《农业气象学》第3章温度课件.ppt
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- 农业气象学 农业 气象学 温度 课件
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1、第第3章章 温度温度 温度是表示物体冷热程度的物理量,温度的升高温度是表示物体冷热程度的物理量,温度的升高或降低表示物体内部分子平均动能的增加或减少。或降低表示物体内部分子平均动能的增加或减少。温标:温标:摄氏,华氏,开氏摄氏,华氏,开氏 3.1 热量交换方式热量交换方式 3.2 土壤温度土壤温度 3.3 水体温度水体温度 3.4 空气温度空气温度 3.5 温度和植物温度和植物 思考题思考题3.1 热量交换方式3.1.1 3.1.1 辐射热交换:任何温度在绝对零度以上的物体,都能通过辐射的放辐射热交换:任何温度在绝对零度以上的物体,都能通过辐射的放射和吸收。射和吸收。3.1.2 3.1.2 分
2、子传导热交换:任何物质都是由处于运动状态的分子组成,物质分子传导热交换:任何物质都是由处于运动状态的分子组成,物质通过分子碰撞,产生热量传导。通过分子碰撞,产生热量传导。分子传导热交换是土壤中热交换的主要方式。也是贴地气层与地面之间、层分子传导热交换是土壤中热交换的主要方式。也是贴地气层与地面之间、层流或片流的气层之间热能传递的方式。流或片流的气层之间热能传递的方式。3.1.3 3.1.3 流体流动热交换:按流体流动的方向性可分为:对流、平流和乱流。流体流动热交换:按流体流动的方向性可分为:对流、平流和乱流。3.1.3.1 3.1.3.1 对流:流体在垂直方向上有规律的升降运动称为对流(热力、
3、动对流:流体在垂直方向上有规律的升降运动称为对流(热力、动力两种方式力两种方式)。3.1.3.2 3.1.3.2 平流、大规模流体水平方向上的流动称为平流(冷、暖平流、大规模流体水平方向上的流动称为平流(冷、暖)3.1.3.3 3.1.3.3 乱流:流体在各方向上的不规则运动称为乱流,也称湍流乱流:流体在各方向上的不规则运动称为乱流,也称湍流。3.1.4 3.1.4 潜热交换:物质在进行相态变化时所发生的热量交换称为潜热交换。潜热交换:物质在进行相态变化时所发生的热量交换称为潜热交换。3.2 土壤土壤 温度温度3.2.1 地面热量收支平衡地面热量收支平衡 (一)活动层和活动面(一)活动层和活动
4、面活动面活动面:凡是辐射能、热能和水分交换最活跃,从而能调节邻近气层(或土:凡是辐射能、热能和水分交换最活跃,从而能调节邻近气层(或土层)的辐射收支、温度高低或湿度大小的物质面,称为活动面,又称作用面。层)的辐射收支、温度高低或湿度大小的物质面,称为活动面,又称作用面。活动层活动层:它是指能够调节自身内部及相邻其它物质层的辐射、热量、水分分:它是指能够调节自身内部及相邻其它物质层的辐射、热量、水分分布的物质层。布的物质层。(二)地面热量收支(地面热量平衡):地面热量收入与支出之差(二)地面热量收支(地面热量平衡):地面热量收入与支出之差(图图3-1 3-1 图图3-23-2)QS=R+P+B+
5、LE:感热通量(湍流热通量或感热通量:感热通量(湍流热通量或感热通量)地表面与大地表面与大气之间的乱流交换热通量气之间的乱流交换热通量。B B:土壤热土壤热通量通量 地表地表面与下层土壤间的分子传导热通量面与下层土壤间的分子传导热通量 LELE:潜热通量:潜热通量 地表水分蒸发或凝结时消耗或放出的热量地表水分蒸发或凝结时消耗或放出的热量 R R地面净地面净辐射辐射 Qs Qs 地表层储存的热量地表层储存的热量 3.2.2 3.2.2 土壤土壤热特性热特性 在其他条件不变的前提下,物质中热量交换的强度及在其他条件不变的前提下,物质中热量交换的强度及温度分布和变化,取决于物质的热属性。物质的热属温
