第三章温度 (2)优秀课件.ppt

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1、第三章温度第1页，本讲稿共67页第一节 大气温度一、大气的热量输送 空气的温度高低的变化，实质上是内能大小的变化。空气的温度高低的变化，实质上是内能大小的变化。温度变化途径有两种温度变化途径有两种 空气与外界空气与外界有热量交换有热量交换，使空气内能发生变化。这种变化叫做，使空气内能发生变化。这种变化叫做非绝热变化非绝热变化。空气与外界空气与外界没有热量交换没有热量交换，只是由于外界压力变化使空气膨胀或压缩，只是由于外界压力变化使空气膨胀或压缩，也会引起内能的变化。这种与外界未发生热量交换而引起的变化，也会引起内能的变化。这种与外界未发生热量交换而引起的变化，称为称为绝热变化绝热变化。第2页，

2、本讲稿共67页1.空气温度的非绝热变化(空气与外界发生热量交换)（1 1）分子传导（）分子传导（Conduction)依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一个分子，而达到热量 平衡的传热方式。（2 2）辐射（）辐射（Radiation)通过长波辐射方式，大气和地面之间、空气团之间不停地进行 热量交换。第3页，本讲稿共67页（3 3）对流（）对流（Convection)当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便下来补充，这种升降 运动，称为对流。通过空气的对流运动，空气上下层互相混合，热量随之得到交换，使底层空气的热量传递到较高的气层。第4页，本讲稿共67页（4 4）湍流（）湍流（Turbul

3、ence)Turbulence)空气的不规则运动称为湍流（乱流）。当有湍流时，相邻空气之间在各个方向发生混合，发生热量交换。湍流是摩擦层中热量交换的主要方式。第5页，本讲稿共67页（5 5）平流（）平流（Advection)大规模空气块的水平运动称为平流。当冷空气流经暖的区域时，可使流经区域温度下降。当暖空气流经冷的区域时，可使流经区域温度上升。（6 6）蒸发与凝结（）蒸发与凝结（Evaporation and condensation)当水在蒸发(或冰在升华)时要吸收能量。水汽在凝结（凝华）时，要放出潜热。第6页，本讲稿共67页2.空气温度的绝热变化(空气与外界不发生热量交换)空气与外界没有

4、热量交换，而是由外界压力的变化，使空气膨胀或压缩引起的空气内能的变化，称为绝热变化绝热变化。在大气中做垂直运动的空气团，其状态变化通常接近于绝热过程。第7页，本讲稿共67页绝热冷却绝热冷却空气块空气块(团团)在上升过程中，因外界压力减小，空气团体积膨胀，对外做功。而这时，在上升过程中，因外界压力减小，空气团体积膨胀，对外做功。而这时，由于空气团与外界没有热量交换，做功所需的能量，只能由空气团本身的内能来负担，由于空气团与外界没有热量交换，做功所需的能量，只能由空气团本身的内能来负担，因此，该空气团消耗内能而温度下降。因此，该空气团消耗内能而温度下降。PVT第8页，本讲稿共67页空气块空气块(团

5、团)在下降的过程中，因外界压力增大，空气团体积被压缩，外界对空气团做功。在在下降的过程中，因外界压力增大，空气团体积被压缩，外界对空气团做功。在绝热条件下，所作的功只能用于增加空气团的内能，因而空气团的温度升高。绝热条件下，所作的功只能用于增加空气团的内能，因而空气团的温度升高。绝热增温绝热增温根据空气团的水汽含量，可分为干绝热变化干绝热变化(d)湿绝热变化湿绝热变化(m)第9页，本讲稿共67页(1)(1)干绝热变化：干绝热变化：是指干空气或未饱和的湿空气团，在绝热上升或下降过程中的绝热变化。在干绝热变化过程中，空气团温度随高度的变化率称为干绝热直减率。（Adiabatic lapse rat

