★日射型：图中12时★

辐射型：图中0时★

清晨过渡型：图中06时★

傍晚过渡型：图中18时2.气温的垂直分布℃2022/12/28483.逆温

一定条件下，气温随高度增加而升高的现象称为逆温。

逆温层：出现逆温的气层称为逆温层。

当发生逆温时，冷而重的空气在下，暖而轻的空气在上，不易形成对流运动，使气层处于稳定状态，阻碍了空气垂直运动向上发展，因而又称阻挡层。

⑴概念：

2022/12/2849

⑵逆温的分类：辐射逆温、平流逆温、湍流（即乱流）逆温、下沉逆温、地形逆温、锋面逆温和融雪逆温等。

◆辐射逆温

晴朗微风的夜晚，地面由于有效辐射而强烈降温，接近地面的空气随之冷却降温，较高的空气冷却较慢，从而形成的逆温。厚度可达200～300ｍ。

大陆上常年都可出现，以冬季最强，夏季最弱。

夜间加强，黎明前达最大。2022/12/2850◆平流逆温：暖空气移到冷的下垫面上，发生接触冷却，愈近地表面的空气降温愈多，而上层空气受冷地面的影响小，降温较少，于是产生了逆温现象，这种逆温称为平流逆温。

夜间加强，白天减弱。

冷的下垫面暖空气暖空气2022/12/2851

⑶逆温的应用：农业生产上常利用逆温层防寒避冻、防治病虫害；逆温出现时喷洒农药，能使其均匀落在植株上；熏烟雾防霜冻时，可使烟雾弥漫在低层。工业上避开逆温出现的时间来排放污染物质。

思考题：假设大气污染物以恒稳速率排放，那么在无风且晴朗的一天里，从避免吸入污染物的角度看，早晨是最适合锻炼的时间么？2022/12/2852三、空气绝热变化与大气稳定度

假定空气块在垂直运动中与外界不发生热量交换，这种过程称为绝热过程。一块空气运动时通常与外界有热量交换，由于空气的导热率很小，气块在垂直运动中所经历各气层的时间又很短，致使垂直运动中的空气块与周围空气间的热量交换远小于气块内能的变化。所以，把空气的垂直运动近似地看作绝热变化。（一）空气的绝热变化2022/12/2853干绝热直减率：干空气或未饱和的湿空气在绝热运动过程中每改变单位距离温度变化的数值叫干绝热直减率

，用γd来表示，γd≈1℃/100m。若气块在高度Z0处温度为T0，干绝热上升或下降至高度Z＝Z0＋ΔZ处时，气温为T，则：1.干绝热变化在绝热过程中气块内部无水分蒸发或水汽凝结称为干绝热过程。干空气和未饱和湿空气的绝热变化称为干绝热变化。2022/12/28542.湿绝热变化空气块在绝热过程中内部始终伴随着水汽凝结或蒸发，叫湿绝热过程。

饱和湿空气绝热上升时经历湿绝热过程。饱和湿空气在绝热运动过程中每改变单位距离的温度变化,称为湿绝热直减率，用γm表示。γm≈0.5℃/100m.注意：γm、γd指气块在升降过程中气块本身温度的变化，而γ指的是实际大气中温度随高度的分布，也称作大气的温度层结。γm不是常数，它是气压和温度的函数，随着气压的降低、温度的升高而减小。2022/12/2855思考题：为什么干绝热直减率γd大于湿绝热直减率γm？干绝热过程是可逆的。湿绝热过程中如果没有水汽凝结物脱离则过程是可逆的，如果有水汽凝结物脱离气块则过程不可逆，这种过程称为假绝热过程。2022/12/2856（二）大气稳定度1.大气稳定度的概念概念：大气的稳定程度称为大气稳定度，指空气块受外力扰动后，大气层结（温度和湿度的垂直分布）有使其返回或远离原来平衡位置的趋势或程度。假如有一块空气块在外力的作用下，产生垂直运动，当外力除去后，有下列情况发生：分类：2022/12/2857中性

