第三章温度要点课件.ppt

1,2022/12/3,第一节 热量收支第二节 地面和土壤的温度第三节 空气的温度第四节 热量条件与农业,第三章 温度,2022/12/3,2,第一节 热量收支,热量交换方式物质的热属性,2022/12/3,3,平流 (流体水平方向上的流动),对流 (流体垂直方向上大规模、有规律的升降运动),分子传导,流体在加速地作水平流动时，它的内部将发生无规则的湍动，称湍流。当流体加速地流经不平的下垫面时，在起伏物体的两方形成涡流。湍流和涡流统称为乱流。,流体的各向流动,热量交换的方式,乱流,潜热交换,辐射热交换,是地面与大气之间热交换的主要方式。这种热交换方式不仅在地面和空气之间进行，而且在不同的空气层之间也可以进行辐射热交换。,是土壤中热交换的主要方式,地面水分蒸发或升华时，要吸收地面的一部分热量，当这部分水汽在空气中凝结或凝华时，又把潜热释放出来给大气，大气便间接地从地面获得了热量。反之，当空气中的水汽在地面上凝结或凝华时，地面获得了热量。实际上从地面蒸发出去的水分远多于在地面凝结的水分，通过水相变化，使潜热转移。这种潜热交换方式不仅在地面与空气间进行，在空气与空气之间也可以进行。,2022/12/3,4,物质的热属性,热容量,导热率,导温率,导热率与容积热容量之比可作为物质发生温度变化的指标，称导温率(K)，即：K /C单位：厘米2 秒-1,一克物质温度升高(或降低)一度所吸收(或放出)的热量，称为质量热容量(焦克-1 度-1 )， 又称比热或比热容。1立方厘米的物质温度升高(或降低)一度所吸收(或放出)的热量，称为容积热容量(焦厘米-3 度-1 )。 容积热容量( Cv )与质量热容量(S)的关系：Cv = Cm ,单位厚度间、保持单位温度差时，其相对的两个面在单位时间中通过单位面积的热量，称为导热率(焦厘米-1度-1 秒-1 )。导热率( )表示物质输送热量的能力。,2022/12/3,5,第二节 地面和土壤的温度,土壤热特性土壤温度的变化土壤的冻结和解冻,2022/12/3,6,土壤热特性 热容量,土壤是由固体成分和不定量的水及空气组成。由表21不难看出，各固体成分的热容量差别不大，空气的热容量最小，水的热容量最大，为空气的3 000多倍。因此，影响土壤容积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。另外热容量还随土壤孔隙度的增大而减小。如耕翻后的土壤，孔隙度增加，如果土壤水分含量没有增加，则热容量变小。,2022/12/3,7,土壤热特性 导热率,导热率的大小决定于土壤组成成分及所占的比例。由表21可知，土壤中固体成分的导热率最大，空气最小，水的导热率居中，但仍为空气的28倍。通常情况下，土壤固体成分很少变化，所以在一定的土壤条件下，影响导热率最主要的因子是土壤孔隙度和土壤含水量。,2022/12/3,8,土壤热特性 导热率,它随土壤孔隙度的增加而减小(图23)，随土壤湿度的增加而增加。此外，土壤中有机质含量也影响导热率，一般有机质含量增多，可使导热率变小。,土壤导热率表示土壤内部由温度高的部分向温度低的部分传递热量的能力。当温度垂直梯度相同时，导热率大的土壤热量容易传人深层或从深层得到热量，因而表层温度变化小。如潮湿土壤与干燥土壤相比，潮湿土壤表层昼夜温差小，而深层相反。,2022/12/3,9,土壤热特性导温率,土壤导温率与导热率成正比，与热容量成反比。因此，凡影响土壤导热率和热容量的因素，如土壤矿质成分，土壤孔隙度及土壤湿度等都能影响土壤导温率的大小。但土壤导温率与土壤湿度的关系比较复杂，土壤水分含量的变化，既影响土壤导热率又影响热容量，因此，对导温率的影响并不显示简单的线性关系。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。