农业气象学经典课件温度

农业气象学经典课件温度第一页，共四十三页，2022年，8月28日§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第二页，共四十三页，2022年，8月28日

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(Molecularconduction)

依靠分子的热运动传递能量

3、对流(Convection)－空气垂直运动

第三页，共四十三页，2022年，8月28日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（Changephase）－汽态－液态－固态：第四页，共四十三页，2022年，8月28日

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。

第五页，共四十三页，2022年，8月28日

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。第六页，共四十三页，2022年，8月28日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。

第七页，共四十三页，2022年，8月28日

（比较r、γm和γd？）为什么γm﹤γd呢？γm、γd和γ有什么不同？讨论第八页，共四十三页，2022年，8月28日三、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

第九页，共四十三页，2022年，8月28日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。第十页，共四十三页，2022年，8月28日

(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。第十一页，共四十三页，2022年，8月28日四、

气温的日变化和年变化

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？

第十二页，共四十三页，2022年，8月28日北京海淀地区地表温度与气温关系分析

第十三页，共四十三页，2022年，8月28日§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第十四页，共四十三页，2022年，8月28日介绍描述热量的几个基本概念：

1、

热容量C(heatcapacity）:表示某物体温度每升高1℃所需要的热量J/℃；2、质量热容Cm(massspecificheat)

: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(volumespecificheat)

: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=4·18×106J/m3℃空气：CVa=0·0013×106J/m3℃

第十五页，共四十三页，2022年，8月28日4导热率λ(thermalConductivity)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。

第十六页，共四十三页，2022年，8月28日5热扩散系数K(Thermaldiffusioncoefficient)（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=0·14×10-6m2/S空气：K=20.5×10-6m2/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。第十七页，共四十三页，2022年，8月28日

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。

第十八页，共四十三页，2022年，8月28日（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。第十九页，共四十三页，2022年，8月28日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？第二十页，共四十三页，2022年，8月28日

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。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：（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。

第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日二、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：，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。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。第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日从公式中可以看出：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。第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日

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，（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。第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日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

沙壤土粘土泥炭土40%孔隙度饱和40%孔隙度饱和80%孔隙度饱和K×10-6m2/s0.240.740.180.510.100.12λ

J/m.s.℃0.302.200.251.580.060.50第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日对同种土壤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)。第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日

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10cm深处日最高温度将何时出现？解：滞后5.46h，也就是说12.5+5.46≈18时出现最高温度。第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日§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第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日一、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℃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第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日二、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。第三十页，共四十三页，2022年，8月28日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。第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日三、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。第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日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）第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日成熟发育速率与有效积温的关系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)ΣtΣＱ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为该温度下发育所需的天数。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日效值积温？？积温运用中要注意的问题：作物不同发育阶段要求不同的最适温度。以生长下限温度为基础的积温不能完全决定作物能否完成发育阶段。以用平均温度来计算的积温不能完全反映作物生长对热量的要求。如：玉米热量单位：加拿大的Brown于1963年提出用于反映玉米生育期的热量指标。CHU=[(Tmin-4.4)+1.85(Tmax-10)-0.026(Tmax-10)2]/2式中Tmax和Tmin分别为日最高和最低气温。又如：海南与西双版纳的橡胶一般生殖生长阶段要求温度较高，温度不满足则不能完成发育过程。如：棉花，开花结铃需要较高的温度，昆明不能种棉花而在郑州棉花生长发育很好。第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日实习五如何求算某地稳定通过某界限温度的日期、持续天数及活动积温有效积温第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日本章重点：1、空气的绝热变化和大气层结稳定度2、

土壤温度：（1）土壤温波振幅分析（2）土壤温波峰值迟后分析（3）例题分析3、积温的种类及其统计方法第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日思考题1.什么叫绝热变化？怎样利用绝热梯度来判断大气的稳定度？2．土壤的热特性有哪些？它们是怎样影响土壤温度的变化？

3．为什么高纬度地区土壤温度的年变化较低纬度地区大？

4．土壤温度垂直分布有几种类型？有何特点？

5．在正常天气情况下，一地的地面最低温度为什么出现在日出前？最高温度出现在正午后，而不是在辐射最强的正午？

6．试比较土壤、水体和大气的热传播特点以及地面温度、气温和水温极值温度出现时间和较差的大小。

7．逆温层和山区暖带是怎样形成的？在农业生产实践中怎样利用逆温？

9．何谓农业界限温度？常用的农业界限温度有哪些？其意义是什么？怎样确定农业界限温度？

11．三基点温度包括哪些内容？

12．常用的积温有哪些？活动积温和有效积温有什么不同？它们在统计方法和实际应用中有何区别？

13．简述计算活动积温和有效积温的方法。

14．名词解释

热容量导热率导温率日较差年较差三基点温度界限温度活动积温有效积温第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日练习题1、某人要建地下别墅，其土质为孔隙度40%的沙壤土，要求别墅每年1月15日达到一年中最高温度，即正好比地表最高温度出现时间迟6个月（183天），问别墅应建在多深处？已知地表年温振幅A（0）为40℃，地下别墅年平均温度为18℃，求别墅的年温振幅A（别）及年平均最高温度T高和最低温度T低？2、美国“阿波罗号”宇宙飞船测得月亮表面及其地下30cm处的最高及最低温差分别为280℃和10℃，月球上昼夜各持续14天（按地球天算），求月亮上土壤的日衰减深度D和热扩散率K，并与地球上的土壤K值相比较？第四十页，共四十三页，2022年，8月28日SOILPROBLEMS1、Supposeyouweretryingtopreventapipeburiedinsandorclayfromfreezingduringthewinter,andcouldcontrolthesoilmoisturetobeeitherdry,moderatelymoist,orverywet.Whichofthesechoiceswouldbebest?Worst?Explainwithreferencetoconceptsofthermaldiffusivityanddampingdepth.2、Soilheatfluxesmeasuredat5cmand10cmdepthsinadrysandsoilwere65w/m2and15w/m2,respectively.Willthissoillayerwarmorcoolwithtime,andhowmany℃willitchangeinanhour?第四十一页，共四十三页，2022年，8月28日3、Wiggleyandlowlywormarecousins,WiggleylivesinasandygardenwithadailyDof15cminthecitywhileLowlywormisafarmerwholivesonacarrotfarminpeatsoilwherethedailyDis5cm.Bothowncondominiumsatthe20cmdepthandannualtemperaturewaveusuallypeaksaboutJuly15atthesurface.Atwhattimeofyeardoeachofourtwofriendsusuallyexperiencethewarmesttemperaturesintheirhomes?(Notethatthesecalculationmighthavepracticalapplicationtodiffer