農 業(yè) 氣 象 學 2 農 學 專 業(yè) 2011級 第 2章 溫 度 2.1熱 量 交 換 方 式 2.2土 壤 溫 度 2.3水 層 溫 度 2.4空 氣 溫 度 2.5溫 度 與 農 業(yè) 生 產 2.1熱 量 交 換 方 式 地 球 表 面 接 受 太 陽 輻 射 能 ， 在 下 墊 面 本 身 、 下 墊 面 和 空 氣 、空 氣 層 之 間 ， 進 行 多 種 形 式 的 熱 量 交 換 ， 使 地 面 溫 度 、 下 層 土 壤溫 度 、 大 氣 溫 度 發(fā) 生 變 化 。 主 要 的 熱 量 交 換 方 式 有 ：一 、 分 子 熱 傳 導 以 分 子 運 動 來 傳 遞 熱 量 的 過 程 稱 為 分 子 熱 傳 導 。 在 土 壤 層 中 ， 熱 量 交 換 是 由 分 子 熱 傳 導 形 式 完 成 的 。 分 子 熱傳 導 過 程 的 強 弱 對 土 壤 層 內 熱 狀 況 的 形 成 有 著 重 要 意 義 。 空 氣 是 熱 的 不 良 導 體 ， 空 氣 分 子 導 熱 率 很 小 ， 因 而 由 傳 導 方式 進 行 的 熱 量 轉 移 比 其 他 方 式 要 少 得 多 ， 多 數 情 況 下 是 可 以忽 略 不 計 的 。 三 、 對 流 空 氣 在 垂 直 方 向 上 大 規(guī) 模 的 、 有 規(guī) 律 的 升 降 運 動稱 為 對 流 。 根 據 其 形 成 原 因 可 分 為 如 下 兩 種 ： 熱 力 對 流 （ 自 由 對 流 ）形 成 原 因 ： 由 熱 力 原 因 引 起 的 對 流 。熱 力 對 流 發(fā) 生 在 低 層 氣 溫 劇 烈 增 高 或 高 層 空 氣 冷 卻時 ， 此 時 上 下 層 氣 溫 差 異 加 大 ， 造 成 低 層 空 氣 密 度較 小 ， 高 層 空 氣 密 度 較 大 ， 高 層 的 冷 空 氣 下 沉 ， 低層 的 暖 空 氣 上 升 ， 形 成 空 氣 的 不 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。熱 力 對 流 的 空 氣 升 降 速 度 快 ， 多 在 10 m s左 右 ， 但它 的 水 平 尺 度 小 ， 多 在 0.1 50 km之 間 ， 是 中 低 緯度 溫 暖 季 節(jié) 經 常 發(fā) 生 的 天 氣 運 動 現(xiàn) 象 。 動 力 對 流 （ 強 迫 對 流 ）形 成 原 因 ： 有 動 力 原 因 形 成 的 對 流當 空 氣 水 平 流 動 遇 到 山 脈 等 障 礙 物 時 被 迫 抬 升 ， 或 者 因受 其 他 外 力 作 用 強 迫 抬 升 時 發(fā) 生 的 空 氣 流 動 現(xiàn) 象 。動 力 對 流 的 升 降 速 度 慢 ， 一 般 在 0.1 10 cm s之 間 ，但 水 平 范 圍 廣 ， 可 達 到 幾 百 至 幾 千 千 米 。 大 氣 中 的 對 流 多 數 是 由 熱 力 原 因 和 動 力 原 因 共 同 引起 的 。對 流 的 結 果 使 上 下 層 空 氣 混 合 ， 并 發(fā) 生 熱 量 交 換 。不 同 的 對 流 運 動 帶 來 不 同 的 天 氣 、 氣 候 特 征 。一 般 在 夏 季 及 午 后 空 氣 對 流 較 強 ， 冬 季 及 清 晨 較 弱 。對 流 運 動 是 地 面 和 低 層 大 氣 的 熱 量 向 高 層 傳 遞 的 重 要方 式 。 四 、 平 流 空 氣 大 規(guī) 模 的 水 平 運 動 稱 為 平 流 。 冷 平 流 ： 空 氣 經 常 大 規(guī) 模 地 在 水 平 方 向 上 流 動 著 ， 當冷 空 氣 流 經 暖 的 區(qū) 域 時 ， 可 便 當 地 溫 度 下 降 ，稱 之 為 冷 平 流 ； 暖 平 流 ： 當 暖 空 氣 流 經 冷 的 區(qū) 域 時 ， 可 使 該 區(qū) 域 的 溫度 升 高 ， 稱 之 為 暖 平 流 。 平 流 運 動 對 緩 和 地 區(qū) 之 間 和 緯 度 之 間 的 溫 度差 異 有 很 大 作 用 ， 是 水 平 方 向 上 熱 量 交 換 的 主要 方 式 。 五 、 亂 流 （ 湍 流 ） 因 為 地 面 受 熱 不 均 勻 ， 或 者 空 氣 沿 一 粗 糙 不 平 的 下墊 面 移 動 時 ， 常 出 現(xiàn) 一 種 小 規(guī) 模 的 、 無 規(guī) 則 的 升 降氣 流 或 空 氣 的 渦 旋 運 動 ， 這 種 空 氣 的 不 規(guī) 則 運 動 稱為 湍 流 ， 習 慣 上 常 叫 亂 流 。 亂 流 可 使 空 氣 在 各 個 方 向 得 到 充 分 混 合 ， 并 伴 隨 著熱 量 的 交 換 。 與 對 流 相 比 ， 亂 流 的 規(guī) 模 較 小 ， 但 它更 具 有 普 遍 性 。 亂 流 對 緩 和 貼 地 氣 層 的 溫 度 變 化 起 著 十 分 重 要 的 作用 ， 是 地 面 和 空 氣 、 空 氣 和 空 氣 之 間 熱 量 交 換 的 重要 方 式 之 一 。 