6、e for dry air)d（dry）一般约为1/100m。(2)(2)湿绝热变化：湿绝热变化：是指饱和湿空气团，在绝热上升或下降过程中的绝热变化。在湿绝热过程中，空气团温度随高度的变化率称湿绝热直减率。（Adiabatic lapse rate in saturated air）m(moisture)其值约为0.5/100m。第10页，本讲稿共67页 d m：在湿绝热变化过程中，饱和空气团上升时，由于温度降低，发生凝结发生凝结，放出热量，缓和了空气上升冷却的程度。因此降温减小。而干空气或未饱和空气上升时并没有发生凝结放热并没有发生凝结放热，因此降温增多。在湿绝热变化过程中，空气块(团)在下

7、沉增温时，如空气块有凝结的水分，则由于蒸发耗热，下沉时的增温比干绝热增温少。第11页，本讲稿共67页vdvmv气团升降过程中，气团本身的温度变化率大气层中温度随高度的变化率第12页，本讲稿共67页二、气温的时空变化二、气温的时空变化1.1.气温的周期性变化气温的周期性变化（1）气温的日变化气温的日变化：一天中气温随时间的连续变化，称气温的日变化。气温日较差气温日较差：在一天中空气温度有一个最高值和一个最低值，两者之差为气温日较差。上海市7月气温日变化的平均情况第13页，本讲稿共67页影响气温日较差的因素 a.纬度：气温日较差主要决定于正午的太阳高度角，而正午的太阳高 度角是随纬度的升高而减小的

8、。因此，气温日较差是随纬度的升高而减小。热带地区：12左右；温带地区：8.0-9.0；极圈：3.0-4.0S0第14页，本讲稿共67页 b.季节：夏季日较差大于冬季。中高纬度地区，春季日较差最大。第15页，本讲稿共67页 c.地形：低凹地的气温日较差大于凸地的气温日交差。d.下垫面性质：陆地日较差大于海洋；沙土、深色土、干松土壤的日交差大于粘土、浅色土和潮湿紧密地土。第16页，本讲稿共67页e.天气：晴天日较差大于阴雨天的日较差；大风天的日较差较小。第17页，本讲稿共67页（2）气温的年变化气温的年变化：一年中气温随时间的连续变化，称气温的年变化。气温年较差气温年较差：在一年中月平均气温最高值

9、与最低值之差，称为气温年较差。中、高纬度地区月平均最高温度在7月份出现；最低温度在1月份出现 海洋上的最高气温在8月份出现，最低温度在2月份出现。第18页，本讲稿共67页影响气温年较差的因素 a.纬度：气温年较差随纬度的升高而增大(太阳辐射随纬度的年变化有关)。第19页，本讲稿共67页b.海洋：由于海陆热特性不同，对于同一纬度的海陆地区，大陆地区冬夏两季空气的热量收入的差值比海洋大。所以大陆上的年较差比海洋大。温带海洋气温年较差为11 大陆上年较差可达20-60c.距海远近：由于水的热特性，使海洋升降温都比较缓和，距海洋越近，受海洋的影响越大，气温年较差 越小。第20页，本讲稿共67页2.2.

10、气温的非周期性变化气温的非周期性变化 在大气水平运动的影响下会发生非周期性的变化。在春季，有北方冷空气的南下，会使气温大幅度下降。“倒春寒”、“春雪”在秋季，有南方暖空气的北上，会出现气温突升的现象。“秋老虎”第21页，本讲稿共67页3.3.气温的垂直分布气温的垂直分布 一般情况下，在对流层中，气温是随着高度的增加而降低的。因为对流层空气是通过吸收地面辐射而增温的。所以，距地面越远，温度则越低。（1）气温的垂直梯度：指高度相差100m，两端气温的差值（/100m）。简称气温直减率()。Z 表示两高度差；T 表示两高度相应的气温差；负号表示气温垂直分布的方向。0 气温随高度的增加而增加，0气温随

