气象学第一二章复习资料

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一、大气组成

主要是干洁大气、水汽、气溶胶粒子。

1、干洁大气:

干洁大气中对人类影响较大的成分是N2，O2，O3和CO2。

〔1〕N2和O2:它们是大气的主要组成部分，但N2利用率低。O2是维持人类及动植物生命活动的气体。

〔2〕O3:含量很低，集中在20-25km的高空，形成臭氧层。可剧烈汲取对生物有害的紫外线。

(3)CO2：是植物生命活动离不了的气体，可汲取地面辐射，对气温影响较大。

2、水汽：主要集中在低层大气中。低纬度地区多于高纬度地区；下层多于上层；夏季多于冬季。含量很少，但是天气改变的重要角色，云、雾、雨、雪的形成都与之有关。

3、气溶胶粒子：悬浮于空气中的固体粒子。包括水滴、冰晶、烟粒、尘埃等。

可充当水汽凝聚物，利于云、雨的形成；还可以汲取一部分辐射，对地温、气温有肯定影响。

二、大气垂直结构

从下到上有五层：对流层、平流层、中间层、热层、外大气层〔散逸层〕。

大气底界：即地球的表面。

大气上界：即大气的顶界。

有2种划分方法：依据极光涌现的高度估量，在1000—1100km；据人造卫星探测，约在3000km。

〔一〕对流层

是靠近地表的大气最低层。其厚度随纬度和季节的不同而有改变：低纬度平均为17～18km，中纬度地区为10～12km，高纬度只有8～9km。夏季厚、冬季薄。

特点：

〔1〕气温随高度上升而降低。垂直递减率为：r=0.65℃/100m。

〔2〕空气具有剧烈的对流运动。易形成云和降水〔雨、雪等〕。

〔3〕温度、湿度等气象要素水平分布不匀称。主要是受地形影响所致。

〔二〕平流层

从对流层顶到55km的气层。主要特点：

1、垂直气流显著减弱，气流多呈水平运动，故叫平流层。

2、集中了大气中大部分O3

3、下部气温随高度改变小，上部气温随高度上升而显著增加。

4、水汽和尘埃很少，大气能见度好。适合飞机航行。

〔三〕中间层

从平流层顶到距地面85km的高度。

主要特点：

1、温度随高度上升而快速降低，其顶部可下降到-83℃。

2、气流有剧烈的垂直运动，故又称高空对流层。

〔四〕热层〔暖层〕

从中间层顶到距地面约700km的气层。

特点：

1、气温随高度上升而快速上升〔因汲取短波紫外线〕。

2、空气分子处于高度电离状态。

〔五〕外大气层〔散逸层〕

从热层顶以上的大气层。

特点：受地球引力小，高速空气分子常逃到太空，宇宙空间粒子也常进入该层。

第二章辐射

1辐射的基本知识

一、概念

辐射：物体以电磁波或粒子的形式向外放射能量的现象。

通过辐射传递的能量叫辐射能。

辐射通量密度〔辐照度〕：单位时间、单位面积上发射或汲取的辐射能量。单位：W/m〔瓦/米〕

二、辐射光谱

气象学讨论的辐射波谱范围是0.1～120μm,

太阳辐射波长范围在0.15～4μm，地面和大气辐射波长在3～120μm，因此常把太阳辐射称为短波辐射，地球和大气辐射称为长波辐射，以4μm为分界线。

辐射的传播不需要中间介质。

三、基本定律

1、斯蒂芬-波尔兹曼定律E〕与其表面绝对温度〔T〕的四次方成正比。E=TE=T4是斯蒂芬-波尔兹曼常数黑体：将投射到其表面上各种波长辐射能全部汲取的物体。4?是灰体常数，在0.80～0.99之间。