六 、 潛 熱 交 換 下 墊 面 受 熱 后 ， 因 水 分 蒸 發(fā) (升 華 )而 消 耗 熱 量 ，使 地 面 溫 度 降 低 ， 這 部 分 熱 量 在 大 氣 中 凝 結 (或 凝華 )釋 放 出 來 ， 使 氣 溫 增 加 ， 氣 象 學 上 把 因 水 的 相態(tài) 變 化 而 引 起 的 熱 量 轉 移 稱 為 潛 熱 。 潛 熱 交 換 不 僅 在 地 面 與 空 氣 間 進 行 ， 也 可 在 空 氣 與空 氣 之 間 進 行 。 大 氣 中 水 的 潛 熱 釋 放 是 中 小 尺 度 天 氣 系 統(tǒng) 發(fā) 生 、 發(fā)展 的 一 種 主 要 能 源 。 潛 熱 交 換 方 式 對 于 下 墊 面 和 空 氣 溫 度 變 化 都 有 直 接影 響 。 2.2 一 、 地 表 層 熱 量 平 衡 地 表 溫 度 的 升 高 或 降 低 ， 均 是 由 地 表 熱 量 收 支 狀 況 決 定的 。白 天 ， 地 表 收 入 的 能 量 多 于 支 出 的 能 量 ， 地 表 溫 度 升 高夜 間 ， 地 表 釋 放 的 熱 量 多 于 吸 收 的 熱 量 ， 地 表 溫 度 降 低若 收 支 平 衡 ， 則 地 表 溫 度 保 持 不 變 。 根 據 能 量 守 桓 原 理 ：地 表 層 熱 量 收 支 差 額 (熱 量 平 衡 ) 地 面 熱 量 收 入 一 地 面 熱 量支 出 地 表 層 的 熱 量 收 入 和 支 出 項 有 ：l R： 地 表 層 和 空 氣 間 以 輻 射 形 式 進 行 交 換 的 熱 通 量 項 （ 輻 射差 額 ） ； l P： 地 表 層 和 空 氣 間 以 湍 流 形 式 進 行 交 換 的 熱 通 量 項 ； 圖 2-1 地 面 熱 量 收 支 示 意 圖lB： 地 表 層 和 地 表 下 層 間 以 分 子 傳 導 形 式 進 行 交 換 的熱 通 量 項 ；lLE： 地 表 層 與 空 氣 間 以 潛 熱 形 式 進 行 交 換 的 熱 通 量項 。 白 天 ， 從 日 出 后 1小 時 到 日 落 前 1小 時 左 右 的 這 段 時 間 內 ，地 球 表 面 吸 收 的 太 陽 輻 射 大 于 地 面 有 效 輻 射 ， 輻 射 差 額R為 正 值 ，輻 射 差 額 轉 變 為 熱 能 ， 使 地 表 面 溫 度 增 加 于 是 地 表 層 開始 逐 漸 支 出 熱 量 ； 以 湍 流 方 式 進 入 空 氣 的 熱 通 量 P， 使空 氣 層 升 溫 ；以 分 子 傳 導 方 式 進 入 地 表 下 層 的 熱 通 量 B， 使 地 表 下 層 增溫 ； 以 潛 熱 方 式 進 人 空 氣 的 熱 通 量 LE， 使 氣 溫 升 高 。 夜 間 ， 從 日 落 前 1小 時 至 次 日 早 晨 日 出 后 1小 時 左 右 的 這段 時 間 ， 地 面 吸 收 的 太 陽 輻 射 小 于 地 面 有 效 輻 射 ， 輻 射差 額 R為 負 值 ， 于 是 地 面 開 始 逐 漸 失 去 熱 量 ， 使 地 表 面溫 度 降 低 ， 近 地 氣 層 和 地 表 下 層 分 別 以 湍 流 P和 分 子 傳導 B的 形 式 傳 遞 給 地 表 層 熱 通 量 ， 同 時 ， 近 地 層 水 汽 凝結 于 地 表 ， 以 潛 熱 LE形 式 傳 遞 給 地表 層 熱 通 量 。 可 見 ， 夜 間 的 各 項 收 入 和 支 出 與 白 天 正 好 相 反 ， 若規(guī) 定 ： 地表 層 得 到 熱 量 為 正 ， 失 去 熱 量 為 負 ， 則 可 寫 成 ： R=P+B+LE （ 2-1） (4-1)式 為 地 表 層 熱 量 平 衡 方 程 。 是 把 地 面 看 成 為 一 個幾 何 平 面 進 行 分 析 得 來 的 ， 實 際 上 土 壤 和 空 氣 ， 土 壤和 下 層 土 壤 之 間 的 能 量 交 換 是 在 一 定 的 土 壤 厚 度 間 進行 的 。 故 可 將 (2-1)式 的 B項 分 解 為 表 層 土 壤 的 熱 量 收支 Qs和 下 層 土 壤 的 熱 量 收 支 B之 和 (圖 4-2)， 則 (4-1)式 可 寫 成 ： Qs=R-P- B-LE （ 2-2） 圖 2-2 地 面 層 熱 量 收 支 示 意 圖 QS為 正 值 時 ， 地 表 層 得 熱 大 于 失 熱 ， 地 面 溫 度 上 升 ； QS為 負 值 時 ， 地 表 層 得 熱 小 于 失 熱 ， 地 面 溫 度 下 降 ； QS 0時 ， 地 表 層 得 熱 等 于 失 熱 ， 地 面 溫 度 最 高 或 最 低。 二 、 土 壤 的 熱 力 學 特 性 土 壤 的 熱 力 學 特 性 包 括 ： 熱 容 量 、 導 熱 率 、 導 溫 率 等 。（ 一 ） 熱 容 量 （ CV） 表 示 土 壤 容 納 熱 量 的 能 力 。 即 單 位 體 積 的 土 壤 ， 溫 度 變 化 1 時 所 吸 收 或 放 出 的熱 量 ，單 位 是 Jm-3 -1。 