11、高度的增加而减小 气温垂直梯度在对流层中的平均值为约0.65/100m。第22页，本讲稿共67页温度高度日出前日出后不久午后日落前不同时间气温垂直分布第23页，本讲稿共67页（2）对流层中的逆温现象 v在对流层中，出现气温随高度的增高而升高的现象。这种现象称为逆温，把出现逆温的气层，称为逆温层逆温层。v特点：（1）不易形成对流，气层处于稳定状态；（2）逆温下部常聚集大量烟尘，水汽凝结物，能见度变坏，加重空气污染。第24页，本讲稿共67页常见的逆温主要有辐射逆温和平流逆温。a.辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。在晴朗无云或少云的夜晚，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，使贴近

12、 地面的气层也随之降温。第25页，本讲稿共67页逆温层逆温层第26页，本讲稿共67页b.平流逆温：当暖空气平流到冷的地面或冷的水面上时，由于近地面气层的空气受冷的地面的影响大，降温较多；而上层空气受地面影响小，降温也较少。第27页，本讲稿共67页逆温现象在农业生产中的应用逆温现象在农业生产中的应用 有霜冻的夜晚，往往有逆温存在，气层处于最稳定状态。此时燃烧干草、化学物质等，这些物质的燃烧所形成的烟雾会被逆温层阻挡而弥漫在贴地气层，使大气逆辐射增加，防霜冻效果好。喷洒农药时，为使农药能均匀地洒落在植株上，也往往利用清晨的逆温层，使药剂不能向上乱飞。在寒冷季节需要凉晒一些农产品时，为避免地面温度过

13、低受冻，可将晾晒的东西置于一定高度之上。一般2m高度处的气温比地面温度高3-5第28页，本讲稿共67页三、三、大气稳定度（大气稳定度（Atmospheric stability)1.1.大气稳定度的概念大气稳定度的概念：空气块受到垂直方向扰动后，大气层结(温度和湿度的垂直分布)使该空气团具有返回或远离原来平衡位置的趋势和程度，称为大气稳定度大气稳定度。取大气中某高度上的一团空气，假如这团空气受到某种外力的作用，产生了向上或向下的运动，那么就可能出现以下三种情况：第29页，本讲稿共67页（1 1）稳定（）稳定（StableStable）：）：空气团受力移动后，逐渐减速，并且有返回原来 高度的趋势

14、，则这时的气层对该空气团来说是稳定的。（2 2）不稳定）不稳定(Unstable)(Unstable)：如果该空气团一离开原来的高度就逐渐加速运动，并有远离原高度的趋势，这时的气层对于该空气团来说是不稳定的。（3）中性中性（NeutralNeutral）：）：如果该空气团在外力作用下到达某高度以后，既不加 速也不减速，停留于此高度，这时的气层对于该空气团来说是中性的。第30页，本讲稿共67页2.2.大气稳定度的判断大气稳定度的判断当该空气块(团)受到外力作用，作垂直运动时，只要它本身的绝热直减率(d或m)与周围空气的温度垂直梯度不一致，那么它到达新的高度时其温度与周围空气的温度就不相同。导致该

15、空气团该空气团(块块)的密度的密度与周围空气密度的不相同周围空气密度的不相同。最终产生向上或向下的力。当空气块的重力小于浮力时，空气块向上运动。当空气块的重力大于浮力时，空气块向下运动。当空气块的重力等于浮力时，空气块不运动。第31页，本讲稿共67页=0.81112131211.212.8100m200m300m当d大气处于不稳定状态第34页，本讲稿共67页 值越小，大气越稳定。值越小，大气越稳定。在逆温的情况下，0，大气极稳定，阻碍对流和湍流的发展。值越大，大气越不稳值越大，大气越不稳定。定。当地面强烈受热时，或高空有冷平流出现时，都可出现大气不稳定状态，大气出现不稳定状态时，将有助于对流的

