9.第八章小气候.ppt

1、第一节 小气候的概念及特点 第二节 各种小气候,第八章 小气候,农林气象学,小气候是指在相同的大气候特点的背景下，因下垫面的影响使近地层和土壤上层的小范围内具有一些独特的天气现象和气候特征的现象。受地面性质、地形、土壤状况、地面覆盖状况及植被发育状况的影响形成差异较大的小气候，如农田、森林、地形、温室等等。由于人类的生产活动及农作物生长在近地层和土壤的上层，直接受小气候的影响，因此人类可以通过改变下垫面的性质，在一定范围内控制小气候的变化，使其朝向人类的意愿变化，以便影响作物的产量和品质。例如：城市中合理植树种花，绿化庭院，改善城市下垫面状况，可以使城市居民住宅区或工厂区的小气候条件得到改善，

2、减少空气污染。,云雾林是热带雨林的一种，在海南岛，泛指海拔较高的山地生长的原始热带雨林。由于云雾林中林木茂密，空气湿度极大，苔藓类和寄生、附生植物发达，终年云雾缭绕，降雨频繁，很多云雾林地区年降雨量可达2500毫米以上。特殊的地形和小气候，造成云雾林中动植物种类繁多，生物多样性极为丰富，是海南岛生态系统的核心。,在海南佳西保护区云雾林，一只色彩鲜艳的梭德氏棘蛛在蛛网上等待猎物,海南佳西保护区云雾林中兰花品种丰富，这是羊耳蒜,海南鹦哥岭保护区云雾林中色彩艳丽的大皇蛾，这是世界上体形最大的蛾类，双翅展开可达25厘米以上。,第一节 小气候,一、小气候的概念,在相同的大气候背景下，局部地区由于其下垫面

3、性质的不同,在小范围内形成一种与大气候不同特点的独特的气候状况,通称小气候。,一、 小气候的概念,1.范围较小 它的垂直尺度大致包括整个贴地气层 (2m以下), 水平尺度从几毫米到几十千米或稍大一些。,2.差别大 因尺度很小 , 局地差异不易被大规模空气运动所混和, 故在垂直方向或水平方向上的气象要素差异很大。,3.稳定性强 小气候的规律具有相对的稳定性。但不同季节和天气类型略有差异。,二、 小气候的特点,三、小气候形成的理论基础,小气候的形成，主要决定于下垫面的热量平衡、水分平衡、近地层的乱流交换。,（一）活动面（作用面）和活动层（作用层）,活动面又称为作用面，是指能借助于辐射作用吸收或放出

4、热量，调节邻近气层和土层温度湿度等要素变化的物质表面。如地面、水面、植物表面等等。,在农田中，进行热量交换的作用面不只是地表面，而是由地面到作物表面的整个层，把这个层称为作用层或活动层。在作物幼苗期，活动面主要是地面，到作物生长旺盛期活动面则主要是作物茎叶最密集的面，称为外活动面，此时地面称为内活动面。,（二）小气候形成的理论基础,1、活动面的辐射平衡：,小气候的形成主要决定于活动面对太阳辐射的吸收、近地层的乱流交换和土壤热交换。形成小气候差异的因素有测点的坡向、坡度、下垫面的特征、地平的遮蔽程度、天气条件等。,辐射平衡是气候形成的重要因素，也是热量平衡的基础,影响辐射平衡的因素：纬度、地形、

5、下垫面的性质,辐射平衡的时空分布：以农田活动层为例，图81 表81、图82,2、活动面的热量平衡：,对于不同的下垫面，其热量平衡方程的形式是相同的，既有乱流热通量、蒸发耗热、土壤热通量，但在农田和森林里，各分量的大小与裸地差异很大。如水稻田的蒸发耗热多，沙漠中的乱流热交换则更明显。,表82棉花发育期热量平衡分量值,田间小气候观测仪,白沙黄皮果蔗,和田的千里葡萄长廊-1480公里（相当于北京到长沙）,和田县巴格其镇的农民为节省耕地，利用农田道路，将葡萄种在道路边上，枝蔓架在道路上方，多占天少占地，取得了明显的社会效益和经济效益。葡萄长廊的建设：一是节约了土地。二是经济效益显著。三是生态环境得到改