CV=C （ 2-3） 式 （ 4-3） 中 ， CV為 熱 容 量 ， C為 土 壤 的 比 熱 ， 即 單 位質 量 的土 壤 溫 度 變 化 1 所 吸 收 或 放 出 的 熱 量 ， 為 土 壤 密 度 ，即 單 位 體 積 土 壤 的 質 量 。 顯 然 地 ， 當 土 壤 失 去 或 獲 取 相 同 的 熱 量 時 ， 熱 容 量越 大 的 土 壤 ， 生 溫 或 降 溫 的 幅 度 越 小 。 改 變 土 壤 熱 容 量 的 主 要 因 素 ： 土 壤 水 分 土 壤 熱 容 量 隨 土 壤 濕 度 的 增 大 而 增 大 。 土 壤 空 隙 度 土 壤 熱 容 量 隨 土 壤 空 隙 度 的 增 大 而 減 小 。在 自 然 情 況 下 ， 單 位 體 積 土 壤 孔 隙 的 變 化 并 不 很 大 ，所 以 熱 容 量 的 改 變 ， 主 要 決 定 于 土 壤 孔 隙 中 水 分 的 改變 ， 也 就 是 說 主 要 決 定 于 土 壤 濕 度 。土 壤 的 孔 隙 度 可 以 人 為 地 改 變 。 例 如 ， 翻 犁 土 壤 可 使孔 隙 度 增 大 ； 鎮(zhèn) 壓 使 空 隙 度 減 小 。 （ 二 ） 導 熱 率 （ ） 表 示 土 壤 傳 遞 熱 量 的 能 力 。 土 壤 的 導 熱 率 也 稱 熱 導 率 或 導 熱 系 數 ， 是 指 單 位厚 度 (1m)內 溫 度 相 差 1 時 ， 在 單 位 截 面 的 土 壤 ， 每 秒 鐘 所 通過 的 熱 量 。單 位 是 Jm-1s-1 -1或 寫 為 Wm-1K-1。 導 熱 率 的 大 小 ， 也 決 定 于 土 壤 的 組 成 成 分 和 組 成比 例 。 從 表 2-1可 以 看 出 ， 土 壤 空 氣 的 導 熱 率 最 小 ； 土 壤固 體 成 分 導 熱 率 最 大 ； 土 壤 水 分 的 導 熱 率 居 中 ， 但比 空 氣 的 導 熱 率 大 20余 倍 。 圖 2-3土 壤 空 隙 度 對 土 壤 導 熱 率 的 影 響 土 壤 的 固 體 成 分 一 般 是 不 變 的 。 因 此 ， 土 壤 濕 度 增加 時 ， 土 壤 導 熱 率 變 大 ； 土 壤 空 氣 多 ， 孔 隙 度 大 ，土 壤 導 效 率 變 小 。 顯 然 ， 土 壤 導 熱 率 隨 土 壤 的 濕 度 和 孔 隙 度 的 不 同而 變 化 (圖 4-3)。 土 壤 中 有 機 質 含 量 也 影 響 導 熱 率 ， 有 機 質 含 量 多 ， 導熱 率 變 小 。 土 壤 熱 通 量 ： 單 位 時 間 內 通 過 單 位 面 積 的 熱 量 稱 為 土 壤 熱 通 量 。 單位 是 Jm-2s-1或 J m-2。 它 與 土 壤 垂 直 梯 度 成 正 比 ， 則寫 成 ： （ 2-4） （ 三 ） 導 溫 率 （ K） 表 示 土 壤 傳 遞 溫 度 和 消 除 層 次 間 溫 度 差 異 的 能 力 。 導 溫率 是 土 壤 的 導 熱 率 A與 其 熱 容 量 Cv的 比 值 。 其 定 義 為 ：單 位 體 積 的 土 壤 ， 由 于 流 人 (或 流 出 )數 量 為 A的 熱 量 后 ，溫 度 升 高 (或 降 低 )的 數 值 ， 單 位 為 m2s-1， 可 用 下 式 表達 ： （ 2-5） 在 其 它 條 件 相 同 時 ， 物 體 導 溫 率 越 大 ， 溫 度 傳 播 速 度越 快 ， 溫 度 變 化 所 及 深 度 越 深 ， 各 深 度 溫 度 差 異 能 很 快消 除 。 由 表 4-1可 知 ， 導 溫 率 最 大 的 是 空 氣 ， 空 氣 的 導 溫 率比 水 大 百 倍 、 比 土 壤 固 體 顆 粒 大 幾 十 倍 。 因 此 ， 過 濕的 沼 澤 土 壤 ， 熱 力 特 性 極 為 不 好 ， 導 溫 性 很 差 。 由 公 式 (2-5)可 知 ， 導 溫 率 與 導 熱 率 大 小 成 正 比 ， 與 熱容 量 成 反 比 。 土 壤 導 溫 率 直 接 決 定 著 土 壤 溫 度 的 垂 直 分 布 及 最 高 、最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 間 。 在 其 他 條 件 相 同 時 ， 導 溫 率 越大 ， 其 表 面 溫 度 變 化 越 小 ， 土 壤 內 溫 度 變 化 則 越 大 。同 時 ， 土 壤 溫 度 變 化 所 及 的 深 度 也 越 深 ， 各 深 度 和 地表 面 在 最 高 和 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 間 相 比 較 ， 就 落 后 得也 越 少 。 三 、 土 壤 中 熱 量 的 傳 遞 白 天 ， 土 壤 表 面 由 于 吸 收 太 陽 輻 射 而 增 溫 ， 并 通 過 分子 熱 傳 導 向 深 處 傳 遞 熱 量 ； 夜 間 ， 土 壤 表 面 因 有 效 輻 射 而 首 先 冷 卻 ， 熱 量 便 從 土壤 深 處 向 上 輸 送 。 