在其他条件相同时，导温率越大，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，各深度最高和最低温度出现的时间较地表落后得就越少。,2022/12/3,10,容积热容量,土壤温度的变化,潮湿 or 干燥,导热率,导温率,湿度（潮湿 or 干燥）,孔隙度(紧密粘重 or 疏松),12%（ /C ）,2022/12/3,11,土壤温度的时间变化,影响土壤表面温度日较差的因子,土壤温度的垂直分布,返回,2022/12/3,12,日变化,土壤温度的时间变化,年变化,一天中，土表最高温度出现在13时左右，最低值出现在日出前。一天中土壤最高温度与最低温度之差称为土温日较差。土表日较差最大，越向深层，较差越小，至一定深度后较差为零。,中高纬度，土表温度年变化特点：最热月出现在7、8月，最冷月出现在1、2月；低纬度受云量、降水的影响较大。土温年较差随深度的增加而减小，直至一定深度时年较差为零，这个深度以下的层次叫土温不变层（如图）。,2022/12/3,13,放热型：,受热型：,清晨转变型：,傍晚转变型：,2022/12/3,14,土壤温度变化所遵循的3个定律,1定律一 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。2定律二 最高温度和最低温度出现的时间，随深度的增加而落后，其落后的时间与土壤深度成正比。3定律三 不同周期的温度振幅随深度的减小不同，若使振幅缩小到同样的倍数，他们的深度与其周期的平方根成正比。,2022/12/3,15,影响土壤表面温度日较差的因子,返回,1.太阳高度角 是影响土表温度日变化最主要和最基本的因子。正午时刻太阳高度角大的季节或地区，太阳辐射日变化大，因而土壤表面温度日较差就大。一般正午太阳高度角随纬度的增高而减小，所以土壤表面温度日较差也随纬度的增高而减小。在中纬度地区的正午太阳高度角随季节的变化较大，所以该地区土壤表面温度日较差随季节的变化也较大。 2土壤热特性 导热率大的土壤，当表面获得热量时，有较多的热量传向深层；表层冷却时，又有较多的热量自深层传至土表，因而使土表日较差小；导热率小的土壤则表层温度日较差较大。热容量大的土壤，温度日较差小；相反，热容量小的土壤温度日较差大。,2022/12/3,16,影响土壤表面温度日较差的因子,3土壤颜色 深色土壤表面比浅色土壤表面的温度日较差大。4地形 地形主要影响乱流热交换。与平地相比，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，因而温度日较差比平地小；凹地则相反，其乱流交换弱，白天热量不易散失，夜间除辐射冷却外，冷空气沿坡下滑汇集到凹地，更加剧了地面的冷却，故凹地土壤表面温度日较差大于平地。5天气 晴天时土表温度日较差比阴天时大。因为云层在白天能削弱太阳辐射，使地面增温少，夜间能向地面投射较多的逆辐射，减少了地面有效辐射，故阴天的温度日较差小。实际上，土壤温度日较差的大小是由上述各种因子综合影响的结果。,2022/12/3,17,土壤的冻结和解冻,1.土壤冻结的概念：当土壤温度降低到0以下时，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，这就是土壤冻结。冻结后的土壤称为冻土。由于土壤水分中含有不同的盐类，其冰点比纯水低，所以，只有当土壤温度降至0以下时才会冻结。积雪覆盖和植被可使土壤冻结较浅；湿度大的土壤冻结浅而晚；高地较低地冻结深。从地理分布看，冻土深度自北向南减小。 春季随着土温的升高，土壤逐渐解冻，解冻时，是由上而下和由下而上两个方向同时进行的。但在多雪的冬季，土壤冻结不很深，解冻常是靠土壤深层上传的热量，从下而上进行的。,2022/12/3,18,土壤的冻结和解冻,2.