6、善和保护。改善了农田小气候，美化了农村环境，已成为戈壁绿洲的一大景观。,第二节 地形和水域小气候,一、地形小气候,地形的差异是引起小气候差异的主要原因之一。由于山脉的走向、坡地的方位、坡度不同，导致各下垫面得到的热量和水分不同，同时由于地形的阻挡作用使气流运动发生变化，造成山坡和谷地及不同坡地温度、湿度、风等要素分布状况的差异，进而直接影响植被的分布和发育状况。我国地形东低西高，山地、高原和丘陵约占陆地面积的2/3，盆地和平原约1/3，因此研究地形小气候，可以开发和充分利用山地的气候资源。,（一）坡地小气候：,1、坡地对日照的影响：,对于南坡，冬半年太阳出没的方位偏南，南坡的可照时数与水平面相

7、当，夏半年由于太阳出没的方位偏北，南坡的可照时数比水平面的少，且随坡度()的增大而减少。当坡度大于纬度()时，则随赤纬()的增加而减小.,由于地形相互的遮蔽，不同坡地的可照时数差异很大。,北坡的可照时数在不同季节相差较大。 冬半年北坡的可照时数随坡度的增大迅速减小，其可照时数（+）纬度上水平面的可照时数相当，因此，北坡坡度增加1，对日照的影响相当于纬度升高了1。当坡度大于正午太阳高度角时，全天处于遮蔽，可照时数为0，如北京冬至日正午的太阳高度角为2633，因此该区域坡度大于2633的北坡冬至日无光照。,东西坡上的可照时数都小于水平面上。不论冬半 年和夏半年都随坡度增大而减小，但随赤纬的增大 而

8、增大，随赤纬的减小而减小。纬度越高，可照时 数年变化越大。,与水平面相比，坡度和坡向总是减小日照时数。,黄山地形复杂，小气候差异明显，有的地方多雨凇，有的地方多雾凇，有时两者同时出现。,2、坡地对辐射的影响：,由于坡地日照的差异很大，因此不同坡向的辐射(主要是直接辐射)分布也相差很大。南坡和北坡坡度的大小，对辐射总量的影响最大，东坡和西坡的影响最小。在中纬度地区，南坡的坡度增加1，相当于水平面的纬度向南移1，北坡则相当于纬度北移1。即坡度为的南坡上的可能辐射总量与比其纬度偏低度的水平面的辐射总量接近（冬季和夏季因太阳出没的位置不同而不同）。,夏半年偏南坡地上的辐射总量，在低纬度地区（如20N以

9、南的海南岛）比水平面的少，并随坡度的增大迅速减少；中高纬度(如40N以北)地区则比水平面的多，在一定限度内随坡度的增大而增多。偏北坡地的辐射总量与南坡相反。南北坡的差别在夏季较小.,冬半年偏南坡地上的辐射总量，都比水平面的多， 且在一定坡度以下，纬度越高，坡度越大，增加越 多。偏北坡地上的辐射总量总比水平面的少，并且 随坡度和纬度的增加而迅速减少。,冬半年南北坡差别明显。东坡和西坡介于南坡和北坡之间，差别不大。,在不同的区域，有效地利用地形的热量资源，合理布局农作物，使其在生长季节获得足够的能量，促进作物早熟，缩短生长期。,普兰县城位于纳木阿比峰和那尼雪峰之间的孔雀河(马甲藏布)谷地，地形狭窄

10、，来自孟加拉的湿润空气，在这里形成宜人的高原小气候。气候温和，降水颇丰，是阿里地区中“雪山环绕的地方。因为有神山，圣湖而广受旅行者青睐。,受各坡向辐射总量的影响，各坡向的温度状况不同。一般南坡温度比北坡高，西坡比东坡高，西南坡高于东北坡。土壤温度的最低值一般出现在北坡，最高值出现的位置随季节、天气和土壤状况不同而略有变化，一般是西南坡温度最高。这是因为受天气条件和土壤湿度的影响，上午的太阳辐射能量主要用于地面凝结物和土壤的蒸发，午后的能量则主要用于土壤热通量和感热通量。,3、坡地对温度分布的影响：,各坡地上的气温变化趋势与地温一致，但各坡地气温的差异比地温缓和。且随着离坡地高度的增加，由于乱流