因 此 ， 土 壤 溫 度 的 變 化 首 先 從 土 壤 表 面 開 始 ， 然 后逐 漸 影 響 深 層 土 壤 溫 度 的 變 化 ， 其 變 化 幅 度 隨 深 度 的增 加 而 減 少 ， 而 且 最 高 、 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 間 也 隨 土壤 深 度 增 加 愈 來 愈 推 后 。 土 壤 中 熱 量 傳 遞 的 數 量 與 快 慢 還 與 土 壤 的 熱 特 性 有 關。 四 、 土 壤 溫 度 的 日 、 年 變 化 溫 度 日 、 年 變 化 的 特 征 通 常 是 用 “ 較 差 ” 和 “ 極 值 出現(xiàn) 時 刻 ” 來 描 述 。較 差 ： 即 振 幅 。極 值 出 現(xiàn) 時 刻 ： 是 指 最 高 溫 度 或 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 刻 。（ 一 ） 土 壤 表 面 溫 度 的 日 變 化 最 高 溫 度 ： 土 壤 表 面 的 最 高 溫 度 出 現(xiàn) 在 13時 左 右 。 正 午 以 后 ， 太 陽 輻 射 雖 然 逐 漸 減 弱 ， 即 土 壤 表 面 的 熱 量差 額 為 正 值 ， 所 以 溫 度 仍 繼 續(xù) 上 升 。 到 13時 左 右 ， 熱 量收 支 才 達 到 平 衡 (Q s 0)， 之 后 ， 熱 量 差 額 為 負 值 ， 溫度 逐 漸 下 降 。 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 在 將 近 日 出 的 時 候 ， 即 地 表 面 熱 量 差 額 由 負值 轉 為 正 值 的 平 衡 時 刻 。 土 壤 溫 度 日 較 差 一 天 中 ， 土 壤 的 最 高 溫 度 與 最 低 溫 度 之 差 ， 稱 土壤 溫 度 日 較 差 。 土 壤 表 面 溫 度 日 較 差 的 大 小 與 土 壤 表 面 的 熱 量 收支 和 土 壤 的 熱 特 性 有 關 ， 與 季 節(jié) 、 緯 度 、 地 形 、 土壤 顏 色 、 土 壤 自 然 覆 蓋 以 及 天 氣 條 件 等 也 有 關 系 。 太 陽 高 度 角 太 陽 高 度 角 的 大 小 決 定 地 面 接 受 太 陽 輻 射 的 多 少 。 中 午 太 陽 高 度 角 大 的 季 節(jié) 和 地 區(qū) 白 天 接 受 很 多 太 陽 輻射 ， 夜 間 以 有 效 輻 射 方 式 支 出 熱 量 ， 地 面 輻 射 差 額 的 日變 化 大 ， 因 而 土 壤 表 面 溫 度 的 日 較 差 也 大 。 反 之 ， 則 小。地 形 地 形 主 要 是 影 響 空 氣 亂 流 熱 交 換 。 亂 流 的 強 弱 決 定 丁 地 面 和 空 氣 間 熱 量 變 抉 的 多 少 。 與平 地 相 比 ， 凸 地 由 于 通 風 良 好 ， 亂 流 交 換 旺 盛 ， 白 天 地面 溫 度 不 易 升 高 ， 夜 間 地 面 溫 度 不 易 降 低 ， 因 而 凸 地 形的 土 壤 溫 度 日 較 差 比 平 地 形 的 小 ； 凹 地 形 則 相 反 ， 土 壤溫 度 日 較 差 較 大 。 下 墊 面 顏 色 土 壤 的 顏 色 差 異 主 要 影 響 土 壤 的 反 射 率 。 反 射 率 不同 ， 土 壤 吸 收 的 太 陽 輻 射 也 不 同 。 一 般 是 深 色 土 壤 表 面 的 日 較 差 比 淺 色 土 壤 的 大 些 。導 熱 率 導 熱 率 大 的 土 壤 溫 度 日 較 差 小 ； 導 熱 率 小 的 土 壤 ，溫 度 日 較 差 則 大 。熱 容 量 熱 容 量 大 的 土 壤 ， 溫 度 日 較 差 小 ， 熱 容 量 小 的 土 壤， 溫 度 日 較 差 大 。天 氣 天 氣 對 土 壤 溫 度 日 較 差 也 有 一 定 的 影 響 。 （ 二 ） 土 壤 溫 度 的 年 變 化 土 壤 表 面 溫 度 的 年 變 化 主 要 與 地 面 接 受 的 太 陽 輻 射年 變 化 有 關 。 在 北 半 球 的 中 、 高 緯 度 地 區(qū) ， 土 壤 表 面 月 平 均 最 高 溫度 出 現(xiàn) 在 七 八 月 份 ； 月 平 均 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 在 一 二 月 份。 它 們 分 別 落 后 于 太 陽 輻 射 最 強 (夏 至 )和 最 弱 (冬 至 )的 月 份 。 赤 道 附 近 一 年 中 太 陽 直 射 兩 次 ， 因 此 土 壤 表 面 的 溫 度年 變 化 也 有 兩 個 起 伏 ， 月 平 均 最 高 溫 度 分 別 出 現(xiàn) 在 春分 和 秋 分 之 后 ； 月 平 均 最 低 溫 度 分 別 出 現(xiàn) 在 夏 至 和 冬至 以 后 。 土 溫 年 較 差 一 年 中 ， 土 壤 最 高 月 平 均 溫 度 與 最 低 月 平 均 溫 度 之差 ， 稱 為 土 溫 年 較 差 。土 壤 溫 度 年 較 差 的 大 小 與 緯 度 、 地 表 狀 況 、 天 氣 等 因子 密 切 相 關 。土 壤 溫 度 的 年 較 差 隨 緯 度 增 高 而 增 大 ， 與 日 較 差 卻 相反 (表 2-2)。 