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第三章 温度第1页，共34页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 热量收支热量收支热量收支（交换）方式物质的热属性大气稳定度土壤、水和空气土壤、水和空气土壤、水和空气土壤、水和空气一般物质一般物质一般物质一般物质第2页，共34页，编辑于2022年，星期二 物体温度的高低变化，实质就是自身内能的变化。物体温度的高低变化，实质就是自身内能的变化。以大气温度变化为例，当空气获得热量时，内能增加，以大气温度变化为例，当空气获得热量时，内能增加，气温升高；相反，当气温升高；相反，当空气失去热量时，内能减少，气空气失去热量时，内能减少，气温下降。温下降。引起空气内能发生变化的原因有两种，即非绝热引起空气内能发生变化的原因有两种，即非绝热变化与绝热变化。变化与绝热变化。一、一、一、热量收支（交换）方式一、热量收支（交换）方式第3页，共34页，编辑于2022年，星期二 一块空气有热量的收入或支出时，可以引起温度变化。但一块空气有热量的收入或支出时，可以引起温度变化。但是，如果不与外界交换热量，仅由空气本身的体积变化是，如果不与外界交换热量，仅由空气本身的体积变化(由外界由外界压力的变化对空气做功），根据热力学第一定律压力的变化对空气做功），根据热力学第一定律dQ=dU+dW,dQ=dU+dW,也会也会引起这块空气温度的改变。引起这块空气温度的改变。空气块在与周围环境不发生热量交换的情况下（空气块在与周围环境不发生热量交换的情况下（绝热绝热条件）条件）的温度变化，叫的温度变化，叫绝热变化绝热变化。相应的过程即为绝热过程。相应的过程即为绝热过程。（一）空气的绝热变化（一）空气的绝热变化第4页，共34页，编辑于2022年，星期二1 1 1 1、空气绝热变化的结果、空气绝热变化的结果、空气绝热变化的结果、空气绝热变化的结果 气象学上，在大气中作垂直运动的空气团，其状态通气象学上，在大气中作垂直运动的空气团，其状态通常接近于绝热过程。常接近于绝热过程。绝热冷却：绝热冷却：空气团上升，外界压力减小，气团体积膨大对外做功，因是绝热过程，与外界无热量交换，所以对外做功的能量只能由其本身的内能来承担，空气团因消耗内能而降温。绝热增温：绝热增温：空气团下降，外界压力增大，气团被压缩，外界对气团做功，因是绝热过程，与外界无热量交换，所以所做的功只能用于增加气团的内能，空气团因内能增加而升温。第5页，共34页，编辑于2022年，星期二（1 1）干绝热变化干绝热变化 干空气或未饱和湿空气干空气或未饱和湿空气(没有水汽凝结没有水汽凝结)在垂直运动过在垂直运动过程中温度的绝热变化称为干绝热变化。程中温度的绝热变化称为干绝热变化。干绝热升降引起的温度随高度的变化率，称为干绝热直干绝热升降引起的温度随高度的变化率，称为干绝热直减率。据计算，减率。据计算，=0.98/100m=0.98/100m，实际工作中取，实际工作中取=1/100m=1/100m。（2 2）湿绝热变化）湿绝热变化 饱和的湿空气（在上升和下降时空气都维持饱和状态），饱和的湿空气（在上升和下降时空气都维持饱和状态），温度的绝热变化称为湿绝热变化。其温度变化率称为湿绝热直温度的绝热变化称为湿绝热变化。其温度变化率称为湿绝热直减率，用减率，用mm表示，均值为表示，均值为0.5/100m0.5/100m。2 2、空气绝热变化的类型、空气绝热变化的类型第6页，共34页，编辑于2022年，星期二 饱和空气垂直运动时，温度随高度的变化是由饱和空气垂直运动时，温度随高度的变化是由两种作用引起的：一种是由气压变化引起的，另一两种作用引起的：一种是由气压变化引起的，另一种是由水相变化导致潜热释放引起的。种是由水相变化导致潜热释放引起的。当空气上升时，气压变小，气体绝热对外做功，当空气上升时，气压变小，气体绝热对外做功，内能消耗使温度降低，但温度降低后，饱和水汽压减内能消耗使温度降低，但温度降低后，饱和水汽压减小，水汽会凝结，放出热量，使温度升高；当空气下小，水汽会凝结，放出热量，使温度升高；当空气下降时，气压使温度升高，但水分蒸发使温度降低。