两个公式都说明：物体温度越高，其辐射强度越强。

2、维恩位移定律

黑体辐射光谱的极大值所对应的波长λ与其绝对温度T成反比。

λ=C/TC为常数，是2897。

说明：物体温度越高，它所辐射的具有最大能量的波长越短。ma*ma*

2太阳辐射

一、太阳辐射光谱和太阳常数

1、太阳辐射光谱

(1)定义：太阳辐射能随波长的分布。

2、太阳常数

当日地处于平均距离时，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量叫太阳常数。

世界气象组织推举取值

二、太阳辐射在大气中的减弱

1、汲取作用

太阳辐射被大气汲取变为热能。

2、散射作用

〔1〕分子散射

空气分子和直径0.1?m的质点的散射作用叫分子散射。

波长愈短的辐射，被散射愈多。

在可见光中，蓝、紫光的波长最短，故被散射的也最多，红、橙光被散射的较少。

〔2〕粗粒散射

50%-55%。因反射作用使约

大气对太阳辐射的减弱，反射最多，散射其次，汲取最少。

三、到达地面的太阳辐射

1、径直辐射Rsb：以平行光的形式投射到地面上的太阳辐射。

影响因素：主要与太阳高度角h、大气质量数m和大气透亮系数a有关，还与纬度有关。

〔1〕太阳高度角(h)

定义：太阳平行光线与水平面之间的夹角。

径直辐射Rsb随太阳高度角的增大而增大。

〔2〕大气质量数m

m表示。

太阳光垂直照耀时，m=1；斜穿大气层时，m1，m大小仅表示太阳倾斜入射时大气光学路径为垂直入射时的倍数。?太阳高度角越大，大气量越小。

径直辐射Rsb随大气质量数的增大而减小。

〔3〕大气透亮系数a

定义：太阳光通过一个大气量后的辐射度与通过前的辐射度之比。

一般a1，受大气中的水汽、云滴、尘埃的多少影响。

径直辐射Rsb随大气透亮系数的增大而增大。

改变规律：

晴天时太阳高度角影响大，阴天时大气透亮系数影响大。一天中，正午前后最大，日出、日落时最小；一年中，夏季最大，冬季最小。我国因夏季水汽多、云量多，故最大值涌现在春末夏初。相同天气条件下，纬度越低，径直辐射Rsb越大。但是一年中径直辐射Rsb最大值不在赤道地区，而是在回来线四周。