這 是 由 于 太 陽 輻 射 的 年 變 化 是 隨 緯 度 增 高而 增 大 的 緣 故 。其 他 因 子 對 年 較 差 的 影 響 與 日 較 差 大 體 相 同 。隨 著 土 壤 深 度 的 增 加 而 減 小 ， 至 一 定 的 深 度 時 ， 年 較差 為 零 ， 即 土 溫 在 全 年 溫 度 不 變 。 在 這 個 深 度 及 其 以下 的 層 次 叫 常 年 恒 溫 不 變 層 ， 簡 稱 常 溫 層 。 表 2-2 不 同 緯 度 地 面 溫 度 年 較 差 四 、 土 壤 溫 度 的 垂 直 分 布 類 型 由 于 土 壤 中 各 層 熱 量 在 太 陽 輻 射 的 作 用 下 ， 晝 夜 不停 地 進 行 交 換 ， 使 得 土 壤 溫 度 的 垂 直 分 布 具 有 一 定 特點 。 根 據 土 溫 觀 測 資 料 ， 土 壤 溫 度 的 垂 直 分 布 可 歸 納 為三 種 類 型 ， 日 射 型 、 輻 射 型 、 過 渡 型 。 日 射 型土 壤 溫 度 隨 深 度 的 增 加 而 降 低 的 類 型 。一 般 出 現(xiàn) 在 白 天 和 夏 季 ， 是 由 土 壤 表 面 首 先 增 熱 造 成的 ， 熱 量 由 地 表 向 下 層 傳 遞 。以 一 日 中 13時 和 一 年 中 的 7月 份 的 土 壤 濕 度 垂 直 分 布為 代 表 。 圖 4-4 一 日 中 土 溫 的 垂 直 分 布 圖 4-5 一 年 中 土 溫 的 垂 直 分 布 輻 射 型 土 壤 溫 度 隨 深 度 的 增 加 而 增 加 的 類 型 。一 般 出 現(xiàn) 在 夜 間 和 冬 季 ， 是 由 土 壤 表 面 首 先 冷 卻 造 成的 ， 熱 量 由 下 層 向 地 表 傳 遞 。以 一 日 中 01時 和 一 年 中 的 1月 份 的 土 壤 溫 度 垂 直 分 布 為代 表 。 過 渡 型土 壤 上 、 下 層 溫 度 的 垂 直 分 布 分 別 具 有 日 射 型 和 輻 射型 的 特 征 。一 般 出 現(xiàn) 于 晝 與 夜 (或 冬 與 夏 )間 的 過 渡 時 期 。一 天 中 有 清 晨 過 渡 型 (圖 4-4中 09時 )和 傍 晚 過 渡 型 (圖 4-4中 19時 )， 一 年 中 有 春 季 過 渡 型 (圖 4-5中 4月 )和 秋 季 過渡 型 (圖 4-5中 10月 )。 六 、 土 壤 的 凍 結 與 解 凍 土 壤 凍 結 土 壤 凍 結 ： 土 壤 溫 度 達 0 以 下 時 ， 土 壤 中 水 分 與 潮濕 土 粒 發(fā) 生 凝 固 或 結 冰 ， 使 土 壤 變 得 堅 硬 的 現(xiàn) 象 。 凍 土 ： 凍 結 后 的 土 壤 稱 為 凍 土 。 土 壤 水 中 含 有 鹽 類 ， 必 須 在 0 以 下 才 會 結 冰 。土 壤 大 孔 隙 中 的 水 分 在 溫 度 稍 低 于 0 時 結 冰 ， 毛 管中 的 水 則 在 溫 度 更 低 時 結 冰 。影 響 土 壤 凍 結 深 度 的 條 件 有 積 雪 覆 蓋 、 植 被 狀 況 、 冬季 天 氣 條 件 、 土 壤 濕 度 、 土 壤 結 構 、 地 勢 等 。 l冬 季 嚴 寒 的 地 區(qū) 土 壤 凍 結 深 。l積 雪 覆 蓋 和 植 被 可 使 土 壤 凍 結 較 淺 。l濕 度 大 的 土 壤 較 濕 度 小 的 土 壤 凍 結 較 淺 而 且 較 晚 。l砂 土 較 黏 土 凍 結 深 。l疏 松 的 土 壤 較 緊 實 的 土 壤 凍 結 深 。l高 地 較 低 地 凍 結 深 。 土 壤 解 凍 春 季 ， 地 面 熱 量 的 收 人 大 于 支 出 ， 地 表 獲 得 熱 量 而 增溫 ， 當 溫 度 上 升 到 零 度 以 上 時 ， 表 層 土 壤 開 始 融 化 ，這 種 過 程 稱 為 土 壤 解 凍 。土 壤 的 解 凍 不 單 是 從 上 向 下 一 個 方 向 進 行 ， 由 于 土 壤深 層 的 熱 量 向 上 傳 導 的 結 果 ， 也 使 凍 土 從 底 部 向 上 化凍 ， 它 們 是 雙 向 的 。土 壤 解 凍 過 程 隨 著 春 季 溫 度 的 波 動 而 變 化 ， 使 土 表 出現(xiàn) 時 凍 時 化 、 凍 融 交 替 的 情 況 ， 極 易 產 生 凍 拔 害 。 我 國 各 地 區(qū) 土 壤 凍 結 的 情 況我 國 凍 土 深 度 自 北 向 南 減 小 ， 東 北 地 區(qū) 凍 土 層 可 達3m以 上 ； 華 北 平 原 約 1m以 內 ； 西 北 地 區(qū) 1m以 上 ；長 江 流 域 及 西 南 部 分 地 區(qū) 不 超 過 5 ； 長 江 流 域 以 南很 少 有 土 壤 凍 結 。東 北 北 部 、 內 蒙 古 北 部 、 青 藏 高 原 等 地 區(qū) 凍 結 最 早， 越 往 南 ， 凍 結 日 期 越 遲 后 。依 據 我 國 的 凍 土 資 料 分 析 ， 可 粗 略 地 認 為 日 平 均 氣溫 -3 -5 為 10 cm土 層 開 始 凍 結 的 溫 度 指 標 。 