16、加强和云的发展。对于饱和空气：对于饱和空气：当 m 时，大气是不稳定的。第35页，本讲稿共67页v结论当 d时，则m，饱和空气和未饱和空气都不稳定。当 m 时，则m 时，大气是不稳定的。当md时，作干绝热升降运动的空气而言，大气是稳定的，作湿绝热运动的空气而言，大气是不稳定的。第36页，本讲稿共67页第二节 土壤温度第37页，本讲稿共67页一、一、土壤热特性土壤热特性1.热容量 描述土壤热容量的物理量有三种：热容量、质量热容量和定容热容量 热容量（Heat capacity):表示某物体温度升高或降低1所需吸收或 放出的热量。用C表示，单位为J/。（1）土壤质量热容（Heat capacity

17、 of soil at constant mass):表示单位质量的物体，温度变化1所需吸收或放出的热量。用Cm表示，单位为J/(kg)。（2）土壤定容热容（Heat capacity of soil at constant volume):表示单位体积的物体，温度变化1所需吸收或放出的热量。用Cv表示，单位为J/(m3)第38页，本讲稿共67页土壤质量热容与土壤定容热容之间关系为：第39页，本讲稿共67页表.土壤和土壤组成成份的热特性容积热容量容积热容量 J cm-3 K-12.132.393.514.181.21 10-31.282.122.960.582.314.051.422.253.

18、10第40页，本讲稿共67页2.热导率（Thermal conductivity)当物体不同部位之间存在温差时，就会产生热能的传递，热流的方向总是由 高温指向低温。物体传递热量的能力用热导率来表示。热导率：当温度垂直梯度为1/m时，单位时间内通过单位水平截面积 所传递的热量。用表示，单位为 J/(ms)影响因素：土壤组成和成分，土壤孔隙度和土壤湿度为主要影响因子。土壤热导率大，说明土壤传递热量能力强，传递热量速度快，在同一时间传递的热量多，因而表层土壤温度变化小。土壤的热导率小，则情况相反。第41页，本讲稿共67页表.土壤和土壤组成成份的热特性容积热容量容积热容量 J cm-3 K-12.13

19、2.393.514.181.21 10-31.282.122.960.582.314.051.422.253.10第42页，本讲稿共67页3.热扩散率（Thermal diffusivity)热扩散率是指在一定的热量得失情况下，土壤温度变化快慢的一个物理量。热扩散率：单位容积的物质，通过热传导，由铅直方向流入（或流出）(单位为J)的热量后，温度升高（或降低）的数值。热扩散率直接决定着温度传播的速度，因此，影响土壤温度的铅直分布、最高、最低温度出现的时间。：热导率CV：土壤定容热容第43页，本讲稿共67页4、热扩散率大小对农作物生长的影响v热扩散率大 土壤温度不会出现极端天气，有利于作物的 生长

20、。v热扩散率小 土壤温度会出现极端天气，不利于作物的生长。第44页，本讲稿共67页二、土壤温度的日、年变化1.土壤温度的日变化土壤温度在昼夜间随时间的连续变化，称为土壤温度的日变化。土壤温度日较差：一天中土壤温度最高值和最低值之差，称为土壤温度日较差。第45页，本讲稿共67页影响土壤温度日较差的因素（1）太阳高度：是影响土壤温度日变最主要和最基本的因子。正午时刻太阳高度角大的季节和地区，一日内太阳辐射日变化大,因而土壤温度日较差就大。（2）土壤热特性：热导率大的土壤，当土壤表面获得热量时，有较多的热量传向深层;当土壤表层冷却时，又有较多的热量自深层传至表层,因而土表日较差小。第46页，本讲稿共

21、67页（3）土壤颜色：深色土壤表面日较差比浅色土壤日较差大。（4）地形：与平地或凹地相比，凸起地由于通风良好，乱流交换旺盛，白天温度不易升高，夜间温度不易降低，因而凸起地的日较差小。（5）天气：与晴天相比，因为阴天的云层能消弱太阳辐射，白天使地面增温少，而夜间又减少了地面的长波辐射，因而阴天的日较差小。第47页，本讲稿共67页2.土壤温度的年变化 土壤表面温度的年变化，主要决定于太阳辐射能的年变化。北半球的中、高纬度地区，土壤表面最高温度一般出现在7，8月份；土壤表面最低温度一般出现在1，2月份 一年中，最高的月平均温度与最低的月平均温度之差，称为温度年较差。土壤表面温度年较差：随纬度的增高而