土壤冻结对农业生产的利与弊及其防御措施：土壤冻结时，冰晶体膨胀，能使土块破裂，空隙增大，解冻后，土壤变得疏松，有利于土壤中空气的流通和水分渗透性的提高。在地下水位不深的地区，冻结能使下层水汽向上扩散，增加耕作层的水分贮存量，这对春旱地区的农业生产有很大意义。但在春季土壤尚未解冻时，常使降水不能透入土层，而增加了地表的水分流失。土壤冻结时，可使根系发达的乔木抗风性增强。在春季气温较高的情况下，植物地上部分蒸腾加强，耗水量增加，而在冻土中的根部还不能从土壤中得到水分，因而造成植物的生理干旱，引起枯萎或死亡。,2022/12/3,19,土壤的冻结和解冻,在土壤解冻过程中，随着早春温度的波动，致使土壤时化时冻，冻融交替，极易将浅根作物的根拉断。这种掀耸现象也可发生在秋季冻结时，但在气候寒冷的地区严重。积雪多的地方，由于雪的保温作用，既使气候寒冷也不会发生掀耸。为防止该现象的发生，可采取一些预防措施。如播种分蘖节较深的品种；种子深覆土；播种前镇压土壤等。农产品窖藏时，应参考当地最大冻土深度资料，把窖安排在该深度以下，以免农产品被冻坏。在北方，为越冬作物灌水的时间，最好在土壤处于“日化夜冻”的时期进行，过晚则易因地表形成冰壳而损伤幼苗 。,2022/12/3,20,地面热量收支（平衡）,（一）地面热量收支（二）地表层的热量收支,2022/12/3,21,地面热量收支,地表面的温度变化主要是由地表面热量收支不平衡引起的。例如在白天，地面吸收的热量多于放出的热量时，地面就会得热升温；夜间，当地面放出的热量多于吸收的热量时，地面就会失热降温。如果地面的热量收支相等，则地面的温度保持不变。地面热量的收入与支出之差，称为地面热量收支差额。可见，地面热量收支差额是决定地面温度变化的重要因子。,2022/12/3,22,白天，地面净辐射R为正值，地表面吸收的辐射能转化为热能，使地面温度高于贴地气层和下层土壤，于是热量从温度高的地表面向外传递：以乱流热交换方式进入空气的热通量P，以分子热传导方式进入下层土壤的热通量B，还有一部分热量用于土壤水分蒸发LE。,2022/12/3,23,夜间，地面净辐射R为负值，地表面因辐射消耗能量而不断降温，使地面温度低于临近气层和土层，于是空气及下层土壤以热通量P及B的方式向地面输送热量，同时，与地面接触的空气达到饱和状态，又会释放凝结潜热LE给地面(图2一1)。,箭头指向地面的是收入项，表示地面得到热量，为正值；箭头由地面指向空气及下层土壤的是支出项，表示地面失去热量，为负值。对地面而言，白天R为正，P、B、LE项为负，夜间R为负，P、B、LE项为正。热量收支情况，可用下式表示 QS=R-P- B -LE,2022/12/3,24,地面热量收支各项的大小在不同时间和不同性质的下垫面上是不同的，可导致地面温度发生变化。,例如在白天，当土壤比较干燥时，地面净辐射R用于空气增热的热量P较多，而土壤蒸发消耗的热量LE和传给下层土壤的热量B都很少，使地表层热量收支差额Qs值较大，土壤表层增温较快；,2022/12/3,25,当土壤比较潮湿时，则用于土壤蒸发的热量较多，尤其是在有植被的下垫面上，蒸发耗热包括土壤蒸发和植物蒸腾两部分，LE项显著增大。,同时向下层土壤传递的热量B也较多，使地表层热量收支差额Qs值较小，故温度变化比较缓和。,2022/12/3,26,辐射差额( R ),地面热量收支,地面与下层的热量交换( B ),潜热( LE ),地面与近地气层的热量交换( P ),R P B LE0,2022/12/3,27,土温对植物的影响,土壤温度高低直接影响植物的生长发育，大多数作物根区温度在20一30时生长最快。土温对作物的影响主要有以下几个方面：1土温影响植物根系对水分和养分的吸收 2土温影响植物块根、块茎的形成 不仅影响产量，还影响块茎的形状和大小及含糖量的多少等。马铃薯15.622.9最适于形成块茎，形成的薯块个数少而体积大。