降时，气压使温度升高，但水分蒸发使温度降低。这两种过程这两种过程相互抵消相互抵消，使得有水汽凝结（蒸发），使得有水汽凝结（蒸发）时，空气的升降所引起的温度变化幅度要比没有水时，空气的升降所引起的温度变化幅度要比没有水汽凝结（蒸发）时小。因此，一汽凝结（蒸发）时小。因此，一般情况下，般情况下，。第7页，共34页，编辑于2022年，星期二平流(流体水平方向上的流动)对流(流体垂直方向上的流动)辐射辐射 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。流体的各向流动流体的各向流动 （二二）空空气气的的非非绝绝热热变变化化分子传导分子传导 乱流乱流 潜热交换潜热交换 第8页，共34页，编辑于2022年，星期二二、大气稳定度二、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 假如有一块空气受外力假如有一块空气受外力作用，产生垂直运动，当外作用，产生垂直运动，当外力除去后，可能出现三种情力除去后，可能出现三种情况：况：若气块逐渐减速，趋若气块逐渐减速，趋向于回到原位，则大气是稳向于回到原位，则大气是稳定的；定的；若气块仍按原方向若气块仍按原方向加速运动，则大气是不稳定加速运动，则大气是不稳定的；的；若气块既没回到原位，若气块既没回到原位，又无继续加速向前的趋势，又无继续加速向前的趋势，而是保持原有运动状态，则而是保持原有运动状态，则大气是中性的。大气是中性的。大气稳定度是表示大气稳定度是表示大气层结大气层结(温度和湿度温度和湿度垂直分布垂直分布)对气块能否对气块能否产生对流的一种潜在能产生对流的一种潜在能力的度量。力的度量。必需注意，它并不必需注意，它并不是表示气层中已经存在是表示气层中已经存在的垂直运动，而是用来的垂直运动，而是用来描述大气层结对于气块描述大气层结对于气块在受外力扰动而产生垂在受外力扰动而产生垂直运动时，会起什么影直运动时，会起什么影响响(加速、减速或等匀加速、减速或等匀速速)。第9页，共34页，编辑于2022年，星期二第10页，共34页，编辑于2022年，星期二结结 论论1.愈大，大气愈不稳定；愈大，大气愈不稳定；愈小，大气愈稳定。愈小，大气愈稳定。2.当当 m时，必然时，必然 d 时，必然时，必然 m，无论空气是否达到饱和，大，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。气总是处于不稳定状态，因而称为绝对不稳定。3.当当 d m时，对于饱和空气来说，大气是处于不稳时，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。的。这种情况称为条件不稳定。第11页，共34页，编辑于2022年，星期二三、物质的热属性热容量热导率热扩散率热导率与容积热容量之比可作为物质发生温度变化的指标，称热扩散率(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(Cm)的关系：Cv=Cm 当温度垂直梯度为1 /m，单位时间通过单位水平截面积所传递的热量，称为热导率(焦厘米-1度-1 秒-1)。热导率()表示物质输送热量的能力。第12页，共34页，编辑于2022年，星期二容积热容量土土壤壤温温度度的的变变化化含水量 孔隙度热导率热扩散率水气的比例 （湿度）（/C）第13页，共34页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 地面和土壤的温度地面和土壤的温度一、地面热量的收支一、地面热量的收支二、土温的变化二、土温的变化三、影响土温变化的主要因素三、影响土温变化的主要因素第14页，共34页，编辑于2022年，星期二一、地面热量收支（平衡）一、地面热量收支（平衡）（一）活动层和活动面（一）活动层和活动面 活动层：活动层：指能够调节自身内部及相邻其他物质的辐射、热量、水分等的物质层（土体）。活动面：活动面：凡是辐射能、热能和水分交换最活跃，从而能调节邻近气层（或土层）的辐射收支、温度高低、湿度大小的物质面，称活动面（土表）。