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1、,第三章 热量收支与温度变化,主要内容,地表热量收支,地表温度变化,气温变化,低温霜冻及防御,温度与农业,地表热量收支,能量、热能、热量、温度,能量,势能=mgh,动能=1/2 mv2,辐射能等,能量守恒定律,热能,温度,物体所有分子或原子平均运动速度的标志,物体做功的能力,(内能),地表热量收支,地表热量收支,潜热,能量传递方式及特点,分子热传导,辐射,流体流动热交换,对流,平流,乱流,常温下木与铁温感差异 土壤传热方式,通过水的相态变化 交换热量 是气象中很重要的一种方式,地表热量收支,表3.1 几种常见材料的导热率,水的蒸发潜热=600cal/g,熔解热=80,水的相态变化过程中的热量变
2、化,之所以称为“潜热”,是因为温度没有发生变化,如20的液体水分子蒸发为水汽分子时,温度仍为20,液体水分子蒸发时吸收的热量被“储存”在水汽分子中,是一种“潜在”的热量; 水汽分子在适当的条件下,重新凝结为液态水时,这种潜在的热量就会被释放出,成为“显热”,之所以称为显热是因为这种热量会使空气温度升高,而温度的变化是可以被人感知的,或是用温度表测量出来。,地表热量收支,潜热是地表和大气热量交换的重要途径 是气象过程的重要动力,如台风、雷电等,白天地表热量收支,净辐射R,蒸发潜热LE,向下热传递B,分子热传导,对流乱流P,地表Q,地表能量收支差 Q,Q0 升温 Q0 降温 Q=0 不变,收: 地
3、表净辐射能R,支:感热通量P 进入空气的热能 进入土壤的热能B 潜热通量LE,地表热平衡方程:,Q=R (P+B+LE),不考虑地表厚度,Q=0,则,R=P+B+LE,表明 地表能量来源与分配关系,净辐射 能量源头,与太阳辐射、海拔、云量有关,地表吸收辐射能,升温,产生温差,热量向上、向下传,地表热容量、热导率,低层空气受热,产生对流、乱流,潜热受水分含量影响大,可变性大、对温度影响大,温差,夜间地表热量收支,净辐射,凝结潜热,向上热传递,分子热传导,对流乱流,地表,地表辐射,地表降温,低层空气降温,地表浅层降温,水气凝结,上层空气降温,地表深层降温,湿度、云量,海拔,地表降温,最高、最低出现
4、时间?,地表温度变化,日较差 (最高最低),阴晴风雨,地表状况,地形凸、凹、坡向等,热容量,热导率,水分状况,反射性能,海拔,全天有云阴天,全天无云晴,晴见多云,白天有云,夜间无云,白天晴,夜间阴,暧云飘过,低而厚的云,高而淡有云,空气湿度,云、湿度 与 温度,水、陆温度变化特点、原因分析,局地地表性状可调性,地表反射特性,热容量,热导率,水分状况,覆盖,反射性能,地表状况对温度影响,水面温度:日凉夜暖,夏凉冬暖,水的热容量大,导热性好,海面温度不易升、降。 水分蒸发要消耗大量热能,使水升温的热量就更少了 阳光可透入水中约100米深,分布较均匀,表层温度较低,温差小,进入空气中的热量就少。 云
5、雾较多、湿度大,也对温度有缓和作用。 因此,海洋上或受海风影响的地区,白天凉爽,夜间暖和;夏季凉爽。冬季暖和 大的水体如水库或湖边邻近区,夏季也是比较凉爽的,冬季少霜冻害,海洋性气候形成的重要原因,沙漠温度:日热夜冷,夏热冬冷,沙子疏忪,热容量小,导热性能差 沙漠云少、湿度小 蒸发消耗少,加热地表、空气的热量多 辐射被表层全部吸收,加大温差,升温快,降温快,阳光强烈,夜间地表辐射强,大陆性气候形成的重要原因,地形与温度变化,结论: 凸地温差凹地温差 山岗温差山谷温差 原因: 凸地乱流热交换强、凹地弱 夜间冷空气下沉,积聚在凹处,海拔高度与地表温度变化关系?,气温的变化,气温日变化,非绝热变化,
