第二章-温度..ppt

第二章温度,引言：一定的环境温度是植物生活的必要条件之一，但目前还很难在大面积上作人工控制的就是作物环境温度-土壤温度和日温度，两者中对气温的调节有局限性，所以，农作物的栽培界限，主要受气温决定的。,1、土壤的主要热性质；2、土壤、水体及空气温度的变化特点；3、影响土壤、水体及空气温度日变化和年变化的环境因素；,本章重点,本章主要内容,1、土壤的升温和降温；2、土壤、水体及空气温度的变化；3、空气的绝热变化和大气稳定度；4、气温与农业生产之间的关系,第一节土壤的升温和降温,一、土壤的热性质,是指土壤在热学方面所具有的特性，包括热容量、导热率和导温率。,单位质量（重量）或容积的土壤每升高（或降低）1所需要（或放出的）的热量，被称为土壤热容量。,1、土壤热容量,以C代表质量（重量）热容量单位是J/g），CV代表容积热容量单位是J/（cm3）。C与CV的关系为:,CVC是土壤密度。,土壤不同组分的热容量,CvmCvVm+oCvVo+wCvVwaCvVamCv、oCv、wCv和aCv分别为土壤矿物质、有机质、水和空气的容积热容量，Vm、Vo、Vw、Va分别为土壤矿物质、有机质、水和空气在单位体积土壤中所占的体积比。,不同土壤的固、液、气三相物质组成比例是不同的，所以Cv可表示为:,因空气的热容量很小，可忽略不计，故土壤热容量可简化为：Cv1.9Vm+2.5Vo+4.2VwJ/(cm3),水分、空气、矿质土粒及有机质土壤温度变化主要受含水量、质地的影响,影响土壤热容量的因素,土壤不同组分的热容量,2、土壤导热率,导热性:土壤吸收一定热量后，一部分用于它本身升温，一部分传送给其邻近土层。土壤具有将所吸热量传导到邻近土层的性能，称为导热性。导热率:导热性大小用导热率（）表示，即在单位厚度（1cm）土层，温差为1时，每秒钟经单位断面（1cm2）通过的热量焦耳数。其单位是J/（cm2s）。,热量的传导是由高温处到低温处，设土壤或其它物质两端的温度为t1、t2，土壤的厚度为d，在一定时间(T)内流动的热量为Q。则一定时间内单位面积(A)上流过的热量为Q/AT。两端间的温度梯度为(t1-t2)/d，故导热率根据定义为：,导热率的计算,土壤不同组成分的导热率,矿物质虽然导热率最大，但它是相对稳定而不易变化的。而土壤中的水、气总是处于变动状态。因此，土壤导热率的大小主要决定于土壤孔隙的多少和含水量的多少。,当土壤干燥缺水时，土粒间的土壤孔隙被空气占领，导热率就小；当土壤湿润时，土粒间的孔隙被水分占领，导热率增大。因而湿土比干土导热快。,干土,湿土,3、导温率,土壤导热系数或热扩散系数，指在标准状况下，在土层垂直方向上每厘米距离内有1K的温度梯度，每秒流入1cm2土壤断面面积的热量，使单位体积（1cm3）土壤所发生的温度变化。K=/Cv,:导热率，Cv：热容量（容积）。,土壤组成的热特性,二、土壤的升温和降温,1、土壤表面的辐射平衡地面辐射平衡太阳直接短波辐射(I)地面短波反射(I+H)天空(大气)短波辐射(H)地面长波辐射E逆辐射(长波辐射)(G)I+H-投入地面的太阳总短波辐射(环球辐射(I+H)-被地面反射出的短波辐射，(为反射率)r=EG-是土壤向大气进行长波辐射量(E)与大气升温反向土壤辐射量(G)的差值；以R代表地面辐射能的总收入减去总支出的平衡差值R=(I+H)(I+H)+(GE)=(I+H)(1)r,2、土壤热量平衡,当土面获得太阳辐射能转换为热能时，大部分热量消耗于土壤水分蒸发和土壤与大气之间的湍流热交换，一小部分被生物活动所消耗，只有很少部分通过热交换传导至土壤下层。据右图，设太阳辐射能有47%到地面，蒸腾消耗占23%，长波净辐射占14%，对流传导占10%。