气象学之温度

大气温度第一节第二节第三节土壤温度温度与农业退出第三章温度一二三第一节大气温度大气中热量交换与温度变化气温的时空变化大气稳定度一、大气中热量交换与温度变化1.空气温度的非绝热变化当空气与外界存在着热量交换时所产生的温度变化，称为空气温度的非绝热变化。

空气与外界的热量交换方式有：传导流动辐射潜热空气与外界的热量交换方式(1)辐射(radiation)：这是地球和太阳、地球与宇宙空间之间能量交换的唯一方式，也是地面和大气之间能量交换的重要方式。

(2)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。

传导是土壤中热交换的唯一方式，但在大气中传导的作用不大，因为空气是热的不良导体。

(3)流体运动(fluid flow):空气可以通过流动将热量从一个地方传向另一个地方，完成不同地点间的热交换。

空气的流动方式有：对流：空气的垂直运动叫对流。

分热力对流和动力对流。

平流：空气的水平流动叫平流。

湍流：空气的不规则运动叫湍流，也叫乱流或紊流。

(4)潜热(latent heat)交换:水从一种相态变为另一种相态时伴随着潜热的交换，如下图所示。

2. 空气温度的绝热变化(adiabatic change) :绝热过程：空气块在与外界没有热量交换时的状态变化过程。

在大气中，空气块在作上升或下沉运动的过程中，其状态变化可看作绝热变化。

气块上升时，气压降低，空气膨胀，对外作功，消耗内能，气温降低。

气块下沉时，气压升高，周围空气对气块压缩作功，使其内能增加，从而气温升高。

干空气或未饱和湿空气块在作垂直运动时的绝热变化叫干绝热变化(dry adiabatic change)。

(1)干绝热变化:干空气块每上升单位距离温度的变化称为干绝热直减率(dry adiabatic lapse rate)，用γd 表示：γd≈1℃/100m=1℃/hm干空气在下沉时，气温升高，每下沉100m，气温升高1℃。

饱和的湿空气块在作垂直运动时的绝热变化叫湿绝热变化(moist adiabatic change)。

(2)湿绝热变化:饱和的湿空气在作绝热上升时，比干空气降温慢。

饱和湿空气块每上升单位距离温度的变化称为湿绝热直减率(moist adiabatic lapse rate)，用γm 表示：γm≈0.5℃/100m=0.5℃/hm饱和湿空气在下沉时，气温升高，如果带着水滴，每下沉100m，气温升高0.5℃。

二、气温的时空变化表示气温周期性变化的几个特征量：平均温度(mean temperature)：日平均温度、年平均温度振幅(amplitude) —又叫变幅、较差(range)，即一个周期中最高值与最低值之差。

日较差(diurnal range) ：一天中气温最高值与最低值之差。

年较差(annual range) ：一年内最热月与最冷月的月平均温度之差。

位相(phase)：温度最高值与最低值出现的时间。

1.气温的周期性变化(1)气温的日变化(diurnal variation):近地层气温的变化主要取决于下垫面温度的变化，变化特点有：①1.5m高处日最高温度出现在14~15时左右，最低气温出现在日出前后。

位相落后于地面，且随高度的升高而推迟。

②日较差小于地表面土温日较差,且随高度的升高而减小。

影响气温日较差的因素1)天气(weather)晴天日较差大于阴天。

2)纬度(latitude)一般来说日较差随纬度升高而减小。

但我国日较差随纬度升高而增大。

3)季节(season)夏季大于冬季，但中高纬度地区最大值出现在春季。

4)地形(geographical relief)凸地变幅小，凹地变幅大5)下垫面性质(features of underlying surface)水面上日较差小，陆地上大。

(2)气温的年变化(annual variation)特点：回归线以外的地区为单波型：最高为7月,最低为1月,海上落后一个月；回归线之间的地区为双波型：最高为4、10月，最低为7，1月。

年较差的影响因素：纬度：年较差随纬度的升高而增大。

海陆分布：同一纬度的大陆上气温年较差大于海洋。

2.气温的非周期性变化(non-periodic variation of air temperature)变化原因：天气突变大规模冷暖空气的活动（2）对流层的逆温(temperature inversion)对流层气温随高度的升高而升高的现象（ <0），就叫逆温。

其形成原因：•辐射逆温(radiation inversion)：晴朗微风的夜晚，地面因强烈的有效辐射而降温，形成温度上高下低的现象。

•平流逆温(advection inversion)：暖空气流到冷的下垫面上而形成的逆温。

•锋面逆温(frontal inversion)：在冷暖空气的过渡带形成的逆温。

逆温在农业上的应用•防霜冻•清晨喷洒农药•在离地面一定高度处晾晒农副产品•果树栽培中进行高接•山腰黄金带种植喜温果树跟研究污染有关的逆温因素：①逆温层的消失时间②逆温层低的高度③逆温层的厚度④逆温的强度（温度随高度的变化情况）不同季节都应掌握上述数据。