6、气温年变化,非周期性变化,与天气有关,周期性变化,大气静力稳定度,大气中的逆温层,气温的绝热变化,近地气层温度,近地面气温变化,最高、最低温度出现时间,温度日较差,地表状况,纬度,热量传递方式,从地表加热空气,天气状况:云、湿度、风等,地形,地表温差空气温差,温度年较差最高月平均最低月平均,大陆7月最高,1月最低 海洋 8月 2月 纬度越高,年较差越大 与距海远近有关,气温绝热变化,绝热升温,绝热降温,干绝热降温 Rd=1/100m,湿绝热降温 Rm为变量,1,温度直减率R:气块上升100米降低的温度,干绝热直减率Rd,湿绝热直减率Rm,无水的相变,有水的相变,当空气块上升过程中,因外界气压减
7、小,气块体积膨胀,对外作功,在绝热的条件下,作功所需的能量,只能由其本身内能来负担,因而气块温度下降。这种因气块绝热上升而使温度下降的现象,称为绝热冷却。,当空气块下降过程中,因外界气压增大,外界对气块作功,在绝热的条件下,所作的功只能用于增加气块的内能,因而气块温度升高。这种因气块下沉而使温度上升的现象,称为绝热增温。,空气的对流运动,温度绝热变化,水的相态变化,天气的变化,大气静力稳定度,对流层温度垂直分布,大气层稳定度,对流层温度垂直分布,对流层热量来自地表,吸收热能的水气、尘埃等多在低层,气温随高度降低,(约0.6/100m),温度梯度R (可变),R、Rd、Rm 的区别?,地表,大气
8、层稳定度,稳定,不稳定,中性,图喻:,1000米,2000米,3000米,10,0,20,10,18,2,R0.8/100米,更冷,更热,大气层稳定,对于干空气,R1,大气层稳定,R1,大气层不稳定,R1,中性状态,实际情况复杂,水气多少不一。但主要与温度 分布状况有关。,简言之:,下热,上冷,不稳定,如夏季,中午等,轻,重,相反则稳定,如夜间,清早,大气逆温层,一般,温度随高度降低。,如某气层温度随高度升高,则称为逆温层,逆温层稳定,不利对流运动,影响天气变化 其下的污染不易扩散,对大气环境质量有重要影响。,逆温层类型,辐射逆温,平流逆温,地形逆温,其它逆温,下沉逆温,大气中的逆温,概念,逆
9、温,对流层气温随高度降低(0.6/100米),在一定条件下,气温随高度不变或升高,这种现象称为逆温。,阻塞层,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,因而又称阻塞层。,逆温的分类(按成因),辐射逆温、湍流(即乱流)逆温、平流逆温、下沉逆温、地形逆温、锋面逆温和融雪逆温等。,辐射逆温,定义,夜间由地面、雪面或冰面、云层顶部等辐射冷却形成的逆温。,厚度,一般为200300。,高纬地区冬季有时可达2,000左右。,出现时间,大陆上常年都可出现,以冬季最强,夏季最弱。,湍流逆温,定义,由于空气的湍流混合而形成的逆温。,形成过程
10、,平流逆温,定义,暖空气平流到冷的地面或冷的水面上,会发生接触冷却,愈近地表面的空气降温愈多,而上层空气受冷地面的影响小,降温较少,于是产生了逆温现象,这种逆温称为平流逆温。,日变化,夜间加强,白天减弱。,下沉逆温,定义,因整层空气下沉而造成的逆温,称为下沉逆温。,形成过程,天气状况,下沉逆温常与辐射逆温结合形成一个从地面开始有数百米厚的逆温层,并出现温度升高,干燥晴朗的好天气。,其他逆温,锋面逆温,冷暖空气相遇时,较轻暖空气爬到冷空气上方,在冷暖空气交界面附近(即锋面附近)出现的逆温,称为锋面逆温。,融雪逆温,在积雪地区,因暖空气流经冰、雪表面产生融冰、融雪现象,而冰雪的融化需要从近地面气层
11、吸收大量的热量,从而使贴近地层的气温较低,形成逆温,这种逆温称为融雪逆温。,地形逆温,在山区夜间,由于山上冷空气沿斜坡向下移动到低洼地区并聚积于底部,使原来在洼地底部的较暖空气被迫抬升形成的逆温,称为地形逆温。,低温霜冻,霜冻:温暖季节温度降到0以下,造成植物伤害 的现象。,霜冻类型,辐射型,平流型,平流辐射型,秋霜、春霜,初霜、终霜,霜冻防御,辐射型霜冻,因地表辐射降温而形成,又称地霜、晴霜、静霜,地温低于气温。,晴朗少云、干燥,微风或无风,山谷、低洼地,沙性土壤,易出现辐射型霜冻,利地表辐射,不利上下层空气热交换,利冷空气积聚,热容量小热导性差,平流型霜冻,因冷空气南下而形成,又称风霜 地