2、散射辐射Rsd

散射辐射Rsd：经质点散射后，自天空各个方向投射到地面上的太阳辐射。

三、太阳总辐射及其影响因子

太阳总辐射：太阳径直辐射和天空散射辐射之和。即：Rs=Rsb+Rsd

影响太阳总辐射的因素有：太阳高度角、大气透亮系数、云、海拔高度、地理纬度等。

1、太阳高度角h：Rs与h正相关，随h的'增加而增加。

2、大气透亮系数P：Rs与P正相关，随p的增大而增大。

3、云：云层厚时，Rs与云负相关，随云量的增多而减小；云薄时那么相反。

4、海拔高度：Rs与海拔高度正相关，随海拔高度的增加而增加。

四、地面对太阳辐射的反射

5、地理纬度：Rs随地理纬度增加而减弱，但总辐射年总量最大值在20四周。

地面反射辐射：地面反射到大气中的太阳辐射。

地面反射率α：指地面对太阳辐射的反射辐射与到达地面的太阳总辐射的比值。

影响α的主要因素有：颜色、土壤湿度、粗糙度、太阳高度角等。

3地面和大气辐射

一、地面和大气辐射

地面辐射RLu：即地面对外发射的辐射。

大气辐射：即大气向外发射的辐射能量。

地球辐射：地面辐射和大气辐射之和。

地面辐射与太阳辐射的不同：

1、太阳辐射只发生在白天，而地面辐射昼夜都有。

2、太阳辐射主要波长集中在可见光内，而地面辐射主要波长在红外、远红外区，大部分被大气汲取，只有少量逃到太空中。

大气对长波辐射汲取剧烈，但对8～12μm处汲取率最小，透射率最大，这一波段叫“大气天窗”。

地面辐射是低层大气能量的主要来源。

大气

云量、空气湿度等是影响大气逆辐射的主要因素。

地面对大气逆辐射也能反射，所以地面只能汲取大气逆辐射中的一部分能量，被地面汲取的大气逆辐射为δRLd〔δ是汲取率〕。

一般地δ很大，可以认为地面对大气逆辐射的汲取率近于1。

大气逆辐射能使地面获得一部分能量，因此它对地面有保暖作用，叫大气的保温效应。

“大气温室效应”：由于大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，如同温室掩盖的玻璃一样，阻挡了地面对外地辐射，加强了大气逆辐射，对地面有保温顺增温作用，这种现象叫大气温室效应。

4辐射与农业

一、光合有效辐射

光合有效辐射〔PAR〕：太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分。

光合有效辐射波长范围：0.4－0.7μm

叶绿素主要汲取蓝紫光和红橙光，而对黄绿光汲取较少。

在太阳辐射光谱中，红外光有热效应，蓝紫光利于光合作用，紫外线影响植物形态和品质。其作用分述如下：

1、红外辐射

〔1〕λ1000nm

?可转化为热能，影响植物体温顺蒸腾作用，不参加光化学反应过程。

〔2〕1000-720nm

?700-800nm近红外光对植物光周期及种子形成有重要作用，并掌握开花与果实颜色。

?一般红外线的热效应使植物体温上升，促进植物的蒸腾及物质运输；外界温度越低，红外线热效应越大。?因此高原地区叶子温度高于气温3-5℃，可以补偿高原地区气温低这个不利因素。

2、可见光辐射

〔3〕720-610nμm

红橙光，被叶绿素剧烈汲取，光合作用最强。表现出强的光周期作用。

〔4〕610-510nm

绿光，叶片汲取很少，是弱活性带。

〔5〕510-400nm

蓝紫光，被叶绿素剧烈汲取，表现出次强的光合作用和成形作用。

3、紫外辐射

〔6〕400-320nm

起成形及着色作用，使颜色变深，叶片变厚等。

〔7〕320-290nm

对多数植物有害，可消毒土壤。

〔8〕λ290nm

可马上杀死植物，叫灭生性辐射。

二、光照度与植物

〔一〕光照强度对植物的影响

1、光饱和点：在肯定的光照强度范围内，光合作用随光合强度的增加而加强，当光照强度增加到某一数值后，光合作用不再增加，此现象叫光饱和现象，这个光照强度就是光饱和点。

CO含量、温度、土壤水分等因素而改变。

依据光照强度对植物可划分为：喜阳植物和喜荫植物。

最喜阳植物不存在光饱和现象，利于果实和种子的生长；喜荫植物在光强达到晴天的1/10时，光合作用就不增加，利于营养器官的生长。

喜阳植物有：水稻、小麦、玉米、棉花、荔枝、香蕉、椰子、桉树等。

喜荫植物有：茶叶、烟草、人参、龙眼、柑桔、田七、杉木等。

不同植物对光照要求不同，正确调整光照强度来提高对太阳能的利用，是作物栽培的重要课题之一。

“光呼吸”作用只在光合作用下发生，不产生能量，无益地消耗光合作用产生的有机物质。

C3植物：光呼吸作用很强，大大降低降低光合效率，如水稻、小麦、棉花。油菜等。

C4植物：光呼吸作用很弱甚至没有，相宜条件下可高产。如玉米、高梁、甘蔗等。

〔二〕光照时间对作物的影响

1、光照时间＝可照时数＋曙暮光

可照时数：日出到日落太阳可能照耀的时间长度，即昼长。

曙暮光时间：在日出和日落后，地平线下的太阳光线投射到太空中，经大气的散射、折射等投向地面的光，叫曙暮光。

2植物的光周期现象：

〔1〕定义：昼夜交替、明暗变换及其时间长短对植物进入发育阶段〔开花厚实〕的影响叫植物的光周期现象。

〔2〕分类：

短日照植物：在植物发育前期，要在较短的白昼〔1