6、度分布和变化,取决于物质的热属性。物质的热属性包括热容量、导热率和导温率等。性包括热容量、导热率和导温率等。3.2.2.13.2.2.1热容量:热容量:在一定过程中,单位物体温度变化在一定过程中,单位物体温度变化所需吸收或放出的热量,称为所需吸收或放出的热量,称为热容量。分质量热容量热容量。分质量热容量Cm(Cm(又称比热或比热容又称比热或比热容)和容积热容量和容积热容量CvCv两种。两种。显然,热容量是表示物体显然,热容量是表示物体升温快慢的一个基本量升温快慢的一个基本量 二者之间的关系为二者之间的关系为:Cm Cm:水:水 土土 气气CvCv :水:水 土土 气气影响土壤热容量改变的主要因
7、素是土壤中水分和空气所占的比例。影响土壤热容量改变的主要因素是土壤中水分和空气所占的比例。土土壤湿度增大时,空气含量少,热容量增大;土壤湿度小时,空气含量壤湿度增大时,空气含量少,热容量增大;土壤湿度小时,空气含量多,热容量小多,热容量小。另外,热容量还随土壤孔隙度的增大而减小。另外,热容量还随土壤孔隙度的增大而减小。3.2.2.23.2.2.2导热率导热率(热导率):(热导率):导热率是指物体在导热率是指物体在单位厚度单位厚度间、保持间、保持单位温度差单位温度差时,其相对的两个面时,其相对的两个面在在单位时间内通过单位面积单位时间内通过单位面积的热流量,其单位是的热流量,其单位是J.mJ.m
8、-1-1.S.S-1-1.-1-1(或或.m.m-1-1.-1 1)。物质的导热率只取决于物质本身的物理性质。物质的导热率只取决于物质本身的物理性质。当物质不同部位之间存在温差时,就会借分子热传导的方式产生热能的传递,当物质不同部位之间存在温差时,就会借分子热传导的方式产生热能的传递,热流的方向总是由热流的方向总是由高温指向低温高温指向低温。热通量热通量 :单位时间通过单位面积的热量:单位时间通过单位面积的热量Q Q(B)B)与导热率的关系:与导热率的关系:T/ZT/Z为为温度梯度。温度梯度。1 1 土壤导热率表示土壤内由温度高的部分向温度低的部分传递热量的能力。土壤导热率表示土壤内由温度高的
9、部分向温度低的部分传递热量的能力。2 2 土壤导热率的大小取决于它的土壤中土壤导热率的大小取决于它的土壤中水水 、土、土 、气气所占的比例。所占的比例。3 3、湿度、孔隙、湿度、孔隙 有机质有机质ZT-B 3.2.2.3 导温率 K 导温率是指单位容积的土壤,由于流入(或流出)数量为的热量后,温度升高(或降低)的数值 导温率影响土壤温度的垂直分布及最高、最低温度出现的时间。在其它条件相同时,导温率越大,土壤表面温度变化越小,而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,各深度最高和最低温度出现的时间较地表滞后的就越少。CK比较:灌溉地与干燥地、疏松与紧密土壤、平整与粗糙土壤的,
10、最低、最高温度 热特性容积热容量(*106J/m3C)导热率(j/m.s.c)导温率*10-6m2/s固体2.052.430.82.080.390.15空气0.00130.02116水4.190.590.15 3.2.3 土壤温度随时间的变化 周期性变化:通常是以最高值、最低值、较差和位相等来表示的。对于温度,最高温度、最低温度是指在一定周期变化中所出现的最高值和最低值。较差是指一个周期中最高温度和最低温度的差值。一日中最高温度和最低温度之差为日较差,一年之中 最热月月平均温度和最冷月月平均温度之差为年较差。最高温度和最低温度出现的时间为位相。3.2.3.1 3.2.3.1 土壤温度的日变化土