,土壤收支平衡表示式式中：S-单位时间内土壤实际获得或失掉的热量；R-辐射平衡；P-土壤与大气层之间的湍流交换量；LE-水分蒸发、蒸腾或水汽凝结而造成的热量损失或增加量；B土面与土壤下层的之间的热交换量。,S=RPLE+B,2、土壤热量平衡,2、土壤热量平衡,白天：,R-P-B-LE=0,夜间：,-R+P+B+LE=0,不考虑土壤厚度时,白天：,R-P-B-LE=Q,夜间：,-R+P+B+LE=-Q,2、土壤热量平衡,考虑土壤厚度时,第二节土壤、水层及气温变化,1、土壤温度年变化升温阶段，一般为1月至7月，7月达最高；降温阶段，一般是为7月至次年1月，1月达最低。土层愈深，最高温和最低温达到的时间落后于表层土壤，称为“时滞”。温度的变幅也随土层深度而缩小，至520米深处，土温年变幅消失。,一、土壤温度变化,2、土温日变化土表温度最高值出现在当地时间1314时，最低温出现在日出之前。土温日变幅以表土最大，至40100cm深处变化幅度小甚至消失。,一、土壤温度变化,3、土壤温度的垂直分布,一天中土壤温度的垂直分布一般分为日射型、辐射型、上午转变型和傍晚转变型等4种类型。一年中土壤温度的垂直变化可分为放热型（冬季，相当于辐射型），受热型（夏季，相当于日射型）和过渡型春季和秋季，相当于上午转变型和傍晚转变型）。,4、影响土温变化的因素,纬度,坡向,坡度,纬度影响土壤表面接受太阳辐射的强度。随纬度由低到高，自南而北土壤表面接受的辐射强度减弱，土温由高到低。,北半球南坡接受太阳辐射最多，东南坡、西南坡次之，东坡、西坡、东北坡、西北依次递减，北坡最低。,北半球中纬度地区（30600）的南向坡，随着坡度增加，接受太阳辐射增加。,地面覆盖后既减少吸热，也减少散热。,海拔高度,土壤因素,地面覆盖,海拔增高，大气稀薄，透明度增加，散热快，土壤吸收热量增多，所以高山土温比气温高。由于高山气温低，地面裸露时，地面辐射增强，随着高度增加，土温比平地的低。,影响土温变化的土壤因素，包括土壤结构、质地、松紧度、颜色、湿度、地表状态及土壤水汽含量等。,二、水层温度变化,水层温度变化主要受水的容积热容量大的影响，以及水是半透明流体、具有乱流混合作用的综合影响。能把表层吸收的太阳辐射传递到深层水。这种由表面向深层的热传递使水域的温度年较差和日较差变化比相应的土壤温度较差小得多，在最冷月和最热月落后时间一致时，如一个月，土壤只需加深1米，而水层必须加深60米。,1、水温升降特性,（1）水的容积热容量约比土壤大1倍，因此当两者的吸热或放热相等时，水面升温或降温幅度应比土壤小1倍。,（2）水为一半透明液体，在陆地上，太阳辐射被很薄的表土层所吸收（约十分之几毫米的薄层），土壤增热剧烈；但对于水来说，太阳辐射可以透入相当深的水层（几十米），约只一半的能量为10厘米以上的水层所吸收，所以水面温度的升高要比地面缓和得多。,1、水温升降特性,（3）水面消耗于蒸发的热量大于陆地，水面的增热因此缓和，这种差别在降水稀少的陆地和海洋之间表现最为突出。,（4）水中的热量传递方式与土壤完全不同。土壤中，热量传递的基本方式是分子传导，而在水中，则主要通过乱流混合和对流作用，这种方式比分子传热要快得多，能使水面温度升降减慢几十倍。,2、水温日变化和年变化,时间变化,日变化：,水面最高温度出现在午后1516h，最低温度出现在日出后的23h内。,年变化：,水面最高温度一般出现在8月，最低温度则出现在23月。,位相：,一年中最高温度和最低温度出现的时间，大约每深入60落后一个月。,琵琶湖水温的垂直分布,夏季：水表层趋于等温分布。在等温层以下有一个跃变层。跃变层以下是等温层。,冬季：水温的垂直分布几乎呈等温状态。