农业气象学第三章.ppt

温度 分子运动平均动能大小的反映 内能 动能和势能 改变内能的物理过程有做功和热传递两种方式 热力学第一定律 能量守恒定律W Q E热力学第二定律 热量从高温物体传到低温物体 方向是不可逆的 第三章温度第一节热力学基本知识一 基本概念和定律 1 辐射 Radiation 辐射能被体物吸收时发生热的效应 物体吸收的辐射能不同 所产生的温度也不同 因此 辐射是能量转换为热量的重要方式 2 分子传导 Molecularconduction 分子在不停地做着布朗运动 分子有携带着各种物理属性 如热量 水汽 CO2等 当分子不断运动时 由于分子间互相碰撞 同时也进行着属性的交换 完成热量和水分的输送 那么分子运动有多快呢 空气分子运动速度V 485m s 1746km h 二 热量的传递方式 对流 Convection 空气垂直运动 热力对流 强迫对流湍流 Turbulence 大团空气向垂直和水平方向作无规律运动 大气湍流就是日常感觉到一阵阵的风 它的风向和风速经常在变化 呈不规则的涡状运动 所以又叫湍涡 它是一大团空气 片流层以外到湍流层就是一大团一大团空气一起运动 使传导属性的能力大大增强 速度大 平流 Advection 空气的水平运动 风 3 流体热交换 对流 平流和湍流 4 潜热交换 水三相变化过程中伴随着潜热交换 且相变潜热随温度而变化 蒸发潜热与温度关系 L t式中 L是蒸发潜热 单位为J g 当t 时 L J g 当温度变化不很大时 L的变化较小 所以在作物生长季节 左右 一般取L J g 三 物体的热特性1 热容量C heatcapacity 表示某物体温度每升高1 所需要的热量J 2 质量热容Cm massspecificheat 表示单位质量物体 升高一度所需要热量J kg 3 定容热容CV volumespecificheat 表示单位体积物体 每升高一度所需热量J m3 Cm与CV的关系 CV Cm水 CVw 4 18 106J m3 空气 CVa 0 0013 106J m3 为什么水体增温慢 或水不易热 水比空气热得慢 4 导热率 thermalConductivity J m S 表示物体对热量传导快慢的一种能力 水 指4 静止的水 0 57J m s 空气 10 静止空气 0 025J m s 水导热比空气快22 8倍 导热率只说明物体传导热量速度快慢 水的 比空气大22 8倍 可空气的Cv只是水的1 3483 所以 空气比水增温得快得多 为什么棉衣棉被可保暖 5 热扩散系数K Thermaldiffusioncoefficient m2 S 说明物体增温快慢就有热扩散系数K 也称导温率 K与 的关系 K CV 单位换算 水 K 0 14 10 6m2 S空气 K 20 5 10 6m2 S 空气大146 4倍 空气升温快 农田土壤中K大好还是K小好 农田土壤湿度B 20 左右时 对农作物生长最为有利 第二节温度 一 大气温度气温是表示空气冷热程度的物理量 大气温度状况是支配天气变化的重要因子之一 气温变化反映空气内能大小的变化 当空气获得热量时 内能增加 温度升高 当空气失去热量时 内能减少 温度降低 引起空气内能变化的原因可分为两种 一种是空气与外界没有热量交换 内能变化是由于外界对空气做功或空气对外做功引起的 称为绝热变化 另一种则是空气与外界发生热量交换而引起的内能变化 称为非绝热变化 一 空气的绝热变化大气中进行的物理过程 通常伴有不同形式的能量转换 在能量转换过程中 空气的状态要发生改变 在气象学上 任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程 叫做绝热过程 在大气中 作垂直运动的气块 其状态变化通常接近于绝热过程 什么是绝热冷却 什么是绝热增温 什么是干绝热变化当升 降气块内部既没有发生水相变化 又没有与外界发生热量交换的过程 称为干绝热过程 什么是湿绝热变化 绝热过程与泊松 Poisson 方程要求出在绝热过程中气温的变化 必须应用热力学第一定律 热力学第一定律 能量守恒 气块绝热上升单位距离时的温度降低值 称为绝热垂直减温率 绝热直减率或绝热垂直递减率 干绝热直减率对干空气 dry 和未饱和的湿空气而言 称干绝热直减率 湿绝热直减率将热力学第一定律应用到饱和湿空气绝热变化过程 则有 饱和湿 moist 空气绝热上升时 如果只是膨胀降温 湿绝热直减率 1 100m 但水汽既已饱和 就要因冷却而发生凝结 同时释放凝结潜热而加热气块 所以 饱和湿空气绝热上升时 