三、大气稳定度(atmospheric stability)1.大气稳定度问题的提出：大气降温会导致水汽的凝结，产生天气变化。

而空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快的过程；因此，判断大气中是否会产生云雾，主要是看大气中的空气块是否会产生上升运动，就要看空气块在铅直方向上位置稳定的程度。

2.大气稳定度的定义和分类：大气稳定度的定义：当空气块受到铅直方向的扰动后，大气层结（温度和湿度的铅直分布）使它具有返回或远离原来平衡位置的趋势和程度。

（1）稳定(stable)：当气块受到铅直方向的扰动后，如果气块具有返回原位置的加速度，则这时的大气是稳定的。

（2）不稳定(unstable)：当气块受到铅直方向的扰动后，如果气块具有远离原位置的加速度，则这时的大气是不稳定的。

（3）中性(neutral)：当气块受到铅直方向的扰动后，如果气块自身产生的加速度为0，则这时的大气处于中性稳定状态。

与上述例子相似，大气稳定度可分为3类：稳定度的综合判定方法:综合干空气块和饱和湿空气块的判定方法，可归纳如下：γ<γm 绝对稳定γm <γ<γd 条件性不稳定对干空气块和未饱和湿空气块稳定对饱和湿空气块不稳定γ>γd 绝对不稳定以上判定方法可用如下的数轴表示：绝对不稳定γm γd绝对稳定条件性不稳定干稳湿中性干中性湿不稳γ一二三第二节土壤温度土壤热特性土壤温度的时间变化土壤温波方程土壤温度的垂直分布四意义：物质的热容量表示物质改变温度的难易程度。

提供同样的热量，热容量大的物质升温慢；失去同样的热量，热容量大的物质降温慢；温度变化相同时，热容量大的物质需要的热量多。

对于单位容积的混合物，各成分的容积分别为V1,V2,…Vn各成分的热容量分别为C1,C2,…Cn当温度升高1℃，即△T＝1℃时，各成分吸收的热量分别为C1V1, C2V2, …，CnVn则混合物的热量变化△Q＝C⋅△T＝C＝∑Ci V i即混合物的热容量为C＝∑Ci V i混合物的热容量由混合物的热容量C＝ C i V i 可知土壤的热容量为：C＝Cs Vs+CwVw+CaVa∵Ca <<CwVa也小∴第三项可忽略不计，所以C≌C s V s+C w V w在上式中C s，V s,和C w都可看作常数，由此可知：土壤的热容量随土壤湿度的增大而增大。

土壤热容量2.热导率(thermal conductivity)不同物质传递热量的快慢是由热导率λ决定的。

热导率（λ）：在物体两端保持单位温度梯度时，在单位时间内通过单位截面积的热流量。

热导率的意义：表征了物体内部传导热量的快慢能力。

土壤的热导率土壤中各种成份的热导率见表3.3，由表>λw>λa可知λsλw大约是λa的28倍，可见空气是不良的热导体，土壤热导率随孔隙度增加而减少。

所以，土壤热导率也随土壤湿度的增大而增大。

热导率孔隙度(%)土壤孔隙度对热导率的影响热导率热容量热导率热容量轻粘土热导率和热容量随土壤湿度的变化应用举例：冬季寒潮来临前，通过灌水增加土壤的热容量和热导率，达到防冻的目的。

春播期通过翻耕减小土壤的热容量和热导率，提高白天土壤温度。

1.日变化•一般土壤表面的最高温度出现在13时左右,最低温度出现在将近日出时。

•影响土壤表面温度日较差的因子：太阳高度、土壤热特性、土壤颜色、地形、天气2.年变化•在北半球，中、高纬度地区，土壤表面月平均最高温度一般出现在7～8月；月平均最低温度一般出现在1～2月；•影响年较差的因子除纬度与日较差不同外，其他因子的影响与日较差类似。

二、土壤温度的时间变化(temporalvariation)1.随深度按算术级数加深，振幅按几何级数减小。

到一定深度，振幅为消失趋近于0，这个层次称为年（日）不变层深度（恒温层深度）。

2.随深度的加深，位相落后。

对日变化，每10厘米落后2.5到3.5小时；对年变化，平均每1米延迟20到30天。

根据土壤温波方程可以看出土温变化的一般规律：Z/D A(0)e A(Z)-=四、土温的垂直分布(vertical distribution)土温随深度的变化如下图所示，在一天中分别为日射型、辐射型、早晨过渡型和傍晚过渡型。

土壤温度℃深度cm一二三第三节温度与农业气温与农业生产的关系土温与农业的关系调节温度的农业措施。