11、混合作用的加强及天气的影响，坡地对气温的影响逐渐减小。在阴雨天气条件下无影响。,另外，坡地对局地的风和降水也都有影响，由于地 形对气流的阻挡作用，山坡的迎风面和两侧风速大， 背风坡风速小。对降水的影响远没有高大地形的显著,坡地的湿度受温度和热量的影响，一般偏南坡的土温高，蒸发快，土壤干燥；偏北坡温度低，蒸发慢，土壤潮湿。坡地对空气湿度的影响，由于受天气的影响，与土壤湿度的分布的趋势略有不同。在比较干燥的条件下，偏南坡的空气湿度比偏北坡的小；湿润条件下则相反。阴雨和大风天气差异减小，甚至没有。,4、坡地对湿度分布的影响,（二）谷地小气候,在山区，不同的坡地具有小气候差异外，洼地和谷地与山顶的小气

12、候也有明显的差异。周围山地对谷地的遮蔽作用，使谷地的日照时数比平地的少，辐射能也少。同时由于地形的影响，与周围空气的热量和水分交换受到很大的限制，与山顶差异较大。,白天，谷底和谷坡吸收辐射增温，但与周围空旷地段的交换较慢，而坡顶与周围大气交换快，因此谷地的气温比坡顶高；夜间辐射冷却，特别是晴朗的天气，由于冷空气在谷底的堆积，造成谷底温度明显低于坡顶，出现逆温现象，可使山坡上的作物不易遭受低温灾害。由于谷地的热力差异，常常引起局地环流山谷风，在不同季节风速的大小不同。,二、水域小气候,水域是指湖泊、水库及大的江河等，研究这些小范围水域及其邻近地区的气候特征并应用其为国民经济服务的气候学分支称为水

13、域小气候。小水域和海洋一样有水的热力特性，只不过其影响范围小，远远不及海洋。,水域小气候与陆地其它小气候的差异，主要是因为水体的热力性质与陆地的差异较大。受水体的影响，在水体的上方和内部形成独特的小气候。,水域气候的主要特征是:,由于水面对太阳辐射的反射率小，透射率大，水面获得的辐射能量比陆面多，而且通过传导和对流将热量贮存于深层水体，起到“热汇”作用；冷却时，它又能通过水下的湍流交换和水面辐射交换及蒸发将热量送回到邻近空气，起到“热源”作用。因此，水域上方气温变化缓慢。,水面上蒸发旺盛，空气湿度大，但由于水温升温缓慢，水域上方空气稳定，年降水量和云量都减少，雷雨云都沿水域周围移动，强雷暴(如

14、冰雹等)过程越过水域时，强度也减弱，待越过水域一定距离后又逐渐加强。,水域的小气候特征，可通过水域和陆地之间的局地环流，进行热量、水汽的交换，影响周围邻近区域，形成有限水域岸边的小气候。,有限水域对其岸边的影响与水域的面积、深浅、距水域的远近及盛行的风向有关。面积越大、水越深影响越大，对下风方向的岸边影响最大。,水域表面平滑，空气流动时摩擦力小，因此，水域上风速一般比陆地大,第三节农田小气候,一、农田中太阳辐射和光能的分布,1、农田中的太阳辐射, 到达农田植被表面的太阳辐射被植被吸收、散射、反射。表83绿叶对不同波段的平均反射率、透射率和吸收率,农田中的光分布主要决定于作物种类、群体结构、发育

15、期、栽培方式等因子，同时与太阳高度角有关,2、农田中光能的分布,比尔朗伯（Beer-Lambert)指数定律：,图84小麦群体中不同时间光合有效辐射的垂直分布,Iz = I0 * e-KF,Iz 为作物层中高度为Z处的光照度； I0为株顶的 自然光照度；F为叶面积指数；K为叶层的消光系数,第六节农田小气候的改良,夏半年，随纬度增高，日照时间也愈长，沿东西行 向株间的照射时间比沿南北行向株间要长，东西行向 株间透光率除中午外均比南北行向高，东西向株间气 温南北行向。冬半年的情况正好相反。,一、种植措施,1、种植行向：,结论： 对热量需求突出的秋播作物，应考虑NS行向 对光照要求较高的春播作物，采

16、取EW行向均能获得较好的透光条件。,生育初期，影响不大，随着植株的长大，密度增 加、郁闭程度随之增加、光强减小。对温度的影响：白天明显，密度增加、温度降低， 农田消耗水分量增多，土壤湿度降低，空气湿度上升,2、种植密度：,密度过大还使农田中植被对气流的阻力增加，阻碍农田内外的空气交换。,根据热量平衡方程各项的分配状况，热量变化较大。,二、灌溉措施,1、灌溉影响农田的辐射和热量平衡 ：, 灌溉后土壤的热容量、导热率、导温率都发生相应的变化，减小土壤温度的日较差，使土壤温度变化缓和。 不同季节的灌溉，效应不同，如夏季有降温的作用、冬季可以保护作物安全越冬。,2、灌溉对农田温度的影响 ：,三、间作套