当水面温度降到4以下时，表层冷水不再下沉，使水面以下的水温在4左右。,垂直变化,3、调节农田水温的方法,主要使灌溉水得到停积暴晒加温的条件。修筑中小型水库，积蓄泉水，开迂回的灌溉水沟，都可以使低温的水，停积暴晒的时间加长，升高温度。,三、空气温度变化,（一）空气温度温度是表示物质冷热程度的物理量，具体指温标上的标度。目前工作中都采用1968年的国际实用温标，即国际实用摄氏度。,绝对温度、摄氏温度、华氏温度：（1）绝对温度=摄氏温度+273.15（2）摄氏温度=5/9（华氏温度-32）（3）华氏温度=9/5摄氏温度+32,空气温度的日变化与土壤温度的日变化一样，只是最高、最低温度出现的时间推迟，通常最高温度出现在1415时，最低温度出现在日出前后的56时。,（二）空气温度的日变化规律,大陆性气候区和季风性气候区，一年中最热月和最冷月分别出现在7月和1月，海洋性气候区落后1个月左右，分别在8月和2月。,（三）空气温度的年变化规律,（四）空气温度的水平分布,等温线分布的总趋势大致与纬圈平行。同纬度夏季海面气温低于陆面，冬季海面气温高于陆面，等温线发生弯曲。洋流对海面气温的分布有很大影响。近赤道地区有一个高温带，月平均温度高于24，称为热赤道。南半球无论冬、夏，最低气温均出现在南极；北半球最低气温冬季出现在高纬度大陆，夏季出现在北极地区。,气温水平分布的特点：,世界1月海平面气温分布图,世界7月海平面气温分布图,气温除具有周期性日、年变化规律外，在空气大规模冷暖平流影响下，还会产生非周期性变化。如我国江南地区3月份出现的“倒春寒”天气，秋季出现的“秋老虎”天气，便是气温非周期性变化的结果。,（五）气温的非周期性变化,逆温是指在一定条件下，气温随高度的增高而增加，气温直减率为负值的现象。逆温按其形成原因，可分为辐射逆温、平流逆温、湍流逆温、下沉逆温等类型。（1）辐射逆温：是指夜间由地面、雪面或冰面、云层顶等辐射冷却形成的逆温。（2）平流逆温：是指当暖空气平流到冷的下垫面时，使下层空气冷却而形成的逆温。（3）下沉逆温：低凹谷地内，由于夜间冷空气下沉聚集于谷底，把原来低谷内的暖空气抬高，从谷底向上就形成逆温。由于逆温层的存在，致使坡地上某一高度，夜间气温较高，称为暖带。,（六）大气中的逆温,1.概念及形成条件,2.逆温对天气的影响,（1）阻碍了空气的垂直运动发展；（2）下面常常聚集着大量的烟、尘、水汽凝结物，使能见度大大下降。,3.逆温在农业生产上的意义,寒冷季节进行甘薯、萝卜等农产品加工、晒干的时候，避免辐射型冻害，近地面温度较离地2米的温度要低3-5oC；熏烟防霜时，由于逆温的存在，使烟雾正好弥散在贴地层，保温效果好。在防治病虫害时，为使药剂均匀洒到植株上，利用清晨的逆温，使药剂不致向上喷洒，从而均匀地落在植株上。,第三节空气的绝热变化和大气稳定度,一、绝热过程（Adiabaticprocess）,1、在气象上，将任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程，称为绝热过程。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。,绝热过程中气块的温度是随外界气压的改变而变化。热力学第一定律:,绝热方程（1）,一、绝热过程（Adiabaticprocess）,二、干绝热方程与干绝热直减率,干绝热直减率（d）,在大气静力平衡的条件下，干空气和未饱和的湿空气因作干绝热升降运动而引起气块温度随高度的变化率，称之为干绝热直减率。,三、湿绝热直减率,概念,湿绝热过程,饱和湿空气在上升或下降的绝热变化过程中，会产生水的相变，从而释放或吸收热量使空气块的内能发生变化，称此过程为湿绝热过程。