11、壤温度在一昼夜间的连续变化!称为土壤温度的日变化 地面温度和热量收支的关系地面温度和热量收支的关系 图:地面温度变化与地面热量收支示意图1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:地面最高温度一天中:地面最低、最高温度不出现在地面失热、得热最多的时一天中:地面最低、最高温度不出现在地面失热、得热最多的时刻,而是出现在地面热量收支相抵的平衡时刻。刻,而是出现在地面热量收支相抵的平衡时刻。一年中:地面最热月温度,一般也不出现在地面获得热量最多的一年中:地面最热月温度,一般也不出现在地面获得热量最多的月,而是出现在月或月,相应地,地面最冷月温度
12、一般出月,而是出现在月或月,相应地,地面最冷月温度一般出现在月或月现在月或月。土表温度的变化是周期性变化土表温度的变化是周期性变化 (图图3-33-3)(一)(一)位相位相 1 1、土壤温度的日变化呈连续性变化,有一个最高值(、土壤温度的日变化呈连续性变化,有一个最高值(1313时左时左右)和一个最低值(日出前后)。土层越深,右)和一个最低值(日出前后)。土层越深,位相落后位相落后越多。越多。一般深度每增加一般深度每增加1010,最高和最低温度出现的时间落后约,最高和最低温度出现的时间落后约2.52.53.5h3.5h。日恒温层日恒温层:土表温度:土表温度日较差日较差最大,越向深层越小,至一定
13、深度最大,越向深层越小,至一定深度后,日较差为零,该深度为日恒温层,一般约为后,日较差为零,该深度为日恒温层,一般约为4040100100,平均为平均为7070。具体深度随纬度、季节和土壤热特性而变。具体深度随纬度、季节和土壤热特性而变。(二)较差(二)较差 (日较差、年较差)(日较差、年较差)影响土表温度日较差的主要因素有影响土表温度日较差的主要因素有(1 1)土壤湿度)土壤湿度 (2 2)土壤颜色)土壤颜色(3 3)土壤机械组成和腐殖质)土壤机械组成和腐殖质(4 4)地面覆盖物)地面覆盖物 (5 5)地形和天气条件)地形和天气条件 (6 6)太阳高度角(纬度)太阳高度角(纬度 )日较差、年
14、较差差异日较差、年较差差异(7 7)粗糙度)粗糙度 (8 8)CvCv 、此外,凡是影响土壤辐射、水分、热量的交换和热属性此外,凡是影响土壤辐射、水分、热量的交换和热属性的其它因素,都影响到土温变化的其它因素,都影响到土温变化 3.2.3.2 土壤温度的年变化(图3-4)土壤温度的年变化呈连续性变化土表温度月平均最高土壤温度的年变化呈连续性变化土表温度月平均最高7-87-8月,最低月,最低1-21-2月月 年恒温层年恒温层:土壤温度的年变化也随着深度的增加而减小,:土壤温度的年变化也随着深度的增加而减小,直到一定深度时年较差为零,这个深度为年恒温层,低纬直到一定深度时年较差为零,这个深度为年恒
15、温层,低纬约约5 52020处;高纬约处;高纬约2525左右。位相也随深度的增加而左右。位相也随深度的增加而延迟,平均每深约延迟延迟,平均每深约延迟20203030天天 影响土壤温度年较差的主要因素有影响土壤温度年较差的主要因素有 纬度、海拔、地形、纬度、海拔、地形、下垫面条件等下垫面条件等 3.2.3.3 3.2.3.3 土壤温度的变化规律土壤温度的变化规律 (理论分析)(理论分析)3.2.4 3.2.4 土壤温度的垂直分布土壤温度的垂直分布(图(图3-53-5、图、图3-63-6)(1 1)日射型日射型(受热型)(受热型)(2 2)辐射型辐射型(放热型)(放热型)(3 3)上午转变型上午转