因膨胀而引起的减温率要比小 0 5 100m 比较r 和 1 气温的垂直变化为什么 m d呢 m d和 有什么不同 2 大气稳定度大气层结 大气中温湿度等气象要素的垂直分布状况 r 0 大气为不稳定层结 r 0 大气为稳定层结 r 0 大气为中性层结 A 在稳定的大气层结下 大气的对流运动将受到抑制 常出现雾 层状云 连续性降水等天气现象 污染物不易扩散 污染严重 B 在不稳定大气层结下 空气对流运动发展旺盛 常出现积状云 阵性降水和冰雹等天气 污染物扩散快 不易造成空气污染 r 0大气为不稳定层结时 气温下高上低 空气密度上高下低 因浮力作用 对流旺盛 当r 0为稳定层结时 因重力作用 抑制对流运动 因此 我们把大气层结具有的这种影响对流运动的特性称为大气层结的稳定度 3 大气稳定度的判断 A d绝对不稳定B m绝对稳定C d干中湿不稳D m湿中干稳E m d条件不稳定 不稳定指谁 二 气温的非绝热变化 1 气温的垂直分布 气温垂直梯度气温垂直梯度又称气温直减率 在对流层中 气温垂直梯度的平均值约为 6 m 实际上 气温垂直梯度随时间和高度的不同而变化 一天中 不同的时间气温的垂直分布规律也表现出较大的差异 白天 下垫面在太阳辐射的作用下强烈升温 以感热的形式输送给近地面大气层 气温随高度升高而降低 这种气温变化类型称为日射型 夜间 下垫面因辐射冷却 失去热量而降温 此时大气以感热的形式由大气向下垫面输送 气温随高度升高而增加 为辐射型 在昼夜交替的过程中 气温的垂直分布同时具有日射型和辐射性的特征 称为过渡型 有从日射型向辐射型的过渡 也有辐射型向日射型的过渡 对流层中的逆温现象一般地 对流层气温是随着高度的增加而递减的 在对流层中 气温随高度增高而升高的现象称为逆温 出现逆温的气层叫做逆温层 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 逆温按形成原因可分为辐射逆温 平流逆温 下沉逆温 锋面逆温等类 2 气温的周期性变化日变化和年变化原因 日 太阳高度角 年 赤纬什么是日较差 年较差 如果不考虑下垫面 水 陆等 的影响 为什么日较差随纬度的升高而减小 而年较差随纬度的升高而增加 日较差与农业生产的关系如何 3 气温的非周期性变化 气温除了由于太阳辐射的作用引起的周期性的日 年变化外 在大气运动的影响下还会发生非周期性的变化 例如 春季正是春暖花开气温回升的季节 若有北方冷空气南下 会使气温大幅度下降 发生倒春寒现象 秋季 正是秋高气爽气温下降的时候 若有南方暖空气北上 则会出现气温突升的现象 称为 秋老虎 现象 气温的非周期性变化 可以加强或减弱甚至改变气温的周期性变化 实际上 一个地方的气温变化是周期性变化和非周性变化共同作用的结果 如果前者的作用大 则表现周期性变化 相反 就表现非周性变化 从总的趋势和大多数情况来看 气温变化的周期性还是主要的 二 土壤温度 1 土壤热交换方式土壤温度的变化取决于与外界热量交换的状况 土壤表面的温度变化主要是由于土壤表面热量收支不平衡引起的 土壤表面热量交换方式包括辐射 分子传导 潜热交换 对流和湍流交换等多种 而土壤中热量交换则主要是分子传导 受太阳辐射影响 白天和夜晚土壤表面的热量收支差别较大 地表白天是热源 晚上则是热汇 2 土壤温度的垂直变化土壤温度的垂直变化的三种类型 日射型 辐射型和过渡型 3 土壤温度的时空变化土壤和空气温度日变化和年变化与太阳辐射的日变化和年变化曲线相似 因为土壤和空气的热量是由于地面接受了太阳辐射增温后 再由地面向上输送给空气 向下传导给土壤 空气和土壤才得以增温的 因此温度和辐射二者有直接相关关系 1 太阳照射地表面后 热量可以向上输送到高空100m以上高度 而且仍很强烈 而往下输送深处还不到1m就没有多少热量传送了 这是为什么 2 随离地表的距离向上或向下的增加 最高最低温度出现的时间越来越滞后 滞后现象主要是因为 热量的传导 输送需要有一定时间 所以每层达到最高或最低的时间也越滞后 2 从土壤和空气的温度的年变化曲线和日变化曲线 都可看到两个特点 1 随离地表的距离向上或向下的增加 温度变化振幅越小 这是由于热量向上 向下输送过程中 每层空气或土壤都要留下一部分热量 所以越往上或下获得的热量就越少 增温幅度就越小 4 土壤的温波方程土壤温度的日 年变化曲线可用数学公式来表示 为Z深度土壤平均温度 为地表0cm处温度振幅 Z为任何深度 m t为任意时刻 指温度曲线的正弦角度 旋转一周为360 2 2 T T为旋转一周所用的时间 相对日变化而言 则T 24h 