农业气象第一章

第一章 太阳辐射与农业,太阳辐射与农业生产,日地关系,到达地面的太阳辐射,辐射太阳辐射,一、昼夜及四季的形成二、可照时数与光照时间三、太阳高度角和方位角四、季节与农业生产,第一节 季节与节气,一、昼夜及四季的形成,近日点：1月3日左右，相距1.45108km；远日点：7月4日左右，相距1.55108km，日地平均距离为1.50108km。地球公转一周，需365d 5h 48min 46s，即为一年。在地球公转轨道上，每隔15度划定一个位置，并定为一个“节气”名称，全年分成24个节气。自转一周需23h 56min 4s，即为一昼夜。昼夜半球分界线叫晨昏线。晨昏线与纬圈交割，把纬圈分为两段圆弧。即昼弧和夜弧。地轴与公转轨道面（黄道面）保持6633的夹角。（指向北极星附近）。,（一）日地关系,第一节 季节与节气,四季的形成,昼长（可照时数）,第一节 季节与节气,一、昼夜及四季的形成,（二）太阳直射位置的变化 冬至日（12月22日）太阳直射南纬2327，春分日（3月21日）太阳直射赤道，夏至日（6月22日）直射北纬2327，秋分日（9月22日）再次直射赤道。,第一节 季节与节气,一、昼夜及四季的形成,（三）昼长的变化规律,夏季昼长随纬度升高而加长，冬季昼长随纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。,相同纬度，昼长冬短夏长，春秋介于二者之间。,第一节 季节与节气,一、昼夜及四季的形成,赤纬的近似计算：=23 .5sinN 式中N以度为单位，是距春分日或秋分日最近的总天数，春分日至秋分日取正值，否则取负值。例：1月20日，距春分日（3月21日）的总天数为60d，应取负值，故=23 .5sin（60）20.35。,二、日照时数,可照时数（昼长）,定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。,单位：小时、分,计算公式：,第一节 季节与节气,此时：,cos-tgtg,实照时数,地面上用日照计实际测量的日照时数。,日照百分率,光照时间,光照时间可照时数曙暮光时间,第一节 季节与节气,二、日照时数,一般曙暮光随纬度升高而加长；夏季尤为显著。,曙暮光,在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0 6时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度，这种光称为曙光和暮光。,第一节 季节与节气,二、日照时数,h的计算公式,sin hsinsin+coscoscos,式中：为观测点纬度，为赤纬，是时角。,的计算,的含义：太阳直射点纬度(即太阳直射光线与赤道平面 之间的夹角)。,三、太阳高度角和方位角,太阳高度角 （h）,太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0h90),第一节 季节与节气,说明：式中N以度为单位，是距春分日或秋分日最近的总 天数。春分日至秋分日取正值，否则，取负值。,特殊日期的值：,春分日(21/3)或秋分日(23/9)：0 夏至日(22/6)：23.5 冬至日(22/12)：-23.5（23.5S）,计算公式：,23.5sinN,三、太阳高度角和方位角,第一节 季节与节气,的确定,是用角度表示的时间，每15为一小时 正午：0； 上午：0； 下午：0，。,正午时刻h的计算公式,h正午90-+,三、太阳高度角和方位角,第一节 季节与节气,太阳方位角 （A）,定义,太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。,计算公式,式中A值： 正南：A=0 正南以西：A0 正南以东：A0,三、太阳高度角和方位角,第一节 季节与节气,日出日没时（h=0）,特殊时刻A的计算公式,北半球A的季节变化,除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日没 正西。,夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方 向；且愈近 夏至日，日出日没方位愈偏北。,三、太阳高度角和方位角,第一节 季节与节气,冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至 日，日出日没方位愈偏南。,三、太阳高度角和方位角,第一节 季节与节气,四、季节与农业生产,（一）季节划分,我国古代以立春、立夏、立秋、立冬作为四季的开始，阳历1至3月为春季，4至6月为夏季、7至9月为秋季、10至12月为冬季； 西方国家以二分（春分、秋分）、二至（夏至、冬至）为四季的开始，以阳历3至5月为春季、6至8月为夏季、9至11月为秋季、12月至次年2月为冬季。 我国气候学上用候平均气温大于22 的时期为夏季，小于10的时期为冬季，1022之间的时期为春季，2210之间的时期为秋季。