土温日较差和垂直梯度大，薯块成圆形。马铃薯的退化也与栽培期的土温有关。3土温影响种子发芽、出苗 4 土温影响昆虫的发生,2022/12/3,28,第三节 空气的温度变化,空气温度的变化（时间变化、空间分布）大气中的逆温空气绝热变化大气静力稳定度,2022/12/3,29,近地层气温的日变化,空气温度的时间变化,近地层气温的年变化,一天中，最高气温出现在14-15时左右，最低值出现在日出前后。气温日较差随纬度（增高而减小）、季节（夏季冬季，春季最大）、地形（凸地平地凹地）、下垫面性质（海洋陆地，沙土、深色土、干燥疏松土黏土、浅色和潮湿紧密土 ）和天气状况（晴 阴）的影响而变化。,大陆性气候区和季风性气候区，一年中最热月出现在7月，最冷月出现在1月；海洋性气候区分别出现在8月和2月。影响年较差的因子有纬度(增高而增大）、距海远近（远大、近小）及地形和天气状况等。,近地层气温的非周期性变化,2022/12/3,30,近地层气温的非周期性变化,气温除具有周期性的日、年变化以外，在空气大规模的冷暖平流运动影响下，还会产生非周期变化。这种变化的幅度和时间没有一定的周期，因平流的冷暖性质和运动状况而不同。在中高纬度地区，由于冷暖空气交替频繁，气温的非周期变化比较明显。例如：在春末夏初气温回升后，若有北方冷空气南下，会使气温大幅度下降，即“倒春寒”；在秋末冬初，若有南方暖空气北上，则会出现气温突升的现象，即“秋老虎”。,气温的空间分布,(一)对流层气温的垂直变化(二)近地层气温的水平分布(三)近地层气温的垂直分布,近地层（50-100米）气温的水平分布,等温线大部分（尤其是南半球）趋向于接近东西向排列，赤道地区气温高，向两极逐渐降低。冬季北半球的等温线在大陆上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向极地,而夏季相反。最高温度带并不位于赤道上，而是冬季在510N处，夏季位于20N附近。冷极出现在南极，为-90；热极出现在索马里境内，为63。,2022/12/3,33,近地层气温的垂直分布,日射型 气温随高度增加而降低，以10和13时为代表。辐射型 气温随高度增加而增加，以23和6时为代表。,2022/12/3,34,大气中的逆温,在一定条件下，气温随高度的增加而增加，气温直减率为负值的现象称为逆温，发生逆温的气层称为逆温层（又称阻塞层）。当发生逆温时，冷而重的空气在下，暖而轻的空气在上，不易形成对流运动，使气层处于稳定状 态，阻碍了空气垂直运动向上发展，因而在逆温层下部常聚集大量的烟尘、水汽凝结物等，使能见度变坏。 逆温按其形成的原因，可分为辐射逆温、平流逆温、下沉逆温、锋面逆温、湍流逆温、地形逆温 和融雪逆温等。,2022/12/3,35,大气中的逆温,1.辐射逆温 由于下垫面强烈辐射冷却而形成的逆温称为辐射逆温。在晴朗微风或少云的夜间，下垫面辐射冷却迅速，贴近下垫面的气层随之降温。由于越靠近下垫面的空气受其影响越大，降温也越快，而距下垫面较远的空气，降温较少，于是便形成了自地面开始的逆温层。随着下垫面的继续辐射冷却，逆温层逐渐向上扩展增厚，日出前强度最大。日出后，太阳辐射使下垫面很快增温，逆温层便自下而上逐渐消失。,2022/12/3,36,大气中的逆温,2.平流逆温 当暖空气平流到冷的下垫面上，使下层空气冷却而形成的逆温，称为平流逆温。平流逆温的强度取决于暖空气与冷的下垫面之间的温差大小，温差越大，平流逆温的强度越强。例如，在冬季，中纬度的沿海地区由于海陆温差较大，当海上暖空气流到冷的陆面上时，就会出现较强的平流逆温。平流逆温可以出现在一天中任何时刻，有时还可持续几昼夜。只是在白天，由于太阳辐射使下垫面受热，平流逆温的强度有所减弱，而到了夜间，由于地面有效辐射失热又会再度加强其强度。,2022/12/3,37,大气中的逆温,逆温现象在农业生产上有很多方面的应用。