,湿绝热过程中的温度变化率。,对m变化的解释,m不是常数，它是气压和温度的函数，随着气压的减小、温度的升高而减小。,湿绝热直减率（m）,三、湿绝热直减率,五、大气稳定度,处在静力平衡状态中的空气块因受外力因子的扰动后，大气层结（温度和湿度的垂直分布）有使其返回或远离原来平衡位置的趋势或程度，称之为大气静力稳定度。,定义,分类,假如有一块空气在外力的作用下，产生垂直运动，但外力除去后：,稳定,若气块逐渐减速，趋于回到原位，这时气块所处的气层，对于该气块而言是稳定的。,中性,若既无回到原位，又无继续加速先前的运动趋势，而是保持原有运动状态，这时气块所处的气层，对于该气块而言是中性的。,不稳定,若气块按原方向加速运动，这时气块所处的气层，对于该气块而言是不稳定的。,2、空气稳定度的判别标准,通常用气温直减率（）与上升气块的干绝热直减率（d）或湿绝热直减率（m）的对比来判断。,某团空气未饱和时的稳定度,扰动方向,合力方向,对于未饱和空气,d不稳定；=d中性；m不稳定；=m中性；m稳定。,愈大，大气愈不稳定；愈小，大气愈稳定。如果很小，甚至等于零（等温）或小于零（逆温），那将是对流发展的障碍。所以习惯上常将逆温、等温以及很小的气层称为阻挡层。当m时，不论空气是否达到饱和，大气总是处于稳定状态的，因而称为绝对稳定；当d时则相反，因而称为绝对不稳定。当dm时，对于作垂直运动的饱和空气来说，大气是处于不稳定状态的；对于作垂直运动的未饱和空气来说，大气又是处于稳定状态的。这种情况称为条件性不稳定状态。,3、总结,第四节气温与农业生产之间的关系,一、温度对植物生产的影响,（一）植物的三基点温度与农业界限温度1植物的三基点温度:植物生长发育都有三个温度基本点，即维持生长发育的生物学下限温度（最低温度）、最适温度和生物学上限温度（最高温度），这三者合称为三基点温度。,0：土壤冻结或解冻的标志。5：喜凉植物开始生长的标志。10：喜温植物开始播种或停止生长的标志。15：大于15期间为喜温植物的活跃生长期。20：热带植物开始生长的标志。,2农业界限温度,（一）植物的三基点温度与农业界限温度,1积温一定时期积累的温度，即一定时期的温度总和，称为积温。积温能表明植物在生育期内对热量的总要求，它包括活动积温和有效积温。2活动积温和有效积温高于最低温度（生物学下限温度）的日平均温度，叫活动温度。植物生长发育期间的活动温度的总和，叫活动积温。活动温度与最低温度（生物学下限温度）之差，叫有效温度。植物生育期内有效温度积累的总和，叫有效积温。3积温的应用积温作为一个重要的热量指标，在植物生产中有着广泛的用途，主要体现在：（1）用来分析农业气候热量资源；（2）作为植物引种的科学依据；（3）为农业气象预报服务。,（二）积温和有效积温,1植物的感温性和温周期现象（1）植物的感温性植物感温性是指植物长期适应环境温度的规律性变化，形成其生长发育对温度的感应特性。春化作用是植物感温性的一种表现。（2）温周期现象温周期现象是指在自然条件下气温呈周期性变化，许多植物适应温度的这种节律性变化，并通过遗传成为其生物学特性的现象。植物温周期现象主要是指日温周期现象。,（三）温度变化与植物生产,（1）土壤温度对植物吸收水分的影响（2）土壤温度对植物吸收养分的影响（3）土壤温度对植物形成块茎、块根的影响（4）土壤温度对植物生长发育的影响（5）土壤温度影响昆虫的发生、发展,2土壤温度与植物生长发育,3温度日变化与植物生长发育,（1）日平均温度的影响,在日平均温度比较低的地区，较接近最低温度时，夜间温度接近或低于下限温度，作物很少或不能生长，而主要靠白天温度较高时生长。,在日平均温度比较高的地区，较接