22、增大。广州（2308N）:15.9 齐齐哈尔（4720N）:47.8第48页，本讲稿共67页三、土壤温波方程根据实际观测，土壤日、年周期性变化非常有规律性，呈现正铉曲线。假设：土壤结构是均匀，且无限深的前提下，对地面以下任一个深度、任一时刻的温度可以用正铉公式来表示。第49页，本讲稿共67页 :表示z深度t时刻的土壤温度，单位：；A(0):地表振幅。:土温曲线的正铉角度；=2/，为周期(日变化周期为24h,年变化为365d)z:观测深度；t:观测时间；D:土温衰减深度(Damping depth):土壤温波振幅减少e-1(0.368)的深度(m)。用 来表示，K 为土壤的热扩散率。第50页，本

23、讲稿共67页v土温衰减深度:为周期(日变化周期为24h,年变化为365d)=2/D年/D日=(365/1)1/2=19.1第51页，本讲稿共67页 若土壤深度按算术级数增加，则土壤温度的振幅按几何级数减少。如：土壤深度增加(如0，D2D3D)土壤温度振幅的减少(A0：Az：A2z=1:e-1:e-2)。当 z=D时，Az=e-1=0.37A(0)；z=2D时，Az=e-2=0.13A(0)；z=3D时，Az=e-3=0.05A(0)。到了某一深度，振幅趋近于零，土壤温度的振幅消失。(土壤恒温层土壤恒温层)土壤温度变化的一般规律土壤温度变化的一般规律第52页，本讲稿共67页 土壤最高温度和最低温

24、度的出现时间，随深度的增加而滞后。任意深度z处的位相(用时间表示)为，与地表相比，位相滞后时间为 z/(D)。当 z=D 时，土壤日最高、最低温度出现的时间比地表滞后：土壤年最高、最低温度出现的时间比地表滞后：第53页，本讲稿共67页1.日射型：土壤温度随深度增加而降低的类型(12,16)。白天和夏季2.辐射型：土壤温度随深度增加而增加的类型(04)。夜间和冬季3.过渡型：土壤温度的垂直分布分别具有日射型和辐射型的特征(08)。(昼夜 交替)四、土壤温度的垂直分布第54页，本讲稿共67页第三节 温度与农业（作物生产）第55页，本讲稿共67页温度与农业生产之间的关系v影响作物分布。v影响作物发育

25、速度。v影响光、水资源的利用和作物生产的安排。v影响病虫害发生、发展。第56页，本讲稿共67页1.基本温度指标(三基点温度、农业界限温度）(1)三基点温度：一、一、气温与农业生产的关系气温与农业生产的关系第57页，本讲稿共67页(2)农业界限温度：具有普遍意义的，标志某些重要的物候现象或农事活动 的开始、终止或转折的温度叫农业界限温度。0 0 土壤冻结与解冻；农事活动开始或终止；冬小麦秋季停止生长与春季 开始生长(有人采用3）55 早春作物播种；多数树木开始生长。10 10 喜温作物开始播种与生长。1515 喜湿作物开始积极生长。2020 水稻开始安全抽穗、开花的指标；热带作物正常生长。第58

26、页，本讲稿共67页 界限温度可用在以下方面1.分析与对比年代间、地区间稳定通过某界限温度日期之差异，以比较其2.冷暖期到来的迟早及对作物的影响。2.分析与对比年代间、地区间稳定通过相邻或选定的两界限温度日期之间的间隔日数，以比较升温与降温的快慢缓急，分析对作物的影响等。如春季010的间隔日数较长，对小麦穗分化有利，而秋季50，0-5的间隔日数太短，是不利于小麦的越冬锻炼的。1.3.分析与对比年代间、地区间春季和秋季稳定通过5或10之间的 持续日数，为鉴定生长季长短的标准之一，可与无霜期日数结合使用，相互补充。第59页，本讲稿共67页 2.2.积温及其对作物生长发育的影响积温及其对作物生长发育的

