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。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：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。

水分固體空氣熱傳導度比熱容量熱擴散係數

分析方法 研究試區 • 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。

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。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。 15公尺 8公尺

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。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 研究流程試區選定由前人研究蒐集土壤性質土壤溫度資料之取得試區降雨資料之取得彙整及篩選無降雨日分析月平均實測與推估溫度之平均差異百分率(E%) 計算每日之熱擴散係數分析月平均之熱擴散係數結果與討論結論

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： • 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。

土壤溫度推估式 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

熱擴散係數推估式 • 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％

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。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 D2 第一區第二區

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。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。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

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