七 、 土 溫 對 植 物 的 影 響土 溫 影 響 植 物 根 系 對 水 分 和 營 養(yǎng) 的 吸 收 。土 溫 影 響 塊 根 、 塊 莖 的 形 成 。土 溫 影 響 種 子 發(fā) 芽 、 出 苗 。土 溫 影 響 昆 蟲 的 發(fā) 生 。 2.3 二 、 水 面 溫 度 的 變 化 特 點 水 體 溫 度 的 日 較 差 、 年 較 差 都 比 土 壤 小 ， 這 與 水 面 凈輻 射 的 日 、 年 變 化 有 關 。一 天 中 ， 水 面 的 最 高 溫 度 出 現(xiàn) 在 15 16時 ， 最 低 溫 度出 現(xiàn) 在 日 出 后 的 2 3h后 ， 最 高 、 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 間都 比 土 壤 的 極 值 遲 后 2 3h。 水 面 的 溫 度 日 較 差 也 很 小。 一 年 中 ， 北 半 球 高 緯 度 地 區(qū) 水 面 月 最 高 溫 度 出 現(xiàn) 在 8月份 ， 月 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 在 2 3月 份 。大 洋 中 年 較 差 最 小 ， 熱 帶 是 2.0 4.0 ， 中 緯 度 為 5.08.0 ， 深 水 湖 和 內 海 面 的 溫 度 年 較 差 約 為 15 20 。 月最 高 溫 度 和 月 最 低 溫 度 出 現(xiàn) 的 時 間 大 約 是 每 深 入 60 m落 后 1個 月 。 2.4 （ 二 ） 氣 溫 的 年 變 化 氣 溫 年 較 差 ： 一 年 中 ， 最 熱 月 的 平 均 氣 溫 與 最 冷 月的 平 均 氣 溫 之 差 稱 為 氣 溫 年 較 差 。 影 響 氣 溫 年 變 化 的 因 子 有 ：緯 度 氣 溫 年 較 差 隨 緯 度 的 增 高 而 增 大 。距 海 遠 近 距 海 越 近 年 較 差 越 小 ， 距 海 越 遠 年 較 差 越 大 。地 形 與 海 拔 凸 起 地 形 年 較 差 小 于 凹 下 地 形 ； 氣 溫 年 較 差 隨 海 拔 升高 而 減 小 。天 氣 狀 況 云 量 和 降 水 的 影 響 。 表 2-3 緯 度 與 氣 溫 年 較 差 （ 三 ） 氣 溫 的 非 周 期 變 化 氣 溫 的 變 化 除 具 有 周 期 性 的 日 、 年 變 化 外 ， 還 有 非 周期 性 的 變 化 。 這 種 非 周 期 的 變 化 ， 往 往 是 由 于 大 規(guī) 模 的空 氣 水 平 運 動 （ 冷 暖 氣 團 ） 引 起 的 。在 中 、 高 緯 度 地 區(qū) ， 平 流 的 非 周 期 性 影 響 很 強 。倒 春 寒 與 秋 老 虎 ： 如 我 國 春 末 夏 初 氣 溫 回 暖 的 時 候 ， 如 有 西 伯 利 亞 冷 空氣 南 下 ， 就 會 使 氣 溫 大 幅 度 下 降 ， 24h內 可 降 溫 10 以上 ， 稱 為 “ 倒 春 寒 ” 。立 秋 以 后 ， 若 有 南 方 來 的 暖 空 氣 ， 可 出 現(xiàn) 氣 溫 陡 增 現(xiàn) 象 ，也 稱 “ 秋 老 虎 ” 。 實 際 上 ， 一 個 地 方 空 氣 溫 度 的 變 化 總 是 在 周 期 性 與 非 周期 性 中 交 替 進 行 ， 氣 溫 的 變 化 也 是 兩 者 共 同 作 用 的 結 果氣 溫 非 周 期 變 化 對 農 業(yè) 生 產 的 意 義 0： 隨 高 度 增 加 氣 溫 降 低 ， 稱 為 常 溫 大 氣 ； 0： 隨 高 度 增 加 氣 溫 無 變 化 ， 稱 為 等 溫 大 氣 ; 0： 隨 高 度 增 加 氣 溫 升 高 ， 稱 為 逆 溫 大 氣 。 在 對 流 層 中 ， 氣 溫 垂 直 梯 度 平 均 約 為 0.65 (100 m) 氣 溫 垂 直 梯 度 的 大 小 不 是 固 定 不 變 的 ， 尤 其 是 在 近 地氣 層 變 化 極 大 . 一 般 說 來 ， 夏 季 、 晴 天 氣 溫 垂 直 梯 度 數 值 較 大 ， 冬季 、 陰 天 氣 溫 垂 直 梯 度 較 小 。 垂 直 梯 度 愈 大 、 空 氣 層 愈 不 穩(wěn) 定 ， 對 流 運 動 愈 強 。 2、 逆 溫 氣 溫 隨 著 高 度 的 增 加 而 升 高 的 現(xiàn) 象 ， 稱 為 逆 溫 。 出 現(xiàn) 逆 溫 的 氣 層 ， 叫 做 逆 溫 層 。逆 溫 層 是 穩(wěn) 定 度 較 大 的 氣 層 。 當 逆 溫 出 現(xiàn) 時 ， 冷 而重 的 空 氣 在 下 ， 暖 而 輕 的 空 氣 在 上 ， 使 大 氣 很 難 發(fā)生 上 下 擾 動 ， 大 氣 層 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。在 逆 溫 層 中 ， 空 氣 垂 直 運 動 不 能 向 上 發(fā) 展 ， 水 汽 、煙 塵 等 多 集 中 在 逆 溫 層 下 部 ， 出 現(xiàn) 霧 或 煙 霧 天 氣 ，逆 溫 層 的 出 現(xiàn) 更 加 劇 了 大 氣 污 染 。 