,第一节 季节与节气,（二）二十四节气与农业生产,二十四节气最初来自天文，将黄道分为二十四弧段， 每段15为一节。一节约15天，全年二十四节。 “节气”在古代中简称“气”，按阴历每月一般分为两气， 前一气为“节气”，后一气为“中气”，后人把“节气”和 “中气”统称为“节气”。 立春、立夏、立秋、立冬表示春、夏、秋冬四季的开始。 春分、夏至、秋分、冬至表示昼夜长短的转折日。 小暑、大暑、处暑，小寒、大寒反映温度的高低。 雨水、谷雨、小雪、大雪表示降水的季节。 白露、寒露、霜降反映水汽凝结状况和温度下降过程。 惊蛰、清明、小满、芒种为反映物候现象的节气，,第一节 季节与节气,四、季节与农业生产,种田无定例，全靠看天气。立春阳气转，雨水沿河边。惊蛰乌鸦叫，春分滴水干。清明忙种粟，谷雨种大田。,立夏鹅毛住，小满雀来全。芒种大家乐，夏至不着棉。小暑不算热，大暑在伏天。立秋忙打靛，处暑动刀镰。,白露贲割地，秋分无生田。寒露不算冷，霜降变了天。立冬先封天，小雪河封严。大雪交冬月，冬至数九天。小寒买办忙，大寒要过年。,二十四节气农谚歌,第一节 季节与节气,四、季节与农业生产,一、辐射的一般知识二、太阳辐射,第二节 辐射与太阳辐射,物体以辐射的方式传递交换的能量。,、辐射及其特性,辐射,物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。,辐射能,特性,波粒二象性,一、辐射的一般知识,第二节 辐射与太阳辐射,波动性,Vf,波动性的反映,电磁波谱,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,不同电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,粒子性,其中h6.62610-34Js，称为普朗克常数。,辐射的度量和单位,辐射通量及单位：,定义：单位时间通过任意面积上的辐射能量。,单位：Js-1或W,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,辐射通量密度（E）及单位,定义：单位面积上的辐射通量。,单位： Js-1m-2或Wm-2,E=dF/(ds.dt),辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,光通量及单位,定义：表征辐射通量而产生光感觉的量。,单位：流明（lm）,光通量密度及单位,定义：单位面积上的光通量。,单位：流明/米2（lmm-2）,照度及单位,定义：单位面积上接受的光通量。,单位： lx，音译为勒克斯，1 lx=1 lmm-2,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,物体对辐射的吸收、反射和透射,概念,吸收率(a) ： a=Qa/Q,反射率(r) ： r=Qr/Q,透射率(d) ： d=Qd/Q,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,a、r、d的变化,黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸 收的物体称为绝对黑体。故有：,a，rd。,灰体：透射率d，吸收率a（r），且a不随波 长而变化的物体。,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,定律,黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。即：,ET T4,式中5.6710-8W.m-2.K-4为斯蒂芬波尔兹曼常数。,意义,物体温度愈高，其放射能力愈强。,、辐射的基本定律,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,mC/T 或 m T=C,如果波长以nm为单位，则常数C2,897103nm K,于是(3-6)式为：,维恩(Wien)位移定律,定律,绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(m) 与其本身的绝对温度(T)成反比。即：,mT2897103nmK,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,不同温度下黑体辐射强度与温度的关系,意义,物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。,太阳辐射是短波辐射，人、地面和大气辐射是长波辐射。,第二节 辐射与太阳辐射,一、辐射的一般知识,二、太阳辐射,、太阳辐射强度和太阳常数,太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度）,太阳辐射强度及单位,定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。