例如：在有霜冻的夜晚，往往有逆温层存在，此时燃烧柴草、烟雾剂等，形成的烟雾会被逆温层阻挡而弥漫 在贴地气层，增加大气逆辐射，防霜冻效果好。在清晨逆温较强时防治病虫害 (喷雾)，可使药剂停留在贴地气层，并向水平方向及下方扩展，均匀地洒落在植株上，有效地防治病虫害。在寒冷季节晾晒一些农副产品时，为避免地面温度过低受冻，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可高出35。在果树栽培中，也可利用逆温现象进行高接，使嫁接部位恰好处于气温较高的范围之内，避开了低温层，使果树在冻害严重的年份能够安全越冬。,2022/12/3,38,空气的绝热变化,大气稳定度,2022/12/3,39,2022/12/3,40,大气稳定度,大气的稳定性大气稳定度的概念大气稳定度的判断,2022/12/3,41,2022/12/3,42,结 论,1. 愈大，大气愈不稳定； 愈小，大气愈稳定。2. 当 d 时，必然 m ，无论空气是否达到饱和，大气总是处于不稳定状态，因而称为绝对不稳定。3.当 d m时，对于饱和空气来说，大气是处于不稳定状态的；对于未饱和空气来说，大气是处于稳定状态的。这种情况称为条件不稳定。,2022/12/3,43,第四节 热量条件与农业,三基点温度和受害、致死温度温周期现象农业界限温度温度变化与作物生长发育积温及其应用,2022/12/3,44,三基点温度,在最适温度下植物生长发育迅速而良好；在生长发育的最低和最高温度下植物停止生长发育，但仍能维持生命；如果温度继续升高或降低，就会发生不同程度的危害，达到生命的最低和最高温度时，植物开始死亡。在三基点温度之外，还可以确定最高与最低受害、致死温度，统称为5个基本温度指标。,2022/12/3,45,三基点温度,不同作物或同一作物的不同发育期，三基点温度是不相同的。不同作物的三基点温度参考表24。,2022/12/3,46,三基点温度,作物生长发育时期的不同生理过程，三基点温度是不相同的。以光合作用和呼吸作用的三基点温度做比较，光合作用的最低温度为0 5，最适温度为20 25 ，最高温度为4050 ；而呼吸作用分别为-10 、36 40 与50 。 三基点温度中，常有这样的现象，即最适温度接近最高温度，而远离最低温度。最高温度在作物实际生育期中并不常见，而在作物生育期中最低温度远比最高温度容易出现。所以对最低温度的研究相对来说较为重要。在农业气象灾害中，低温危害也比高温危害多。,2022/12/3,47,三基点温度,三基点温度是最基本的温度指标，用途很广。在确定温度的有效性、作物的种植季节和分布区域，计算作物生长发育速度，计算生产潜力等方面都必须考虑三基点温度。除此之外，还可根据各种作物三基点的不同，确定其适应的区域，如C4作物由于适应较高的温度和较强的光照，故在中纬度地区可能比C3作物高产，而在高纬度地区C3作物则可能比C4作物高产。,2022/12/3,48,受害、致死温度,植物遇低温而导致的受害或致死，称冷害和冻害。在冻结温度以上的低温危害称冷害或寒害，冻结温度以下的危害则称为冻害。植物因温度过高而造成的危害称热害。,2022/12/3,49,温周期现象,植物的生长和产品品质，在有一定昼夜变温的条件下比恒温条件下要好。这种现象称“温周期现象”。在一定的温度范围内，温度日较差越大，越有利于有机质的积累，作物的产量高、品质好。在昼夜温差较大的条件下，生长的瓜果和肉质直根类作物，含糖量增加，小麦千粒重及蛋白质含量均提高。植物的温周期特性和原产地温度日变化有关。大陆性气候区，温度日较差大，原产该地区的作物在日较差1015时生长最好；海洋性气候区，因温度日较差小，原产该地区的作物在日较差515时生长最好。某些热带作物，如甘蔗在日较差很小的情况下，仍能繁茂生长。 