二 、 空 氣 的 絕 熱 變 化 與 大 氣 穩(wěn) 定 度（ 一 ） 空 氣 的 絕 熱 變 化 空 氣 與 外 界 無 熱 量 交 換 時 的 狀 態(tài) 變 化 ， 稱 絕 熱 變 化 空 氣 的 絕 熱 變 化 有 干 絕 熱 變 化 和 濕 絕 熱 變 化 兩 種 。 空 氣 的 干 絕 熱 變 化 當 一 團 干 空 氣 從 地 面 絕 熱 上 升 時 ， 因 周 圍 氣 壓 隨 高度 增 加 而 不 斷 降 低 ， 氣 塊 的 體 積 則 要 不 斷 外 向 膨 脹 ，一 部 分 內 能 用 于 反 抗 外 界 壓 力 而 做 功 ， 因 而 它 的 溫 度就 會 逐 漸 降 低 。 相 反 ， 當 一 團 空 氣 從 高 處 絕 熱 下 降 時 ， 在 下 降 過 程中 外 界 氣 壓 是 逐 漸 增 大 的 ， 外 力 壓 縮 對 它 做 功 ， 這 部分 功 轉 變 為 空 氣 塊 的 內 能 ， 因 而 它 的 溫 度 就 會 逐 漸 升高 。 干 空 氣 在 絕 熱 上 升 過 程 中 ， 每 改 變 單 位 距 離 的 溫 度變 化 稱 為 干 絕 熱 直 減 率 ， 通 常 d表 示 。 其 值 約 為 1 (100 m)。 也 就 是 說 ， 干 空 氣 在 絕 熱 上 升 中 ， 每 上 升 100 m， 溫 度 約 降 低 l ； 相 反 ， 在 絕 熱 下 降 中 ， 每 下 降 l00 m。 溫 度 約 升 高 1 。 空 氣 的 濕 絕 熱 變 化 如 果 濕 空 氣 在 絕 熱 升 降 中 是 未 飽 和 的 ， 并 假 定 下 降過 程 中 沒 有 蒸 發(fā) ， 那 么 ， 它 的 溫 度 直 減 率 和 干 絕 熱 直 減率 相 近 ， 也 是 每 升 降 100m， 溫 度 約 變 化 1 ， 但 是 ， 如果 上 升 的 濕 空 氣 中 有 水 汽 凝 結 ， 那 么 ， 由 于 凝 結 釋 放 的潛 熱 補 償 了 一 部 分 因 膨 脹 而 消 耗 的 內 能 ， 它 的 溫 度 就 將不 是 上 升 100 m下 降 1 ， 而 是 小 于 1 了 。 表 4-5 濕 絕 熱 直 減 率 隨 氣 溫 和 氣 壓 的 變 化 飽 和 空 氣 在 絕 熱 上 升 (或 下 降 )中 都 維 持 飽 和 狀 態(tài) ，每 改 變 單 位 距 離 (也 取 l00m)的 溫 度 變 化 ， 稱 為 濕 絕熱 直 減 率 ， 常 以 m表 示 。 濕 絕 熱 直 減 率 不 是 固 定 不 變 的 ， 它 隨 著 氣 溫 的 降 低而 增 大 ， 隨 著 氣 壓 的 降 低 而 減 小 。 應 該 指 出 ， 氣 溫 垂 直 梯 度 和 干 絕 熱 直 減率 d及 濕 絕 熱 直 減 率 m是 完 全 不 同 的 概 念 。 d和 m是 指 氣 快 在 升 降 過 程 中 ， 氣 快 本 身 溫度 的 變 化 率 ; 則 表 示 實 際 大 氣 中 溫 度 隨 高 度 的 分 布 ， 也有 人 稱 其 為 環(huán) 境 空 氣 的 垂 直 溫 度 梯 度 。 (二 )大 氣 穩(wěn) 定 度 概 念 大 氣 穩(wěn) 定 度 是 指 氣 塊 受 任 意 方 向 擾 動 后 返 回 或 遠 離平 衡 位 置 的 趨 勢 和 程 度 。 具 體 而 言 ， 若 一 塊 空 氣 受 外 力 作 用 ， 產 生 垂 直 運 動， 當 外 力 除 去 后 ， 可 能 出 現(xiàn) 三 種 情 況 ：若 氣 塊 逐 漸 減 速 ， 趨 于 回 到 原 位 ， 這 時 氣 塊 所 處 的氣 層 對 于 該 氣 塊 而 言 是 穩(wěn) 定 的 。若 氣 塊 仍 按 原 方 向 加 速 運 動 ， 則 大 氣 是 不 穩(wěn) 定 的 ；若 氣 塊 既 無 回 到 原 位 又 無 繼 續(xù) 加 速 向 前 的 趨 勢 ， 而是 保 持 原 有 運 動 狀 態(tài) ， 則 大 氣 是 中 性 的 。 d 大 氣 穩(wěn) 定 度 的 判 斷 大 氣 是 否 穩(wěn) 定 ， 通 常 用 氣 溫 直 減 率 與 上 升 氣 塊 的干 絕 熱 直 減 率 d或 濕 絕 熱 直 減 率 m的 對 比 來 判 斷 。 如 圖 4-6所 示 ， 設 有 A、 B、 C三 團 空 氣 ， 均 位 于 200 m的 高 度 上 ， 這 三 團 空 氣 在 做 升 降 運 動 時 ， 其 溫 度 按干 絕 熱 直 減 率 變 化 率 為 1 (100 m)； 而 周 圍 空 氣 的溫 度 直 減 率 是 不 相 同 的 ， 分 別 為 0.8 (100m)、1 (100m)、 1.2 /(100m)。 從 圖 中 可 見 以 下 三 種 不 同 的 穩(wěn) 定 度 。 圖 4-6 某 空 氣 未 飽 和 時 大 氣 的 穩(wěn) 定 度 綜 合 所 述 ， 可 得 出 以 下 幾 點 結 論 : 越 大 ， 大 氣 越 不 穩(wěn) 定 ; 越 小 ， 大 氣 越 穩(wěn) 定 。 