12、温高于气温。,范围大、持续时间较长,偏北向、背阳、迎风坡地,冷空气易进难出的地形,冷空气易出难进的地形,背风向阳面,较重,较轻,平流辐射型,冷空气过后常晴朗干燥,利于辐射降温,平流降温,辐射降温,霜冻防御,辐射型,平流型,调节地表热特性(镇压、水),包扎、覆盖(透明、非透明),选合适地形,选合适的播种期、品种,烟雾,选合适地形,选合适的播种期、品种,防风,应急,温度与农业,三基点温度,界限温度,积温及应用,温度调节措施,低温霜冻及防御,三基点温度,在最适温度下植物生长发育迅速而良好。 在最低和最高温度下植物停止生长发育,但仍维持着生命。 (最高与最低的受害和致死温度) 最适温度较接近最高温度,
13、而离最低温度较远, 最高温度多在30-40之间,除炎热气候地区外,长时间维持30-40的机会不太多, 最低温度常会遇到。所以在生产实践中,作物布分和产量受低温的限制,比高温的限制要多些。,界限温度,具有普遍意义,标志某些重要物候现象或农事活动之开始、终止或转折点的温度叫做农业界限温,简称界限温度。 0-土壤冻结与解冻,冬小麦秋季停止生长与春季开始生长(有人采用3)。 5-早春作物播种,多数树木开始生长。 10-喜温作物开始播种与生长。 15-喜温作物开始积极生长。 20-些热带作物开始生长。 各地区常针对当地农事活动或重要物候现象,确定某些补充的界限温度,如以3代表小麦返青,12代表杂交水稻播
14、种等等。,温度日变化对作物的影响,温度日较差:一日内最高与最低温度之差,是重要的气候指标。 日较差大时,即: 白天温度较高,有利于光合作用, 夜间温度较低,有利于减少呼吸消耗,糖分积累 日较差大时,往往阳光充足,空气湿度较小,有利于光合 作用、蒸腾作用进行,病虫害较少,因而产量高,品质好。 如新疆的瓜果、棉花,埃及的棉花等,,积 温,活动积温 是在某时期内活动温度的总和, 活动温度 指大于生长下限温度的日平均温度, 例如,水稻的生物学下限温度为10,即只有当温度高于10时才能生长发育,如果某天的日平均温度为9,则活动温度等于0,如果为15则活动温度就是15。 有效积温 作物在某时期内有效温度的
15、总和。 有效温度 日平均温度与生物学下限温度之差 例如,水稻的生物学下限温度为10,如果某天的日平均温度为15,则有效温度就是15-10=5,积温理论,植物完成一定的发育阶段,需要一定的累积温度。 例如 设一玉米品种从发芽到成熟,需要2000度积温 ,如果此期间平均温度为20,则需要100天 ,如果为25,则需80天 ,15时需120天 即温度越高,生长发育速度越快,完成生长发育周期所需时间越短; 温度越低,生长发育速度越慢,完成发育周期所需的时间越长。 同一品种,春播和夏播时,成熟期可能相差30天以上,就是这个原因。 天气暖和的年份,果树开花就比较早,气候较冷的年份,则开花时期明显推后。 在花卉栽培中,根据积温理论来调控开花时期是一种有效方法。,积温应用,作为作物与品种特性的重要指标之一。 在种子鉴定书上标明该作物品种从播种到开花、成熟所需的积温,为引种与品种推广提供重要的依据,避免引种与推广的盲目性。如果用天数来表示,某品种从播种到成熟需要多少天,则在不同的地区和季节可有很大差异,实用价值就不大。 预测预报与调控 可来预报开花期、适当播种期、收获期以及病虫害发生时期。在杂交制种、病虫害预测预报等方面很有用。 作为农业气候分析与区划的重要依据之一,
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