27、影响 （1）积温(Accumulated temperature)：某一时段内逐日平均气温累计之和。活动积温：高于生长下限温度(B)的日平均温度(ti)为活动温度。活动温度的总和称活动积温。当tiB时 ti取值为0 有效积温：有效温度是指日平均温度(ti)与生长下限温度(B)的之差。有效温度的总和称有效积温。当tiB时，(ti-B)取值为0第60页，本讲稿共67页不同作物所需大于不同作物所需大于1010的活动积温的活动积温 （单位：d)第61页，本讲稿共67页 积温在农业生产中的应用积温在农业生产中的应用(1)(1)积温是作物或品种特性的重要标志之一，通过分析引进或推广地区积温是作物或品种特性

28、的重要标志之一，通过分析引进或推广地区 的温度条件能否满足作物生育所要求的积温，为作物引种服务，的温度条件能否满足作物生育所要求的积温，为作物引种服务，以避免引种或推广的盲目性。以避免引种或推广的盲目性。(2)(2)积温可作为物候期、收获期、病虫害发生时期的预报的重要依据。积温可作为物候期、收获期、病虫害发生时期的预报的重要依据。(3)(3)积温是热量资源的主要标志之一。积温是热量资源的主要标志之一。根据积温多少，确定某作物在某地种植能否正常成熟，预计能否根据积温多少，确定某作物在某地种植能否正常成熟，预计能否 优质、高产。优质、高产。第62页，本讲稿共67页(2)积温的稳定性 1.光照时间的

29、影响 有些作物的发育速度对光周期敏感程度与温度相当或超过温度影响。2.积温学说是建立在其它因子基本满足的条件下，温度起主导作用的这一 理论基础上。但在自然条件下，这一假定是难以满足的。因而影响积温 的稳定性。3.发育速度与温度的关系也并非呈线性关系。在下限温度以上，发育速度随温度的增高而加快；在最适温度时，发育速度达最大值；超过最适温度时，过高的温度对生长发育不利。第63页，本讲稿共67页1.土温影响种子发芽与出苗 土温对种子发芽、出苗的影响比气温更直接，故一般用土温做指标。2.土温影响植物根系的生长、水分和养分的吸收。土温与作物根系的生长有着密切的关系。2-4时，根系开始微弱生长；10以上时

30、，根系生长比较活跃；30-35时，根系生长受阻。低温可减少根系的吸水性及对多数矿质营养的吸收作用。二、地温与农业的关系第64页，本讲稿共67页3.土温影响植物块根、块茎的形成。土温不仅影响这些作物的产量，还影响块茎的形状、大小、含糖 量等。马铃薯的退化也与栽培期的土温有关。4.土温影响昆虫的发展。很多昆虫的生命过程的某些阶段是在土壤中度过的。因此，土壤温度对昆虫(特别是地下害虫)的发展有很大作用。第65页，本讲稿共67页1.灌溉对温度的影响 在温暖季节：灌溉起降温作用。降温效果可达1-3。在寒冷季节：灌溉起升温作用。冬水保温效果可达1左右。2.松土与镇压对土温的影响 (1)锄地(松土)：暖季晴天土壤表层(3cm)日平均温度增高约1。“锄头底下三分火”(2)镇压对土温的影响 镇压能增加土壤容重，减少土壤空隙，增加表层土壤水分，从而使土 壤热容量、热导率都有增加。三、调节温度的农业措施第66页，本讲稿共67页3.垄作对土温的影响 在温暖季节，垄作可以提高土壤表层温度，有利于种子发芽与幼苗生长。4.染色剂与增温剂对土温的影响 抑制蒸发减少蒸发耗热第67页，本讲稿共67页