如 果 很 小 ， 甚 至 等 于 零 或 小 于 零 (逆 溫 )， 它 將 阻 礙 對 流 的發(fā) 展 ， 所 以 習 慣 上 常 將 逆 溫 以 及 很 小 的 氣 層 稱 為 阻擋 層 。 當 d ， 不 論 空 氣 是 否 達 到 飽 和 ， 大氣 總 是 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 因 而 稱 為 絕 對 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 當d時 ， 一 定 是 m ， 稱 為 絕 對 不 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 。 當 m B）表 示 。 活 動 積 溫 的 表 達 式 為 ： （ 4-7） 式 中 ： n為 生 育 期 天 數 ； ti為 該 生 育 期 每 天 的 平 均 氣 溫； B為 作 物 發(fā) 育 的 生 物 學 零 度 ； Aa為 生 育 期 內 的 活 動積 溫 ； tiB為 高 于 下 限 溫 度 的 日 平 均 溫 度 即 活 動 溫 度， 為 該 生 育 期 始 日 至 終 日 (i-N)之 和 。l有 效 積 溫 作 物 的 某 一 生 育 期 或 全 生 育 期 中 有 效 溫 度 的 總 和 為有 效 積 溫 。有 效 溫 度 ： 日 平 均 溫 度 與 生 物 學 零 度 之 差 ， 用 （ t i -B）表 示 。 有 效 積 溫 的 表 達 式 可 寫 為 ： （ 4-8） 式 中 ， Ae為 生 育 期 內 的 有 效 積 溫 。l負 積 溫 指 冬 半 年 的 一 段 時 間 內 低 于 0 的 日 平 均 氣 溫 之 和 。 求算 式 為 ： （ 4-9）l地 積 溫 一 段 時 間 內 某 一 深 度 土 壤 溫 度 的 日 平 均 溫 度 之 和 ， 稱為 該 深 度 的 地 積 溫 。 如 求 算 10 土 層 的 地 積 溫 則 可 寫 成 ： （ 4-10） 式 中 ， A10為 10cm土 層 生 育 期 內 地 積 溫 ； t10i為 10土 層 日 平 均 地 溫 。（ 二 ） 積 溫 在 農 業(yè) 生 產 中 的 應 用 及 存 在 的 問 題作 為 作 物 品 種 特 性 的 一 個 主 要 指 標 ?？?以 作 為 物 候 期 預 報 、 收 獲 期 預 報 、 病 蟲 害 發(fā) 生 時 期預 報 的 重 要 依 據 ， 也 可 根 據 雜 交 育 種 、 制 種 工 作 、 父母 本 花 期 相 遇 ， 或 者 根 據 商 品 上 市 、 交 貨 期 的 要 求 ，利 用 積 溫 來 推 算 適 宜 播 種 期 。 根 據 積 溫 的 多 少 確 定 某 作 物 在 某 地 能 否 正 常 成 熟 ，預 計 能 否 高 產 、 優(yōu) 質 ?？?以 根 據 積 溫 分 析 和 確 定 各 種 種 植 制 度 提 供 依 據 。還 可 以 用 積 溫 作 為 氣 候 指 標 ， 做 出 區(qū) 劃 ， 標 志 著 一 地熱 量 資 源 的 多 寡 。負 積 溫 的 多 少 ， 有 時 可 作 為 低 溫 災 害 的 指 標 之 一 (如霜 凍 、 低 溫 冷 害 )， 因 為 它 可 以 在 一 定 程 度 上 反 映 低溫 的 強 度 與 持 續(xù) 時 間 的 綜 合 影 響 。有 的 可 采 用 日 積 溫 (度 、 時 )來 細 致 分 析 一 天 內 植 物 生長 發(fā) 育 動 態(tài) 與 溫 度 的 關 系 。 復 習 思 考 題 ：1. 寫 出 地 面 熱 量 平 衡 方 程 ， 說 明 各 項 的 物 理 意 義 。2. 土 溫 的 日 變 化 、 年 變 化 和 垂 直 變 化 有 哪 些 特 點 ?3. 為 什 么 低 緯 地 區(qū) 氣 溫 日 較 差 大 于 高 緯 地 地 區(qū) ？ 而 氣 溫年 較 差 正 好 相 反 ?4. 如 何 通 過 r、 rd、 rm判 斷 大 氣 的 穩(wěn) 定 度 ?5. 某 水 稻 品 種 從 播 種 至 出 苗 的 生 物 學 下 限 溫 度 為 12 ，播 下 8天 后 出 苗 ， 這 8天 的 日 平 均 氣 溫 分 別 為 ； 12.3、 11.4 、 12.3 、 13.5 、 14.5 、 15.0 、 15.6、 13.9 。 求 該 品 種 從 播 種 至 出 苗 的 活 動 積 溫 和 有 效積 溫 。 6. 湖 南 衡 陽 觀 測 越 冬 二 化 螟 幼 蟲 。 已 知 3月 11日 化 蛹 ，蛹 的 有 效 積 溫 是 126.9 ， 發(fā) 育 的 起 點 溫 度 是 10.8 ，3月 11日 至 4月 中 旬 的 日 平 均 氣 溫 為 16.3 ， 問 越 冬 二化 螟 什 么 時 候 可 以 開 始 羽 化 成 蟲 ？7 名 詞 解 釋 :空 氣 對 流 亂 流 氣 溫 垂 直 梯 度 逆 溫 輻 射 逆 溫 平 流 逆 溫 農 業(yè) 界 限 溫 度