农林气象学 第二章温度讲解

本章内容
第
热量交换方式
二
土壤温度
章
水体温度
温
空气温度
度
温度与农业生产
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第一节 热量交换方式
一、辐射热交换 任何温度在绝对零度以上的物体，通过放射和吸收辐射
而进行的热量交换方式。是地面和大气热量交换的主要方式。 二、分子热传导
物质通过分子热运动，传导热量的方式。土壤中热量 交换的主要方式。
水汽在相态变化时所进行的热量交换称潜热交换， 它影响下垫面和大气层的温度变化，是天气演变的 主角。
☺潜热交换的热量以潜热通量LE表示，其中L为蒸发或
凝结潜热，E为蒸发或凝结的量。
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第二节 土壤温度
一、土壤表层热量收支状况
R L
E
P
ΔQs B′
LR E
P
ΔQs
B′
箭头指向地面的是 收入项，表示地面得到 热量，为正值；箭头离 开地面是支出项，表示 地面损失热量，为负值。
其变化过程如下图所示:
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图2.3 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
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3.日恒温层：土壤温度日较差为零时的深度。
一般深度约为40～80㎝，平均为60㎝。
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定律三：温度振幅随深度衰减的速度与周期有关，若振幅 衰减同样的倍数，则相应的深度与其周期的平方根成正比。
Z1 τ 1
Z2
τ2
例3：已知某地段5cm深处温度日振幅为地面的 2 2
求年振幅为地面1/2的深度？
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解：设日振幅为地面1/2的深度为Z1，依据定律一
4.影响土温日变化的因子： 太阳高度角（纬度、季节）、土壤热特性、土壤颜 色、地形、天气，由各因子综合影响。
太阳高度角：随太阳高度角增大辐射日变化增大,土温日 较差也越大。纬度增高，日较差减小。 土壤热特性：导热率大的土壤日较差小; 热容量大的土 壤,温度日较差小.
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土壤颜色:深色ΔT日＞浅色ΔT日
土壤温度的年较差为零时的深度。低纬约5～10ｍ处； 中纬度约10～20m；高纬约25ｍ左右。 3.影响因子
纬度、土壤的自然覆盖、土壤热特性、地形、天气。
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（三）土壤中温度变化的规律 定律一：最高、最低温度出现的时间随深度增加而落
后,其落后的时间与土壤深度成正比.
t Z τ 2 κπ
☻土壤表面与下层土壤间以分子热传导形式进行交换的
热量以土壤热通量B来表示。
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三 对流热交换：低层大气与高层大气热交换的主要方式 空气在垂直方向上有规律的升降运动称为对流。根 据其形成原因，分为两种：热力对流和动力对流。 作用：使上下层空气混合，产生热量交换。 四 平流热交换：水平方向上热量交换的主要方式 大规模空气在水平方向上的运动称为平流。 作用：缓和地区之间、纬度之间温度的差异有很大作用。
日较差：在中纬度湖面上2.0～5.0℃，洋面0.1～ 0.5℃.随深度增加，水温日较差减小。
2. 年变化： 北半球中、高纬度，水面月平均最高温度一般
出现在8月，月平均最低温度则出现在2～3月。
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水面温度年较差也小，洋面上低纬度2.0~4.0℃， 中纬度5.0~8.0℃
3. 位相： 最高温度和最低温度出现的时间，大约每 深入60ｍ落后一个月。
☻清晨过渡型：由辐射型向日射
型转变，早上或春季。
☻ 傍晚过渡型：由日射型
向辐射型转变，傍晚或秋季。
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五、土壤的冻结和解冻
1.冻结： 当土壤温度降到零度以下，土壤中水分与潮湿土粒发
生凝固或结冰，使土壤变得非常坚硬，即土壤的冻结。 坚硬的土层并不十分厚，在它下面还是比较松软的土。 含有冰晶的土就是冻土。
2.地理分布： 分布于高纬度地带和高山垂直带上部。 我国东北地区冻土层可达3米以上，华北平原约1米以
内，西北地区在1米以上，秦岭淮河以南几乎没有冻土。
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我国多年冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。 高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭,面积为38～
39万平方公里,高纬度的多年冻土是欧亚大陆多年冻土南 缘,平面分布服从纬度地带性规律,即纬度越高的地方冻 土面积越大,厚度越厚。 高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁 连山、横断山、喜马拉雅山，以及东部某些山地,如长白 山、黄岗梁山、五台山、太白山等。
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第四节 空气温度与大气稳定度
一、气温随时间变化 （一）气温的日变化
1.日变化规律 最高温度出现在14～15（冬季在13～14时） 时，最低温度出现在日出前.由于季节和天气的影响，出 现时间可能提前也可能落后。 2.影响气温日较差的因素: 纬度、季节、地形、下垫面 的性质、天气条件,海拔等。
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☻意义：在农林业生产中可以通过改变耕作措施来改善
农林小气候环境。
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二、土壤的热特性
（一）容积热容量（Cv) 1.概念：
单位体积的土壤温度变化１℃所需吸收或放出的热量。
单位：J/m3℃ 2.大小 由土壤组成成分其各成分的比例决定。
Cv