16、变型 (4 4)傍晚转变型傍晚转变型 此外,在日射型和辐射型之间此外,在日射型和辐射型之间的过渡时段内,有可能出现等温过程的过渡时段内,有可能出现等温过程。3.3 3.3 水体温度水体温度 3.3.13.3.1、影响水体温度变化的因素、影响水体温度变化的因素 1 1 水面的反射率比陆面的反射率小水面的反射率比陆面的反射率小 2 2 水体是一种具有一定透明度的流体,太阳辐射能水体是一种具有一定透明度的流体,太阳辐射能在水体中传播较深在水体中传播较深 3 3 流动性,可使能量迅速输送。流动性,可使能量迅速输送。4 4 大量能量消耗在潜热上。大量能量消耗在潜热上。5 5 热容量大,温度变化比热容量大
17、,温度变化比 土壤小 水体中的热量平衡特性水体中的热量平衡特性 R R0 0H HLELEQQAA R R0 0:水体净辐射量:水体净辐射量 H H:水面与大气热量交换的感热通量密度:水面与大气热量交换的感热通量密度 LELE:水体的潜热通量密度;:水体的潜热通量密度;QQ:水体热储存变量;:水体热储存变量;AA:因水体流动产生的水平方向的热输送通量密度。:因水体流动产生的水平方向的热输送通量密度。综上所述,水体的热量状况与土壤差别很大,因而造成综上所述,水体的热量状况与土壤差别很大,因而造成了水体温度的变化比土壤要小得多了水体温度的变化比土壤要小得多。3.3.23.3.2、水体温度的变化、水
18、体温度的变化(一)水体温度的时间变化(一)水体温度的时间变化 日变化:水面最高温度出现在午后日变化:水面最高温度出现在午后151516h16h,最低温度出现在日,最低温度出现在日出后的出后的2 23h3h内。内。年变化:水面温度极值出现的时间,深水湖和内海要比陆地滞后年变化:水面温度极值出现的时间,深水湖和内海要比陆地滞后一个月左右。水面最高温度一般出现在一个月左右。水面最高温度一般出现在8 8月月;最低温度则出现在;最低温度则出现在2 23 3月。月。日较差:在中纬度湖面上日较差:在中纬度湖面上2 255,洋面,洋面0.10.50.10.5;年较差:深水湖和内海表面的温度年较差:深水湖和内海
19、表面的温度15152020,海洋上:热带地区为海洋上:热带地区为2 244,中纬度地区为,中纬度地区为5 588。垂直方向上:水温日较差和年较差随深度加深而减小,垂直方向上: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日变化消失层深度可达15152020,年变化可传到年变化可传到100100150150深处深处,随着深度增加,水温位相落后,随着深度增加,水温位相落后,(二)水温垂直变化(二)水温垂直变化 等温层等温层 跃变层跃变层 等温层等温层。在冬季,水体表面有效辐射强,水温下降,密度增大,在冬季,水体表面有效辐射强,水温下降,密度增大,表层较冷,水温的垂直分布几乎呈等温状态。当
20、水面温表层较冷,水温的垂直分布几乎呈等温状态。当水面温度降到度降到44以下时,因水的膨胀作用,水的密度变小,以下时,因水的膨胀作用,水的密度变小,表层冷水不再下沉,使水面以下的水温在表层冷水不再下沉,使水面以下的水温在44左右左右。3.4 3.4 空气空气温度温度 3.4.13.4.1、空气温度的时间变化空气温度的时间变化 3.4.23.4.2、气温的空间分布特点气温的空间分布特点 3.4.33.4.3、空气的绝热变化空气的绝热变化 3.4.43.4.4、大气静力稳定度大气静力稳定度3.4.13.4.1、空气温度的时间变化、空气温度的时间变化3.4.1.1 3.4.1.1 日变化日变化 周期性
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