气温年较差也影响着作物的生长发育，而且必要的高温对某些喜热作物是不可缺少的，如某些水稻品种，在湖北长得很好，而在积温相近但四季如春的云南，因其缺少夏季必要的高温而不能成熟。,2022/12/3,50,农业指标温度,15,5,0,10,20,2022/12/3,51,界限温度资料的用途,1分析与对比年代间与地区间稳定通过某界限温度日期的早晚，以比较其回暖、变冷的早晚及对作物的影响。2分析与对比年代间与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(如春季稳定通过0日期到稳定通过5 日期之间的间隔日数)，以比较升温与降温的快慢，分析其对作物的“利”(如春季010的间隔日数较长对小麦穗分化有利)与“弊”(如秋季50 ，0-5 的间隔日数太短对小麦越冬锻炼不利)等。,2022/12/3,52,界限温度资料的用途,3分析对比年代间与地区间春季到秋季稳定通过某界限温度日期之间的持续日数(如从春季稳定通过5 到秋季稳定通过5 的持续日数)可作为鉴定生长季长短的标准之一，可与无霜期指标结合使用，相互补充。青海赛什克海拔2 800m，5 生长季120d左右，绝对无霜期仅24d，大麦可以成熟，春小麦受无霜期限制而不能成熟。可见对大麦来说应侧重考虑5 生长季的影响，而对春小麦来说，应着重考虑无霜期的限制。使用时宜灵活掌握。,2022/12/3,53,积温及其应用,定义,分类,在农业生产中的应用,2022/12/3,54,在作物生活所需要的其它因子都得到基本满足时，在一定的温度范围内，气温和生长发育速度成正相关，而且只有当温度累积到一定的总和时，才能完成其发育周期。这一温度总和称为积温(accumulated temperature)，它表明作物在其全生长期或某一发育期内对热量的要求。,温度对作物和变温动物生长发育的影响，包括温度强度和持续时间两个方面，积温就是衡量这两个方面的综合效应的一种农业气象指标。还有人把积温看作是一种热量指标。,积温学说,积温学说：在其他条件得到满足的前提下，温度因子对生物的发育起着主要作用；生物发育要求一定的下限温度。近年来的研究指出，对于某些时段的发育，还存在着上限问题；完成某一阶段的发育需要一定的积温。,返回,2022/12/3,55,积温,活动积温,有效积温,净效积温,2022/12/3,56,积温在农业生产中的应用,作为引种的重要依据用来分析农业气候热量资源（农业气候区划时的重要依据）农业气象预报服务农业生物生长发育的积温模式作为预测熟期及其他关键生育时期的参考(如杂交水稻的花期)作为预测病虫害的发生及发展的参考,2022/12/3,57,积温的稳定性,同一种作物，完成同一生育阶段所需积温，在不同地区、不同年份、甚至不同播种期，其积温值不同，说明积温的稳定性不够理想。造成积温不稳定的原因是多方面的，其主要原因是：1影响作物生长发育的外界环境条件，不仅有气象因子还有其他因子。气象因子中除温度外，光照时间、辐照度等对生育速度也都有一定的影响，它们与生育速度的关系，有各自遵循的特定规律。2积温学说是建立在假定其他因子基本满足的条件下，温度对作物发育起主导作用的这一理论基础上，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。另外，发育速度与温度的关系也并非呈线性关系。,2022/12/3,58,空气温度与叶温,植物体温与周围环境温度不一致，而体温实际影响着植物的生命活动。因此很多人认为用植物体温表示植物的热量状况较用环境温度为好。植物体各部分温度不尽相同，但光合作用主要在叶片中进行，植物体中的热量得失和温度变化除取决于环境温度以外，也是它本身的辐射收支、热传导以及蒸腾作用等许多因子同周围环境进行热量交换的结果，而且土壤湿度，空气乱流作用等对它也有影响，所以用叶温更能反应植物的热状况。,