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1、农业气象学经典课件温度第1页，此课件共43页哦3.1 空气温度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2页，此课件共43页哦一、空气的非绝热变化一、空气的非绝热变化1、辐射（辐射（Radiation）以电磁波形式传递能量以电磁波形式传递能量2、分子传导、分子传导(Molecularconduction)依靠分子的热运动传递能量依靠分子的热运动传递能量3、对流对流(Convection)空气垂直运动空气垂直运动第3页，此课件共43页哦4、湍流湍流(Turbulence)大团空气（大团空气（eddy）向垂直和水）向垂直和水平方向作无规律运动。平方向作无规律运动。5、平
2、流（平流（Advection）空气的水平运动（风）空气的水平运动（风）6、相变（相变（Changephase）汽态液态固态：汽态液态固态：第4页，此课件共43页哦二、空气的绝热变化二、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5页，此课件共43页哦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）。干干绝绝热热直直减减率率对干空气(dry)
3、和未饱和的湿空气而言，称干绝热直减率。第6页，此课件共43页哦湿绝热直减率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m=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m要比d小，m平均值一般为m=0.5/100m。第7页，此课件共43页哦（比较（比较r、m和和d？）？）为什么为什么m d呢？呢？m、d和和有什么不同？有什么不同？讨论第8页，此课件共43页哦三三、大气稳定度、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。r0，大气为不稳定层结r0,大气为稳定层结r=0，大气为
4、中性层结第9页，此课件共43页哦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。r0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r0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10页，此课件共43页哦(2)大气稳定度的判断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
5、直减率rm的大小决定。A）d绝对不稳定绝对不稳定B）m绝对稳定绝对稳定C）=d干中湿不稳干中湿不稳D）=m湿中干稳湿中干稳E）md条件不稳定。条件不稳定。第11页，此课件共43页哦四、四、气温的日变化和年变化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12页，此课件共43页哦北京海淀地区地表温度与气温关系分析北京海淀地区地表温度与气温关系分析第13页，此课件共43页哦3.2 土壤温度土壤温度土壤的热特性土温的时空变化土壤温波方程第14页，此课件共
6、43页哦介绍描述热量的几个基本概念：介绍描述热量的几个基本概念：1、热容量热容量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=.Cm水：CVw=418106J/m3 空气：CVa=00013106J/m3第15页，此课件共43页哦4导热率导热率(thermalConductivity)J/m.S单位温度垂直梯度/m、单位时间S、
7、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）=0.57J/m.s.，空气（10静止空气）=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16页，此课件共43页哦5热扩散系数热扩散系数K(Thermaldiffusioncoefficient)（m2/s）说说明明物物体体增增温温快快慢慢就就有有热热扩扩散散系系数数K，也也称称导导温温率率。K K与与的关系：的关系：K=/CK=/CV V （单位换算）（单位换算）水：水：K=01
8、410-6m2/S空空气气：K=20.510-6m2/S（空空气气大大1464倍倍），空气升温快。空气升温快。农田土壤湿度农田土壤湿度B=20%左右时，对农作物生长最为有利。左右时，对农作物生长最为有利。第17页，此课件共43页哦二、温度的时空变化二、温度的时空变化（一）（一）垂直变化（空间变化）垂直变化（空间变化）土壤温度的垂直变化的三种类型土壤温度的垂直变化的三种类型(日射型、辐射型和过渡型日射型、辐射型和过渡型)与与气温垂直分布的三种类型。气温垂直分布的三种类型。第18页，此课件共43页哦（二）日、年变化（时间变化）（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
9、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19页，此课件共43页哦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20页，此课件共43页哦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
10、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21页，此课件共43页哦二、土壤的温波方程二、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。指温度曲线的正弦角度，旋转一周为360=2，=2/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22页，此课件共43页哦从公式中可以看出：土壤温度振幅将按对数规律衰减，土壤温
11、波峰值出现时间将按位相Z/D滞后。所以，D是一个重要参数，称为土壤衰减深度。第23页，此课件共43页哦土壤温波的振幅分析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深度称为恒温层深度称为恒温层，了解土壤恒温层深度是很重要的。第24页，此课件共43页哦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。表3.1不同土壤的K和值沙壤土沙壤土粘土粘土泥炭土泥炭土40%孔孔隙度
12、隙度饱饱和和40%孔孔隙度隙度饱和饱和80%孔孔隙度隙度饱饱和和K10-6m2/s0.240.740.180.510.100.12J/m.s.0.302.200.251.580.060.50第25页，此课件共43页哦对同种土壤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=0.143=0.42(m)，年恒温层Z=3D年=0.4219=7.98(m)。第26页，此课件共43页哦土壤温波峰值滞后分析土壤温波峰值滞后分析sin(t-Z/D/)相当于从sin(-)位相落后则峰值滞
13、后，即峰值滞后Z/D/，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/=T/2=3.82h,二是相对年温波曲线来说，峰值滞后1/=T/2=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+5.4618时出现最高温度。第27页，此课件共43页哦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28页，此课件共43页哦一、基点温度一、基点温度温度三基点：生长最低、最适、温度三基点：生长最低、最适、最高温度。最高温度。喜凉作物分别为喜
14、凉作物分别为:5:5、20-30 35-40 20-30 35-40喜温作物分别为喜温作物分别为:10-15:10-15、30-35 45 30-35 45生物能生存的生物能生存的温度范围较生长温度范围较生长的温度范围宽，的温度范围宽，冷致死温度较生冷致死温度较生长最低温度低，长最低温度低，热致死温度较生热致死温度较生长最高温度高长最高温度高第29页，此课件共43页哦二、农业界线温度二、农业界线温度0C-农事活动开始或终止，喜凉作物生长的起始温度,小于为寒冷期。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