若既无回到原位，又无继续加速前进的趋势，而是保持原有运动状态，这时气块所处的气层，对于该气块而言是中性的。不稳定

若气块按原方向加速运动，这时气块所处的气层，对于该气块而言是不稳定的。

若气块逐渐减速，趋于回到原位，这时气块所处的气层，对于该气块而言是稳定的。

稳定2022/12/28582.气块垂直运动加速度

如图，有一气块，受外力作用后，在垂直方向上绝热上升或下降到某一高度。此时，其受力如图所示。若以向上的加速度为正，则有：T′ρ′P′ρ′vgρvgTPρ2022/12/2859将状态方程代入上式得：T′＞T，a＞0，气块向上运动；T′＜T，a＜0，气块向下运动；T′＝T，a＝0，垂直运动不发展。3.大气稳定度的判据通常用气温直减率（γ）与上升气块的干绝热直减率（γd）或湿绝热直减率（γm）的对比来判断。2022/12/2860

高度（m）10020030013℃12℃11℃13℃12℃11℃13℃12℃11℃γ=0.8γ=1.0γ=1.211.2℃12.0℃12.8℃11.0℃12.0℃13.0℃10.8℃12.0℃13.2℃A:γ<γd稳定B:γ=γd中性C:γ>γd不稳定

如图示，气块在平衡位置处受到扰动后,由于气温直减率γ不同，会产生下列三种情形：图2.7不饱和空气的大气稳定度2022/12/2861对于未饱和空气γ>γd不稳定；γ=γd中性；γ<γd稳定。

对于饱和湿空气γ>γm不稳定；γ=γm中性；γ<γm稳定。大气稳定度的判据γ>γd时，大气为绝对不稳定；

γ＜γm时，大气为绝对稳定；

γm<γ<γd时，大气为条件性不稳定。2022/12/2862

热量是生命活动的重要条件之一，也是农业环境的一个重要因子。在研究热量条件与动植物生长发育的关系时，一般都用温度来表示。本节讲述温度的生物学意义；分析气温变化对农业生物、农业环境和农事活动的影响，同时给出积温的定义、求算方法及在农业上的应用。第五节温度与农业生产2022/12/2863一、作物的三基点温度

(Three-basic-pointtemperatureofcrop)三基点温度：指作物在生长发育过程中遇到的最低温度、最高温度和最适温度。作物种类最低温度最适温度最高温度小麦3--4.520--2230--32玉米8--1030--3240--44水稻10--1230--3236--38油菜4--520--2530--32表2.4几种作物的三基点温度（℃）2022/12/2864作物光合作用的三基点温度指标：最低温度C30-5，C45-10、最适温度C320-32，C440-45、最高温度C340以下，C450-60。五个基本温度指标：把影响作物生命活动的致死低温、最低温度、最适温度、最高温度和致死高温合称五个基本温度指标。2022/12/2865二、农业界限温度

(Indextemperatureinfarming)

1.概念：指对作物有指示和临界意义（标志某些物候现象或农事活动的开始、转折或终止）的日平均气温。

2.几个重要的界限温度（1）0℃--土壤冻结与解冻；一年中日平均气温稳定通过0℃的持续时期称为农耕期。（2）5℃--早春作物播种、多数树木开始生长；日平均气温稳定通过5℃的持续时期称为生长季。

2022/12/2866（3）10℃--多数作物生长活跃；日平均气温稳定通过10℃的持续时期称为积极生长期。

（4）15℃--喜温作物积极生长。三.积温的与植物的生长发育(therelationshipofaccumulatedtemperatureandcropgrowth)

在其他条件得到满足的前提下，温度因子对生物的发育起着主要作用。温度对作物和变温动物生长发育的影响，包括温度的强度和持续时间两个方面，积温就是衡量这两个方面的综合效应的一种农业气象指标。是一种热量指标。2022/12/2867几个温度概念：1.生物学下限温度（B）：植物开始生长发育的温度。2.活动温度：高于生