Q V (T2 T1 )
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表2－1.土壤容积热容量分析
土壤成分
土壤矿物质 土壤有机质
水 空气
容积热容量（J/（㎝3·℃ ））
1.925 2.708 4.186 0.0013
在土壤的组成物质中，空气的热容量最小，水的热容 量最大，固体成分介于两者之间。
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（二）导热率（λ）
1.定义：温度梯度为1℃/m时，单位时间单位截面积土壤 穿过的热量。即1m厚的土层上下温差为1℃时，单位时间 单位截面积上穿过的热量。它表示土壤传递热量的能力。
纬度：随纬度的增高日较差减小，热带气温日较差平 均为12℃，温带平均8～9℃，极地平均3～4℃。 季节：一般夏季气温日较差大于冬季，但在中高纬度地 区，一年中气温日较差在春季最大。 地形：凹地＞平地＞凸地 天气条件：晴天＞阴天、有风 <无风. 海拔高度：随海拔增高，日较差减小。 下垫面的性质：海洋< 陆地、沙土＞粘土、 深色土＞浅色土 、干松土＞潮湿土。
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五、乱流（湍流）：低层大气热交换的主要方式
☺流体在各方向上的不规则运动。
热力乱流 分为
动力乱流
☺乱流交换的热量以乱流热通量P来表示，表示以乱流
方式进入空气的热量。
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☺近地气层乱流强度的时空变化：
陆地比海面强 白天比夜间强 六、潜热交换
山地比平原强 夏季比冬季强
有：
2 2
5
A0 A0e

1 2
A0

A0e Z1

求得Z1＝10cm，则可得到 年振幅为地面1/2的深度为 191cm。
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四、土壤温度的垂直分布：
☻日射型：土壤温度随深度的增加而降低 。 ☻辐射型：土壤温度随深度
的增加而增加。
图2.4土壤温度垂直分布
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(二）气温的年变化
1.变化规律 表2.3 最冷、最热月出现的时间
项目 大陆性气候区
季风气候区
海洋性气候区
最热月 7月 8月
最冷月 1月 2月
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2.影响气温年较差的因子：
纬度：随纬度增加而增大。低纬度地区气温年较 差很小，高纬度地区气温年较差可达40～50℃。
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♠ 土壤导温率分析：
★ 土壤湿度较小的 情况下，导温率 随着土壤湿度的 增大而增加。
图2.2 砂土的热特性与土壤湿度的关系
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★ 当土壤湿度增加 到一定程度后， 土壤导温率却随着土 壤湿度的增大而减小。
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三、土壤温度变化
◆表征温度变化的几个物理量： 日较差： 一天内最高温度与最低温度之差。 年较差： 一年中最热月平均温度与最冷月平均温度之差。 位相： 最高温度与最低温度出现的时间。
单位：ｍ2 /S
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2. 计算公式：
K Cv
Ｋ导温率；λ导热率，Ｃv容积热容量。
土壤导温率直接决定着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，K越大，其 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，各深度最低、最高 温度出现的时间较地表落后的也就越少。
例1. 若0cm最高温度出现在13：00，5cm处最高温 度出现在15：00，问20cm处最高温度出现在几时？
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定律二：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小.
注：较差＝2振幅
例2：地面温度日振幅为16℃，12cm处日振幅为8℃， 即日振幅减小了1倍，则可推测在24cm处，日振幅为4℃， ……问48cm处土温日振幅为多少？
表2.4 纬度与气温年较差
地点
纬度
年较差（℃）
广州
23°08′N
15.5
上海 呼和浩特
海拉尔
31°10′N 40°49′N 49°13′N
23.8 35.9 49.1
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（白天或夏季）
（夜间或冬季）
图2.1 地表层热量收支示意图
白天：ΔQs=R-P-B-LE