15、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30页，此课件共43页哦5C：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
16、生长；安全齐穗；玉米、高粱安全灌浆。第31页，此课件共43页哦三、三、积温及对作物生长发育的影响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32页，此课件共43页哦积温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。作物生育要求一定的累积热量强度，其表征指标为积温。l活动积温活动积温：高于生物学下限温度的日平均气温的累积和高于生物学下限温度的日平均气温的累积和l有有效效积积温温：有有效效温温度度的的总总和和。有有效效温温度度为为日日平平均均气气温温减减去去生生物学下
17、限温度。物学下限温度。小麦从抽穗到成熟发育速度与温度的关系小麦从抽穗到成熟发育速度与温度的关系（最低（最低9-11，最适，最适18-20，最高，最高32）第33页，此课件共43页哦成熟发育速率与有效积温的关系成熟发育速率与有效积温的关系当量积温当量积温活活动动积积温温经经过过温温度度强强度度系系数数订订正正后后得得到到物物理理量量，反反映映某某种种作作物物对对累累积热量的要求。积热量的要求。可表达为：可表达为：K(T)t为为当当量量积积温温，t为为活活动动积积温温，K(T)为为温温强强系系数数：K(T)=n0T0/t，式式中中T0为为作作物物发发育育最最快快的的温温度度，n0为为该该温温度度下
18、下发发育育所所需需的的天天数。数。第34页，此课件共43页哦效值积温？效值积温？积温运用中要注意的问题：积温运用中要注意的问题：l作作物物不不同同发发育育阶阶段段要要求求不不同同的的最最适适温温度度。以以生生长长下下限限温温度度为为基基础础的的积积温温不不能能完完全决定作物能否完成发育阶段。全决定作物能否完成发育阶段。l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。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。如如：玉玉米米热热量量单单位位：加加拿拿大大的的BrownBrown于于19631963年年提提出出用用于于反反映映玉玉米米生生育育期期的的热热量量指指标标。CH
19、U=(Tmin-4.4)+1.85(Tmax-10)-0.026(Tmax-10)CHU=(Tmin-4.4)+1.85(Tmax-10)-0.026(Tmax-10)2 2/2/2式中式中Tmax Tmax 和和TminTmin分别为日最高和最低气温。分别为日最高和最低气温。又如：海南与西双版纳的橡胶又如：海南与西双版纳的橡胶l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。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。如如：棉棉花花，开开花花结结铃铃需需要要较较高高的的温温度度，昆昆明明不不能能种种棉棉花花而而在在郑郑州州棉棉花花生生长长发育很好。发育很好。第35
20、页，此课件共43页哦实习五如何求算某地稳定通过某界限温度的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日期、持续天数及活动积温有效积温第36页，此课件共43页哦第37页，此课件共43页哦本章重点：本章重点：1、空气的绝热变化和大气层结稳定度、空气的绝热变化和大气层结稳定度2、土壤温度：土壤温度：（1）土壤温波振幅分析）土壤温波振幅分析（2）土壤温波峰值迟后分析）土壤温波峰值迟后分析（3）例题分析）例题分析3、积温的种类及其统计方法、积温的种类及其统计方法第38页，此课件共43页哦思考题思考题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？
21、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
22、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39页，此课件共43页哦练习题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
23、？第40页，此课件共43页哦SOILPROBLEMS1、Supposeyouweretryingtopreventapipeburiedinsandorclayfromfreezingduringthewinter,andcouldcontrolthesoilmoisturetobeeitherdry,moderatelymoist,orverywet.Whichofthesechoiceswouldbebest?Worst?Explainwithreferencetoconceptsofthermaldiffusivityanddampingdepth.2、Soilheatfluxesmea
24、suredat5cmand10cmdepthsinadrysandsoilwere65w/m2and15w/m2,respectively.Willthissoillayerwarmorcoolwithtime,andhowmanywillitchangeinanhour?第41页，此课件共43页哦3、Wiggleyandlowlywormarecousins,WiggleylivesinasandygardenwithadailyDof15cminthecitywhileLowlywormisafarmerwholivesonacarrotfarminpeatsoilwherethedail
25、yDis5cm.Bothowncondominiumsatthe20cmdepthandannualtemperaturewaveusuallypeaksaboutJuly15atthesurface.Atwhattimeofyeardoeachofourtwofriendsusuallyexperiencethewarmesttemperaturesintheirhomes?(Notethatthesecalculationmighthavepracticalapplicationtodifferingtimesofactivationofsoilinsectorrootgrowthinva
26、rioussoiltypes.)4、SupposeLowlywormwantedtotakehiswintervacationinaclimatewherethewarmesttemperaturesoftheyearwerefoundonJanuary15,exactly6monthslaterthanthewarmestsurfacetemperatures.Towhatdepthinthepeatsoilshouldheburrowforhisvacation?第42页，此课件共43页哦5、IftheannualsurfacetemperaturewaveonLowlyspeatsoil
27、hasanamplitudeof15,whatistheamplitudeoftheannualwaveathishomeat20cm?Athisvacationretreatat3m?6、OnoneoftheApolloflightstothemoon,soiltemperaturemeasurementsshowedthattherangeofsurfacetemperaturewasabout280between“day”and“night”,eachofwhichlastsfor14days.Thetemperaturerangeat30cmdepthwasonly10.WhatarethedampingdepthandthermaldiffusivityofMoonsoil?ComparewithEarthsoilandsuggestwhytheMoonvaluesaremuchlower.第43页，此课件共43页哦