,单位：Wm-2,太阳常数 （S0）,太阳常数及变化范围,定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496108km)， 在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太 阳辐射强度。,第二节 辐射与太阳辐射,变化范围： 1325 Wm-2 1457 Wm-2 我国采用的太阳常数值为1382 Wm-2 。,太阳光量常数及范围,定义：大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度。,范围：1.351051.4105lx,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,SmSm Smsinh,、水平面上的太阳辐射,水平面上太阳辐射的计算,Sm和Sm与h的关系图,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。,、大气对太阳辐射的减弱,太阳辐射在大气中的减弱,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,吸收作用,氧、臭氧、水汽和CO2,减弱方式,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,散射作用,散射,当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。,分类,由入射辐射波长 与散射质点的相对大小r，将散射分为分子散射（雷莱散射）和漫射。,r 时，漫射。,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,雷莱分子散射定律,当大气干洁，质点半径小于200nm时，散射值与入射光波长的四次方成反比。即：,定律,意义,入射光波长愈短，散射能力愈强。,漫射,当大气混浊，质点半径10,000nm时，入射光的各种波长具有同等散射能力，散射系数不再随波长改变，称之为漫射。,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,反射作用,参与反射作用的物质,大气中较大的尘粒和云滴、云层,云的反射作用,其反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50%55%。,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,减弱因素,大气质量(m),定义,太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比。,m随h的变化,在各太阳高度时的大气质量,大气质量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度低时，m值的增大特别迅速。,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,不同太阳高度角下的大气质量,m的计算,当h在3090时,m可近似地表示为：,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,大气透明系数(P),定义,透过一个大气质量(m1)后的太阳辐射强度 (S1)与透过前的太阳辐射强度(S0)之比，即：,影响因子,海拔、水汽、微尘、云雾,第二节 辐射与太阳辐射,二、太阳辐射,一、到达地面的太阳辐射强度二、太阳辐射光谱三、地面反射的太阳辐射四、地面辐射差额,第三节、到达地面的太阳辐射,一、到达地面的太阳辐射强度,到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射和天空辐射组成。,太阳直接辐射强度,定义,单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能。,计算公式,SSmS0 Pmsinh,第三节、到达地面的太阳辐射,大气透明系数(P )、大气量( m )和太阳高度角（h）影响，此外，纬度、海拔、坡度坡向和云量有间接或直接的影响。,影响因子,天空散射辐射强度(D),定义,阳光被大气散射后，单位时间内以散射光形式到达地表单位水平面积上的太阳辐射能。,一、到达地面的太阳辐射强度,第三节、到达地面的太阳辐射,影响因子,主要受太阳高度角（h）、大气透明度(P )和大气量(m)影响，此外，纬度、海拔、云量有直接和间接的影响。,第三节、到达地面的太阳辐射,一、到达地面的太阳辐射强度,太阳总辐射强度及其影响因素,太阳总辐射强度,到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天空辐射强度的总和。,Q = S+ D,影响因子,太阳高度角(h) 太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系。