Transcript 不同深度土壤熱擴散係數之推估與探討

不同深度土壤熱擴散係數
之推估與探討
指導教授:林俐玲
學生:林明毅
簡報大綱
前言
文獻回顧
分析方法
分析結果
前言


土壤溫度受到輻射能、熱能及潛能交換等
能量收支的過程影響，除季節、緯度不同
外，土壤性質、含水量及植生覆蓋也是造
成溫度變化的重要因素。
與溫度相關的土壤參數有：
比熱容量(specific heat capacity)、
熱傳導度(thermal conductivity)、
熱擴散係數(thermal diffusivity)等。


由於每日之氣溫變化皆不相同，再加上降
雨及鋒面等其他因素，造成土壤溫度變化
差異甚大。導致目前多數研究主要僅以一
日或連續兩日晴天來探討，長時間之觀測
分析較不常見。
本研究利用兩種不同計算方法之月平均土
壤熱擴散係數，探討推估出之土壤溫度與
實測值之差異。
文獻回顧

Hares et al.(1985)，土壤溫度可以正弦函數
推求，但水分會造成推估之土壤溫度有所
差異。

Marshall and Holmes(1988)、盧惠生等(2000)，
平均土壤溫度年變化之正弦曲線偏差受氣
溫及太陽輻射影響，深度越深振幅越小，
且週期會隨深度增加而延滯。

Yafav and Saxena(1973)；Wierenga et al.(1969)
等人研究顯示，土壤之熱傳導度與土壤粒
徑、孔隙度及含水量有關。

De Vries(1952)利用探針量測現地土壤熱傳
導度，比對降雨資料後，認為部分深度下
土壤含水量和降雨產生的滲透可由熱傳導
係數之變化來驗證。
Fritton et al.(1974)、Parikh et al.(1979)、Riha
et al.(1980)，水分含量對土壤熱傳度的影響
大於其他物理特性的影響。
 Abu-Hamdeh and Reeder(2000)指出，當水
分含量固定時，熱傳導度隨總體密度增加
而增加。
 沈志軒(2006)研究顯示，孔隙中之重力水隨
著降雨產生變化，則土壤水分含量越高，
土壤熱傳導度越高


Silans et al.(1996)根據Nassar and Horton(1989)
熱擴散在非均質土壤中之Lettau理論(1954)及
穩定週期的溫度變化，推求出之公式為：
K (z) 
 (z)
C
 sin  ( z ) sin  ( z )

 ( z )  ( z )
z
z
其中K(z)為熱擴散係數，ω為頻率，ε(z)、δ(z)
為相位角，ψ(z)、β(z)為振幅。


Dědeček et al.(2005)指出，當地表植被有持
續幾週幾近裸露時，會導致深度2㎝至5㎝
之間之年平均溫度增加約0.6℃。
盧惠生等(2000)研究顯示，土壤溫度日週期
變化為正弦曲線形式，且深度越深振幅越
小。蔡子衿等(2008)發現溫度之年變化亦呈
正弦變化。
水分
熱
傳
導
度
比
熱
容
量
熱
擴
散
係
數
固體
空氣
研究試區

分析方法
地質主要屬中新世木山層
，為砂頁岩互層中夾有煤層。位在屈尺斷
層以西，屬西部麓山帶，土壤屬崩積土。
15公尺
第一區
第二區
第三區
8公尺

土壤總體密度1.5g/cm3、孔隙率42.98%、田間
容水量53.98%、質地為砂質黏壤土。


在試區中心位置埋設溫度感測器，深度分
別為5、10、20、30公分，另在距地表120
公分及地表處設置溫度計。設置後第一區
保持裸露至草長20公分，第二區則間隔一
段時間便割至株高40公分。
本研究使用2004年3月至2005年1月之資料
以不同深度溫度日變化、月變化做熱擴散
係數之分析。
文獻蒐集
研究流程
試區選定
土壤溫度資料
之取得
由
前
人
研
究
蒐
集
土
壤
性
質
試區降雨資料
之取得
彙整及篩選無降雨日
計算每日之熱
擴散係數
分析月平均之
熱擴散係數
分析月平均實測與
推估溫度之平均差
異百分率(E%)
土壤溫度推估式

由熱傳導第一定律，利用類似流體傳導之
Darcy定律推求出：
qh   KT

實際上熱傳導度應有X、Y、Z三方向，但本
研究主要探討與土壤深度之關係，故僅列出Z
方向形式。
T
  T 
 T
c

K
 K
2
t
z 
z 
z
2
土壤溫度推估式
T  z , t   T a  ae

w
2D
z

sin   t 


z為土壤深度(cm)
T為時間(hr)
Ta為平均溫度(℃)
a為地表溫度變化之sine曲線振幅
ω為2 π/P
D為熱擴散係數
tm為地表日間最大溫度之時間

z 
tm 

2D
2 12




熱擴散係數推估式


 
z
D 
24  
2a

ln
 
  T max  T min







 
2
由實測溫度計算出熱擴散係數，再帶回前式
計算推估值，得平均差異百分率E％
1
E% 
1

n
N
 T
c
 T0 
i 1
1
n
T

n
i 1
0
2
2


 100 %
分析結果

每日之熱擴散係數及土壤溫度之推估
地表
5公分
10公分
20公分
而每日不同深度之熱擴散係數於5cm及10cm
大致隨深度增加，達20cm時D值卻有下降，
至30cm皆又增加。造成此差異可能為地表
植生之根系，根系可增加土壤間之孔隙，進
而增加滲透造成水分含量之減少。
 Ochsner et al.(2001)，砂質粘壤土受空氣之
影響比受水分及固體之影響大，且空氣孔隙
度越大會使熱傳導度、比熱容量及熱擴散係
數越小。


本研究以兩種方法計算月平均熱擴散係數
D1
D1
D2
第一區
D2
第二區

D值大致在10cm~20cm有下降之趨勢，之
後值則又繼續上升，此情況與Alain and
Bruno(1996)中利用NHS模式所推估之熱
擴散係數類似。此情形可能受雜草根系
影響，亦或接近地表0~10公分之土壤含
有砂粒，熱量傳導快，使得＜10公分之D
值上升。


由不同深度下實測之日平均土壤年變化及月平
均土壤日變化，可得知溫度變化大致呈正弦曲
線變化，振幅隨深度越深而減少，且溫度之極
值亦隨深度加深而有延滯現象。
相同深度下之熱擴散係數，則受各深度溫度之
振幅與地表溫度振幅之差異影響，與地表振幅
差異越大則熱擴散係數越小。


月平均熱擴散係數之計算方法則以相同月
份每日熱擴散係數平均所得之推估效果較
佳。
做長期觀測並加入土壤各種理化性質加以分
析。
報告完畢
敬請指教