17、种措施,将不同的多种作物合理地搭配起来，种植在同 一块土地上，由原来单一结构的作物群体，变为两 种或多种作物构成的复合群体，能够充分地利用生 长季，提供光能和土地的利用率。, 高低作物合理搭配，使平面用光变为立体用光 高杆作物的遮荫作用，使矮杆作物行的地温度、气温偏低，湿度偏高，并随带宽缩小，这种影响有加强的趋势。,四、耕翻与镇压措施, 耕翻后使土壤疏松、表层土壤粗糙，反射率减小，空隙度加大，白天土壤表层为增温效应，深层土壤为降温效应，夜间则相反。日较差增加。 耕翻后土表疏松， 透水性和透气行增加，提高了土壤的蓄水能力，同时对下层土壤有保墒效应。, 镇压与耕翻的效应相反，使土表紧实，反射率增

18、大，空隙度减小，毛细管作用加强，使上层土壤的热 容量和导热率明显增加，因此白天土壤表层为降温作 用，深层土壤为增温作用，夜间则相反。日较差减小 不同的土壤在不同的天气条件下，镇压的效 应有差别。,第四节设施农业小气候,改变地表辐射和热量平衡，从而使土壤上层和贴地空气层小气候发生变化,一、地膜覆盖,不透明的：瓦片、草帽、泥瓦盆、蒲包、草席等。夜间覆盖透明：纸罩、纸垅、玻璃窗、塑料薄膜等。,地面复盖物：,对蔬菜育苗及早熟栽培，解决周年供应，扩大栽培面积，提高产量等方面都有很大作用,二、塑料大棚,温室布局与大气候： 美国：60%集中在南部的加州，佛罗里达等地 日本：主要集中在35N以南地区 荷兰：最

19、大的温室群在南部冬季较暖地区。 我国冬季温度低于世界同纬，如北京低10C，小于-5C的 负积温为世界同纬的1-4倍，因此消耗的燃料多。 供暖条件：最低温度致死温度，保证率达100% 目前塑料大棚面积有3839万hm2，人均约3.15m2。首先 在中纬度32N37N地区发展，然后向北向南推进，向北推 广到北纬40N以北地区的吉林和黑龙江地区，向南推进到东 南沿海,三、日光温室,被动除湿法,主动除湿方法,第五节森林小气候,研究森林及林冠下的灌木丛和草被等形成的小气候特征并为森林防火，防病和林木业生产提供气候服务 。与森林的树种组成、结构、郁闭度、林龄等因素有关。,森林小气候是研究森林内的温、湿、光

20、、水、风和空气成分的特征，及其形成的机制的学科，研究范围一般涉及林冠层以下的林中空间及林地土壤,气候条件是林木生长不可缺少的生态因子，它对树种的传播和萌发、生长和发育、开花和结果，以及森林的组成、演替和地理分布都有重要影响。同时，森林又通过同周围大气不断进行物质和能量的交换，从而影响并改变森林内及其周围地区的气象要素结构。因此研究森林和气候条件间的相互关系，可以了解森林生态系统中的客观规律，为合理开发利用森林资源、科学的营造森林、保护自然资源和维护良性的生态平衡，为发展工农业生产和改善人们生活环境服务。,森林气象学是研究森林和大气之间相互关系的学科，是气象学和森林学之间的边缘学科。它既是应用气

21、象学的一个分支，又是林学的一门基础学科。, 日间到达林内的太阳辐射和夜间林内地面向外 的长波辐射均受到林冠的削弱，因此，林内气温日 变化和年变化均比林外缓和,森林小气候的主要特征,森林内降水量有所增加，而且森林面积越大，降水量增加越多,森林内空气湿度增加，雾、霜、雨淞现象增多,林中风速减小,第六节防护林小气候,防护林带的气象效应是研究林带、林网的结构、布局和配置方向的小气候效应，包括防止风砂、减弱风速、增加湿度、降低蒸发、减轻霜冻等作用。林带的防风效应是林带各种气象效应中起主导作用的。,疏透结构的林带，透风系数为O.40.5，疏透度为3050%，大约有50%的空气流可以穿过这种林带内部，防风效