,大气透明度(P) 大气透明度差，到达地面的太阳直接 辐射减少，故太阳总辐射减少。,大气质量(m) 大气质量m愈大，到达地面的太阳总 辐射愈少。,第三节、到达地面的太阳辐射,一、到达地面的太阳辐射强度,纬度 纬度愈高，太阳总辐射愈低。,海拔 海拔愈高，地面接受的太阳总辐射愈强。,坡度坡向 北半球北回归线(23.5N)以北地区，纬度愈 高，愈是表现出南坡向阳、北坡背阴，冬季 比夏季显著。,云 一般云愈厚，愈多，太阳直接辐射愈弱，散射辐射的 比例增大。,一、到达地面的太阳辐射强度,第三节、到达地面的太阳辐射,二、太阳辐射光谱,定义,太阳辐射能随波长的分布曲线。,大气上界的太阳辐射光谱,图中：实线是大气上界的太阳辐射光谱； 虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。,第三节、到达地面的太阳辐射,几个重要波段,波谱随h的变化,太阳高度角降低，直接辐射光谱中，波长较长的部分逐渐增加，波长较短的部分逐渐减少。,太阳直接辐射波谱随h的变化,二、太阳辐射光谱,第三节、到达地面的太阳辐射,不同太阳高度时太阳直接辐射光谱中各部分的相对强度(总辐射量100),二、太阳辐射光谱,第三节、到达地面的太阳辐射,散射辐射光谱随太阳高度角、大气透明系数和云量而变化。,干洁空气中，h降低，散射辐射中波长较短的部分 逐渐减少，波长较长部分逐渐增多，而波长在400nm-600nm的可见光几乎不随h而变化。,不同太阳高度角时各散射光谱段的相对比率,太阳散射辐射波谱随h的变化,二、太阳辐射光谱,第三节、到达地面的太阳辐射,碧空和阴天时散射光谱能量的分布,二、太阳辐射光谱,第三节、到达地面的太阳辐射,当天空中有较多粗粒或全天有云时，散射辐射光谱中的长波部分能量增加，其最大辐射能力波长也向长波方向移动。,三、地面反射的太阳辐射,地面反射率,地面反射的太阳总辐射R与投射到地面的太阳总辐射Q的百分比。,第三节、到达地面的太阳辐射,不同性质下垫面的反射率,深色土壤小于浅色土壤。,潮湿土壤小于干燥土壤。,新雪表面大于陈雪表面。,三、地面反射的太阳辐射,第三节、到达地面的太阳辐射,地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Ee)。,日变化,、大气辐射,大气逆辐射(Ea)：大气辐射中传向地面的辐射。,四、地面辐射差额,、地面辐射(Ee),定义,波长范围,3,000nm80,000nm，最大放射能力波长约为10,000nm。,白天夜间,定义,大气辐射：大气向外的辐射。,第三节、到达地面的太阳辐射,7,000nm120,000nm，最大放射能力波长约为15,000nm。,波长范围,、地面有效辐射(E0),定义,地面辐射与被地面吸收的大气逆辐射之差。亦称净红外辐射。,计算公式,E0Ee-Ea,其中：为吸收率， Ea为被地面吸收的大气逆辐射。,影响因子,地面温度 、空气温度、空气湿度、云况、风力、海拔、地面状况和植被等。,四、地面辐射差额,第三节、到达地面的太阳辐射,温室效应,大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用，这种现象称为大气温室效应。,大气中微尘和二氧化碳的增加，犹如在阳光下撑了一把伞，减弱了到达地面的太阳辐射，对地面有降温作用，这种现象称之为大气阳伞效应。,阳伞效应,四、地面辐射差额,第三节、到达地面的太阳辐射,R(S+ D )(1 r) - E0,、地面辐射差额(R),定义,在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差，称为地面辐射差额(R)。也称地面净辐射。,计算公式,四、地面辐射差额,第三节、到达地面的太阳辐射,天气状况,有云的情况下，会使R的绝对值减小。,纬度,纬度愈低，R保持正值的月份愈多。,白天，R0，靠近正午时R达到最大值。夜间，R0，R=- E0。R由正变负的时间在日落前1小时；由负变正在日出后1小时。,影响因素,太阳辐射,四、地面辐射差额,第三节、到达地面的太阳辐射,一、太阳辐射光谱对植物的影响二、光照强度与作物生长发育三、光照时间与作物生长发育四、光能利用率及其提高途径,第四节、太阳辐射与农业生产,一、太阳辐射光谱对植物的影响,不同光谱成分对植物的影响,红外辐射 主要功能是产生热效应,波长大于1.00m的辐射，被植物吸收转化为热能；波长为1.000.72m的辐射，对植物伸长起作用,可见光辐射光合作用的能源,0.720.61m的光可被叶绿素强烈吸收， 光合作用最强并表现为强光周期作用。0.610.51m的光，表现低光合作用与弱成形作用。0.510.40m的光被叶绿素和黄色素较强烈吸收， 表现次强的光合作用与成形作用。,第四节、太阳辐射与农业生产,光合有效辐射,紫外辐射,0.400.32m的紫外辐射起成形和着色作用。小于0.29m紫外线对植物有伤害作用，并能杀死病菌孢子。,太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射（PAR）,P