在同样的地形上，地面土壤性质的差异、植被的有无、植被的种类等不同对局地小气候和区域气候的形成有着极为重要的作用。这里着重论述土壤特性在小气候形成中的物理基础，并就沙漠区域气候扩张的事实举例说明。

小气候指的是由于下垫面结构不均一性所引起的小尺度的近地层局地气候。土壤、植被、人工铺砌的道路等等都能借辐射作用吸热和放热，从而调节空气层和下垫面表层的温度，这种表面称为活动面（又称作用面）。由于活动面的性质不同，具有不同的能量平衡和水分平衡，再加上湍流作用的差异，乃产生各种各样的小气候。

从地面能量平衡表达式（6·9）看来

R_g+LE+Q_P+A=0           （6·9）

在同一纬度、同一季节、同样的天气条件下，到达地面上的直接辐射Q，就会因小土丘、田埂等斜坡方位和倾斜坡度不同而异。又因活动面土壤性质不同，具有不同的反射率a，一般干休闲地a为16％，湿开垦地为8％。这就使得湿土吸收的太阳总辐射比干土大。再从有效辐射F项看来，在其它条件相同时，又因物体性质不同具有不同的长波辐射本领，干土为95％，湿土为96％。因此湿土所获得的净辐射能比干土多。活动面辐射差额的不同是造成小气候差异的一个基本因子。

在白天，活动面吸收了一定的正值净辐射后，这个热量一方面用来增加它自己的温度，另一方面则分别通过土壤内部热交换向下层传热。另外也与贴地层的空气间进行湍流热交换，使空气增温，还蒸发水分将潜热向空气层输送。这三者在（6·10）式中分别为A、Q_P与LE。在夜间，没有太阳辐射，活动面通过有效辐射而散失热量，净辐射为负值，活动面将降低温度，这时活动层下部向土表输送热量，空气湍流热交换的方向，将由空气指向活动面，如果有露水凝结，活动面上将通过水汽凝结而获得潜热。

A、Q_P和LE可分别由（6·19）、（6·20）和（6·21）三式求得

就土壤内部的热量交换而言，在深度Z′处，一秒钟内经过Icm²的水平

系数λ′。当白天土表受热，土壤上下层间温差愈大，则向下传输的热能愈多，夜晚土表辐射冷却，下层土温比表层高，热量乃由下层向表层传送。在土内温度梯度相同时，土壤导热系数（单位W/m℃）愈大，土内热量交换的速度就愈快，至于土壤温度上下层分布的情况，还要看导温系数K′而定。

上式中ρ′为土壤密度，C′示土壤的比热（J/g℃），K′值为单位体积的土壤收入热量（λ′）时所增高的温度（单位cm²/min）。

由于构成土壤的成分并非单一物质，土壤的比热和热容量各不相同（见表6·12），不同土壤的导热系数和导温系数亦互有差异（见表6·13），从表6·12可见，水的热容量平均要比土壤中矿物质的热容量大2倍，比空气热容量大3000多倍，所以土壤的热容量也随着其孔隙度（孔隙度大于土内含空气量多）和湿度为转移。当孔隙度增大时，干土的热容量要减小，但随着土壤湿度的增加，热容量便迅速增加。这就使得在同样条件下，白天表层干土的温度比湿土高，夜间则相反，湿土温度高于干土。

由表6·13可见，导温系数小的干沙土表层增温快，减温亦快，活动面的温度日振幅和年振幅都较大，但昼夜与年温度变幅在较浅的深度就消失了。湿沙土表层温度日振幅和年振幅都比较小，但其有温度日变幅和年振幅所及的深度却比干沙土厚。因此由于土壤的热容量和导温系数不同，就会产生小气候的差异。

土壤活动面与下层空气间的湍流显热交换Q_P（6·21式）主要决定于

气密度ρ及空气湍流系数K之间的乘积。白天土温远比气温高，活动面向空气输送的显热比较多。夜间土温与气温差值较小，地气间的显热交换比白天小，甚至出现相反的方向，气温高于土温，空气反而有显热向土表输送。表6·14中列举了阿鲁西（在沙漠中）和科尔土希（气候较湿润）两地土壤-空气湍流显热交换和潜热交换的日变化情况。表中负值表示土壤向空气输送热量，正值则相反。

土壤与贴地空气层间伴随着水分蒸发、凝结而产生的潜热交换LE

成露或霜时，则伴有潜热的释放，使活动面增温，这种潜热的释放量远比蒸发耗热量小得多（表6·14）。

从（6·21）和（6·22）式可见，活动面与贴地空气层的显热交换和潜热交换，除取决于活动面的性质外，都和空气的湍流系数K密切相关。湍流系数是因时间、地点、天气条件而异的。一般情况是，中午大于子夜，夏季大于冬季（表6·15），粗糙的活动面大于平滑的活动面。就天气条件而言，晴天的湍流系数大于阴天，风力强时大于风力弱时，不稳定型天气时大于稳定型天气时。就距地高度而言，愈贴近地面湍流系数愈小。据观测，在贴地气层中，与1m高处的湍流系数相比较，在10cm高处K就要小到1/10，而在1cm高处则要小到1/100，在几毫米或紧贴土表的一层中，湍流交换就消灭了，地-气间的热传导主要靠分子接触传导，而空气分子的导热系数又极小，要比一般土壤小数十倍至百倍。湍流系数的这些差异，在小气候形成中起着极其重要的作用。小气候的很多特点往往与湍流强弱有关。以小气候的气温为例，由于贴近地面层的空气湍流混合作用很弱，所以气温的垂直差异特别显著。又由于贴近地面层的风速较小，空气的水平混合作用也很弱，因此在短距离内气温的水平差异也非常突出。

必须指出，地面特性不仅对小气候的形成有重要作用，在某些条件下对区域气候亦有显著影响。例如在干旱少雨的地带，植被极其稀少，地面为大范围的干涸裸地（砂、岩石等），砂、石的颜色又甚浅淡，对太阳辐射有很高的反射率（可达0.35—0.40）。因此地面所吸收的太阳辐射能比湿润地区少得多，但由于砂、石的比热小，在白天阳光照射下，地面强烈增温，使地面长波辐射很强。又因空气干燥无云，大气逆辐射弱，地面散失的热量很多，成为热辐射的汇。在缺少平流热量输入的情况下，为了要维持热量平衡，那里的空气一定要下沉，压缩增温。由于下沉的空气十分干燥，使得沙漠地区进一步变干，植被进一步破坏，导致沙漠化的范围进一步扩展。这种生物地球物理反馈机制特别适用于撒哈拉—阿拉伯—印度—巴基斯坦一带沙漠区，尤其对撒哈拉南部边缘的萨赫勒地区最为适合。这是地面辐射特性影响气流下沉，从而导致沙漠区域气候扩展的一个实例。

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