22、果最好，背风面的有效防护距离可达树高的25倍左右。研究林带的动力效应可在野外进行观测，也可在室内利用风洞进行模型实验。,防护林带的结构,一般按林带的透风系数(背风面1米处风速与空旷地风速之比)和疏透度(林带纵断面的相对透光面积)的大小划分林带的结构。,紧密结构,透风结构,疏透结构,附：城市气候,指某一地区，在城市化后由于人口高度密集，众多 建筑物构成特殊下垫面，高强度的经济活动中消耗大 量燃料，释放出有害气体和粉尘以及其他人类生产和 生活的影响,改变了该地区原有的区域气候状况，形 成一种与城市周围不同的局地气候称为城市气候。城 市气候既有所属区域大气候背景的影响，又反映了城 市化后人类活动所产

23、生的作用，因此，不同大气候区 的城市气候不尽相同，但也存在一些共同的城市气候 特征，华东师范大学周淑贞、张超对城市气候有过多 年研究，他们认为最基本的有以下几方面：, 由于城市下垫面特殊性质；空气中由燃料产生的二氧化碳等较多；加上人为的热源等因子，城市气温明显高于郊区，这种情况称为“城市热岛效应”。 国内外许多学者的研究表明：城市热岛强度是夜间大于白天，日落以后城郊温差迅速增大，日出以后又明显减小。, 城市中由于下垫面多为建筑物和不透水的路面,蒸发量、蒸腾量小，所以城市空气的平均绝对湿度和相对湿度都较小。但由于城市下垫面热力特性，边界层湍流交换以及人为因素均存在日变化，因此，城市绝对湿度的日振

24、幅比郊区大，白天城区绝对湿度比郊区低，形成“干岛”，夜间城市绝对湿度比郊区大，形成“湿岛”。, 由于城市空气中尘埃和其他吸湿性核较多，在条件适合时，即使空气中水汽未达饱和，相对湿度仅达7080%，城市中也会出现雾，所以城市的雾多于郊区。有些城市汽车尾气排放的废气，在强烈阳光照射下，还会形成一种以臭氧醛类和过氧乙酰硝酸酯(PAN)等为主要成分的浅兰色烟雾，称为“光化学烟雾”，这种雾对人体是有害的。, 由于城市热岛效应，市区中心空气受热不断上升，四周郊区相对较冷的空气向城区辐合补充，而在城市热岛中心上升的空气又在一定高度向四周郊区辐散下沉以补偿郊区低空的空缺，这样就形成了一种局地环流，称为城市热岛

25、环流。这种环流在静朗少云，背景风场极其微弱的静稳天气条件下，最为明显。应该指出虽然城市热岛效应夜间大于白天，但由于夜间郊区大气结稳定，有时还存在逆温层，因此上升气流层不强，而白天郊区大气层结本身不稳定，流入城市后，上升速度快，所以城市热岛环流白天比夜间强，而且夜间的郊区风具有阵性, 城市中由于有热岛中心的上升气流，空气中又有较多的粉尘等凝结核，因此云量比郊区为多，城市中及其下风方向的降水量也比其他地区为多。另外，城市中由于大量使用能源，向大气中排放出许多二氧化硫和氧化氮，它们在一系列复杂的化学反应下，形成硫酸和硝酸，通过成雨过程和冲刷过程成为酸雨降落。酸雨可导致土壤贫瘠，森林生长速率减慢，微生

26、物活动受到抑制，对鱼类生存构成威胁，刺激人的咽喉和眼睛，因此，防治酸雨是刻不容缓的任务。,附：精确农业（精准农业）,所谓“精确农业”（Precision Agriculture）， 指的是利用全球定位系统（GPS）、地理信息系统 （GIS）、连续数据采集传感器（CDS）、遥感 （RS）、变率处理设备（VRT）和决策支持系统 （DSS）等现代高新技术，获取农田小区作物产量和 影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物 营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间及时间 差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，并采取 技术上可行、经济上有效的调控措施，区域对待，按 需实施定位调控的“处方农业”。,

27、1. 精确农业概述精确农业（Precision Agriculture，简记PA）首先由美国农业工作者于20世纪九十年代初倡导并实施的。在国外，与Precision Agriculture意义相近的词有Precision Farming、Site-specific Agriculture (farming)、Site-specific Crop Management，Prescription Farming等等。相应地，国内也有不同译法，如精确农业、精细农业、精准农业、精细农作、定位农业、农作物定位管理和处方农作，等等，其内涵都是一致的。,精确农业的兴起有两个主要背景：一是可持续农业为世人所接受，二是全球定位系统、遥感、地理信息系统、人工智能等高新技术的产生或民用化。前