即24h完成360 旋转 相对年变化 则T 365d t是所求时刻时间 从公式中可以看出 土壤温度振幅将按对数规律衰减 土壤温波峰值出现时间将按位相滞后 所以 D是一个重要参数 那么 D D为土壤衰减深度 damp消沉 衰减 潮湿 1 土壤温波的振幅分析 衰减 由于D与K成正式 所以 不同的K D不同 也就是说衰减快慢不同 1 当土壤深度Z D 1个衰减深度 时 2 当土壤深度Z 2D 2个衰减深度 时 3 当土壤深度Z 3D时 所以 我们把3D深度称为恒温层 了解土壤恒温层深度是很重要的 如了解了各种土壤的导温率K 就可以求到日和年的衰减深度D日 D年 关键是K值 下表给出不同土质的土壤K和导热率 表3 1不同土壤的K和 值 对同种土壤K一样 日和年的土壤衰减深度相差多少 D年是D日的19倍 即 年恒温层深度是日的19倍 例如 某块小麦地为饱和沙壤土 求此块地的日和年恒温层 解 所以 日恒温层Z 3D日 0 14 3 0 42 m 年恒温层Z 3D年 0 42 19 7 98 m 土壤温波峰值滞后分析sin t Z D 相当于从sin 位相落后 则峰值滞后 即峰值滞后Z D 与Z有关 当Z D时 峰值滞后多长时间 也有两种情况 一是相对日温波曲线来说 峰值滞后为1 T 2 3 82h 二是相对年温波曲线来说 峰值滞后1 T 2 58 12d 所以 在一个衰减深度的土壤处每日土壤最高温度出现的时间比地表最高温度出现的时间迟3 82小时 对一年来说相差58天 即差不多要晚2个月 例 某农田为含40 空隙度的粘土 其地表最高温度出现在12点30分 问离地表10cm深处日最高温度将何时出现 解 滞后5 46h 也就是说12 5 5 46 18时出现最高温度 第三节温度与农业 一 主要温度指标 1 三基点温度温度三基点 生长最低 最适 最高温度 喜凉作物分别为 5 20 30 35 40 喜温作物分别为 10 15 30 35 45 五基点温度 生物能生存的温度范围较生长的温度范围宽 二 农业界线温度0 C 农事活动开始或终止 喜凉作物生长的起始温度 小于 为寒冷期 0 对某地区 一般而言 广义的生长期系指作物能生长的时期 以春季的平均气温于0 开始 至秋季的平均气温大于0 终止期的日数计算 某作物的生长期 即为该作物由播种 成熟期间的日数 鉴定 地区的复种程度 需考虑夏秋作物及秋种作物接茬的可能性 一般以0 以上的日数的指标 春季日平均气温稳定通过0 为北方土壤日化夜凉 早春作物开始播种 冬小麦开始返青 多年生果木开始萌动的指标 秋季0 终止日为北方冬小麦及多年生果木停止生长的日期 故选用 0 之间的持续日数 为鉴定地区作物生长期长度的指标 5 C 早春作物播种 5 冬小麦分蘖 马铃薯等开始播种 5 日数为喜凉作物生长期 10 喜温作物开始生长 喜凉作物生长迅速 10 日数为喜温作物生长期 15 喜温作物生殖生长下限 早稻移栽 热带作物生长 双季稻大田生长期 20 水稻分蘖及迅速生长 安全齐穗 玉米 高粱安全灌浆 其他 3 南方小麦生长下限 8 牲畜吃饱草 8 12 牲畜抓膘 12 籼稻作物生长和棉花播种 3 生物体温 测定和研究植物体温在农业生产中有实际意义 尤其是对霜冻 高温逼熟危害的预报等有一定作用 其中叶温最为重要 变化也最明显 美国利用卫星上仪器红外测定植株温度 从而预报柑橘等的霜冻 比气温预报更准确些 还可以根据小麦群体冠层温度与气温的差值反映作物缺水状况 预报小麦是否缺水及所需的灌溉量 此外 还可根据叶气温差与作物生长的关系 监测大田作物生长和进行大面积作物估产 外界环境温度的高低直接影响动物的体温 从而影响着动物新陈代谢强度及其生长发育状况 用红外温度仪可简捷地测定动物不同部位的体温 作为动物饲养与畜病诊断的指标和参数 二 温周期现象 1 温周期现象 在自然条件下 环境温度呈昼夜和季节的周期性变化 植物适应这种变化而节奏地生长 通常将植物对季节或昼夜温度变化的反应称为温周期现象 2 感温性 作物生长 发育对温度条件的反应特性称为感温性 所有的作物都必须在一定的温度条件下才能正常地生长 发育 在不同的发育时期对温度的要求不同 有时要求较低的温度 有时要求较高的温度 称为感低温特性和感高温特性 3 春化作用 所有的作物都必须在一定的温度条件下才能正常地生长 发育 在不同的发育时期对温度的要求不同 有时要求较低的温度 有时要求较高的温度 作物的生长发育进程和温度的季节变化相适应 一些作物在秋季播种 冬前经过一定的营养生长 然后度过寒冷的冬季 第二年春季重新旺盛生长 春末夏初开花结实 而秋播作物春播 则不能