第15页，共34页，编辑于2022年，星期二辐射差额辐射差额(R)（二）地面热量收支地面与下层地面与下层的热量交换的热量交换(B)潜热潜热(LE)地面与近地地面与近地气层的热量气层的热量交换交换(P)R P B LE Q第16页，共34页，编辑于2022年，星期二（一）土壤温度（一）土壤温度的时间变化的时间变化（三）影响土温变化（三）影响土温变化的因素及调控的因素及调控（二）土壤温度（二）土壤温度的垂直分布的垂直分布二、土壤温度的变化二、土壤温度的变化第17页，共34页，编辑于2022年，星期二日日变化变化（一一）土土壤壤温温度度的的时时间间变变化化年变化年变化 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）。第18页，共34页，编辑于2022年，星期二第19页，共34页，编辑于2022年，星期二以以19时为代表，此时为代表，此时上层是辐射型，下时上层是辐射型，下层是日射型层是日射型辐射型：辐射型：（二二）土土壤壤温温度度的的垂垂直直分分布布以以01时为代表，土温时为代表，土温随深度增加而升高，随深度增加而升高，热量由下向上输送热量由下向上输送日射型：日射型：清晨转变型：清晨转变型：傍晚转变型：傍晚转变型：以以09时为代表，此时为代表，此时时5厘米以上是日射厘米以上是日射型，以下是辐射型型，以下是辐射型以以13时为代表，土时为代表，土温随深度增加而降低，温随深度增加而降低，热量由上向下输送热量由上向下输送第20页，共34页，编辑于2022年，星期二第21页，共34页，编辑于2022年，星期二（三）影响土温变化的因素（三）影响土温变化的因素 1、太阳高度角、太阳高度角 凡是正午时刻太阳高度角大的季节和地区，凡是正午时刻太阳高度角大的季节和地区，太阳辐射的日变化也就大，因而日较差也就大。太阳辐射的日变化也就大，因而日较差也就大。2、纬度、纬度 日较差随纬度的增高而减小，年较差随纬度日较差随纬度的增高而减小，年较差随纬度的增高而增大。的增高而增大。3、土壤热特性（热容量、热导率）、土壤热特性（热容量、热导率）含水量含水量 机械组成机械组成 有机质有机质 4、土壤颜色、土壤颜色 深深 浅浅 5、土壤的机械组成及有机质、土壤的机械组成及有机质 6、地面覆盖物、地面覆盖物 植被类型植被类型 裸露与否裸露与否 7、地形、地形 凹地与凸地凹地与凸地 8、天气、天气 阴天与晴天阴天与晴天 多云与少云多云与少云第22页，共34页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 空气的温度变化空气的温度变化一、空气温度的变化（时间变化、空间分布）二、大气中的逆温二、大气中的逆温第23页，共34页，编辑于2022年，星期二近地层气温的近地层气温的近地层气温的近地层气温的日日日日变化变化变化变化（一一）空空气气温温度度的的时时间间变变化化近地层气温近地层气温近地层气温近地层气温的年变化的年变化的年变化的年变化 一天中，最高气温出现在14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）和天气状况（晴阴）。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）、距海远近及地形和天气状况等。近地层气温的近地层气温的近地层气温的近地层气温的非周期性变化非周期性变化非周期性变化非周期性变化第24页，共34页，编辑于2022年，星期二（二）气温的空间变化（二）气温的空间变化1、近地层气温的垂直分布2、对流层气温的垂直变化第25页，共34页，编辑于2022年，星期二1、近地层气温的垂直分布、近地层气温的垂直分布日射型日射型 气温随高度增加而降低，以12时为代表。辐射型辐射型 气温随高度增加而增加，以0时为代表。上午转变型上午转变型 下部为日射型，上部为辐射型，以 6时为代表。傍晚转变型傍晚转变型 下层为辐射型，上层为日射型，以 18时为代表。