吉农院农业气象学课件01太阳辐射与农业

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

辐射太阳辐射第一节节气、季节及日照时间

一、昼夜及四季的形成

（一）日地关系

近日点：1月3日左右，相距1.45×108km；远日点：

7月4日左右，相距1.55×108km，日地平均距离为1.50×108km。地球公转一周，需365d5h48min46s，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23h56min4s，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66°33′的夹角。（指向北极星附近）。四季的形成昼长（可照时数）（二）太阳直射位置的变化

冬至日（12月22日）太阳直射南纬23°27′，春分日（3月21日）太阳直射赤道，夏至日（6月22日）直射北纬23°27′，秋分日（9月22日）再次直射赤道。赤纬δ的近似计算：δ=23.5sinN°(1-1)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δ=23.5sin（－60º）＝－20.35º。（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。二、可照时数、实照时数和日照百分率

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：可照时数=此时：cosω＝-tgφtgδ实照时数地面上用日照计实际测量的日照时数。日照百分率日照百分率＝—————×100%实照时数可照时数光照时间光照时间＝可照时数＋曙暮光时间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。三、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，10～22℃之间的时期为春季，22～10℃之间的时期为秋季。（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，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。二十四节气农谚歌物体以辐射的方式传递交换的能量。第二节辐射与太阳辐射㈠、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、辐射的一般知识波动性V＝λf波动性的反映电磁波谱名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围粒子性其中h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。辐射的度量和单位辐射通量、辐射通量密度

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：J·s-1或W

辐射通量密度（E）及单位定义：单位面积上的辐射通量。单位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。

光通量、光通量密度、照度光通量及单位定义：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（lm·m-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，1lx=1lm·m-2

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

入射反射吸收透射

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＝１，r＝d＝０。灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波长而变化的物体。

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＝σT4式中σ＝5.67×10-8W.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。

㈡、辐射的基本定律λm＝C/T

或λmT=C

如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm·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(λm)

与其本身的绝对温度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K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。二、太阳辐射㈠、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：W·m-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1.496×108km)，

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。变化范围：1325W·m-2

～1457W·m-2

我国采用的太阳常数值为1382

W·m-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：1.35×105～1.4×105lx

定义Sm′＝Sm·＝Sm·sinh㈡、太阳高度角、太阳方位角和昼长太阳高度角（h）太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°)

水平面上太阳辐射的计算

Sm和Sm′与h的关系图

水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。

h的计算公式sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosω式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。

δ的计算

δ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)。计算公式：

δ＝23.5sinN°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δ的值：春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0°

夏至日(22/6)：δ＝23.5°

冬至日(22/12)：δ＝-23.5°（23.5°S）

ω的确定ω是用角度表示的时间，每15°为一小时正午：ω＝0；

上午：ω＜0；

下午：ω＞0，。

正午时刻h的计算公式h正午＝90°-φ+δ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：A>0

正南以东：A<0

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。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。

㈢、大气对太阳辐射的减弱太阳辐射在大气中的减弱

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2气体成分强吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可见光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可见光水汽930~1500nm的红外光（三个强吸收带）600~700nm的可见光（三个弱吸收带）减弱方式

主要的吸收成分

各成分的吸收波段

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，分子散射。

r>

时，漫射。

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。

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%。

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h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4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。不同太阳高度角下的大气质量

m的计算当h在30°～90°时,m可近似地表示为：

大气透明系数(P)

定义

透过一个大气质量(m＝1)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S′＝Sm′＝S0Pmsinhds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。dsD=S0(1-Pm)sinh

计算公式假设散射辐射的一半回到宇宙空间，另一半忽略大气吸收。

计算公式的假定条件影响因子

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。

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。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(23.5°N)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。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。

几个重要波段名称波段(nm)占总能量的比例（%）效应作用可见光400—76050光效应植物光合作用红外区>76043热效应加热地球、大气和生物紫外区<4007化学效应杀菌消毒、促进种子萌发波谱随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的变化辐射波谱（nm）太阳高度角（度）0.551020305090紫外线（295～400）00.41.02.02.73.24.7可见光（400～760）31.238.641.042.743.743.945.3其中:

紫光（400～440）00.60.82.63.84.55.4蓝光（440～495）02.14.67.17.88.29.0绿光（495～565）1.72.75.98.38.89.29.2黄光（565～595）4.18.010.010.29.89.710.1红光（595～760）25.425.219.714.513.512.211.5红外线（＞760）68.861.058.055.353.552.950.0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％)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。h（度）<400400～600>60035.953.340.81514.658.227.23020.456.123.54523.254.822.06024.654.221.29025.853.520.7不同太阳高度角时各散射光谱段的相对比率

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。

太阳散射辐射波谱随h的变化碧空和阴天时散射光谱能量的分布

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。不同性质下垫面的反射率种类反射率（%）种类反射率（%）干的新雪80~95棉花20~22一般雪面60~70甜菜18~25污秽雪面40~50马铃薯19~27干黑土14水稻田17~22湿黑土8牧草田15~25新耕地17针叶林10~15冬小麦16~23阔叶林15~20

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。地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Ee)。

日变化㈡、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㈠、地面辐射(Ee)定义波长范围3,000nm～80,000nm，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。7,000nm～120,000nm，最大放射能力波长约为15,000nm。

波长范围㈢、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E0＝Ee-δEa其中：δ为吸收率，δEa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。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

R＝(S′+

D

)(1

–r)

-E0

白天，R>0，靠近正午时B达到最大值。夜间，R<0，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㈣、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。

计算公式太阳辐射天气状况有云的情况下，会使B的绝对值减小。纬度纬度愈低，B保持正值的月份愈多。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1.00μm的辐射，被植物吸收转化为热能；波长为1.00～0.72μm的辐射，对植物伸长起作用可见光辐射光合作用的能源第四节、太阳辐射与农业生产0.72～0.61μm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。0.61～0.51μm的光，表现低光合作用与弱成形作用。0.51～0.40μm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。光合有效辐射紫外辐射0.40～0.32μm的紫外辐射起