第26页，共34页，编辑于2022年，星期二2 2、对流层气温的垂直变化、对流层气温的垂直变化（1）气温垂直梯度 气温随高度变化的程度，是用单位高度内气温的气温随高度变化的程度，是用单位高度内气温的变化值，即气温垂直梯度来表示，又称气温直减率。变化值，即气温垂直梯度来表示，又称气温直减率。常用常用 表示，即表示，即 在对流层中在对流层中 平均为平均为0.65/hm 当气温直减率大于当气温直减率大于0，气温随高度增加而降低；当气温直减率，气温随高度增加而降低；当气温直减率小于小于0，气温随高度增加而增加。气温直减率的绝对值大小，表，气温随高度增加而增加。气温直减率的绝对值大小，表示气温随高度变化的程度。示气温随高度变化的程度。第27页，共34页，编辑于2022年，星期二（2 2）对流层中的逆温现象）对流层中的逆温现象 在特定条件下，对流层的气温出现随高度的增高而升高的现象，这就叫逆温。一旦发生逆温后，大气处于稳定状态，阻止了空气垂直运动向上发展，因此逆温层下部会聚集较多的空气杂质，加重空气污染，降低大气能见度。逆温按形成原因可分为辐射逆温、平流逆温、下沉逆温、锋面逆温等第28页，共34页，编辑于2022年，星期二（a a）辐射逆温）辐射逆温 由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温。多发生在晴朗无云或少云的夜晚，日出后，随着太阳辐射的逐渐加强，逆温层自下而上消失。冬季，山谷或盆地的辐射逆温强，可持续数天不消失。（b b）平流逆温）平流逆温 当暖空气平流到冷的地面或冷的水面时形成的逆温。第29页，共34页，编辑于2022年，星期二第四节第四节 温度与农业温度与农业气温与农业生产的关系土温与农业生产的关系调节温度的农业措施第30页，共34页，编辑于2022年，星期二一、气温与农业生产的关系一、气温与农业生产的关系1 1、与农业相关的温度、与农业相关的温度（1）三基点温度/五基点温度 最适温度、最低温度、最高温度、最高致死温度、最低致死温度 不同作物有不同的三基点温度，同一作物在不同的生育阶段也有不同的三基点温度（2）农业界限温度 具有普遍意义的，标志某些重要物候现象或农事活动的开始、终止或转折的温度。第31页，共34页，编辑于2022年，星期二2 2、积温及其对作物生长发育的影响、积温及其对作物生长发育的影响 某一时段内逐日平均气温累积之和称为积温。积温是研究作物生长、发育对热量的要求和评价热量资源的一种指标。活动温度：活动温度：高于作物生长下限温度的日平均温度；有效温度：有效温度：日平均温度与作物生长下限温度的差值 积温学说的局限性：积温学说的局限性：只考虑了温度，没考虑其他气象因素；没有剔除超过或低于三基点温度上下限的温度；没有考虑最高（低）温度对作物的影响；部分作物（感光性强的）的生长发育更多取决于光照而非温度3 3、逆温在农业生产中的应用、逆温在农业生产中的应用 利用逆温防霜冻、喷药、山区作物布局第32页，共34页，编辑于2022年，星期二二、土温与农业的关系二、土温与农业的关系1、土温与种子发芽出苗的关系2、土温对根系生长的影响3、土温对块根和块茎形成的影响4、土温对作物吸收养分、水分的影响5、土温对土壤昆虫的影响三、调节温度的措施三、调节温度的措施常用的农业措施主要有灌水、松土、垄作等第33页，共34页，编辑于2022年，星期二 某个水稻品种从播种到出苗的生物学下限温度为某个水稻品种从播种到出苗的生物学下限温度为12.012.0，播种，播种8 8天后出苗，这天后出苗，这8 8天的日平均气温分别为：天的日平均气温分别为：12.512.5、11.511.5、12.512.5、13.613.6、14.614.6、15.015.0、15.615.6、14.014.0。求该品种从播种到出苗的活动积温。求该品种从播种到出苗的活动积温和有效积温。和有效积温。活动积温：12.5+12.5+13.6+14.6+15.0+15.6+14.0=97.8有效积温：（12.5-12）+（12.5-12）+（13.6-12）+（14.6-12）+（15.0-12）+（15.6-12）+（14.0-12）=13.8 第34页，共34页，编辑于2022年，星期二