农业基础气象 11

第一章

辐射第一节辐射的基础知识辐射定义辐射的有关物理量辐射的基本定律辐射的基础知识概念：物体以电磁波或粒子流的形式向周围传递或交换能量的方式，称为辐射。传递交换的能量称辐射能。特性：波动性和粒子性物体对辐射的吸收、反射和透射一、辐射定义1、辐射的波动性

V=λf将各种不同辐射波的波长（频率）从小到大依次排成一个谱，称电磁波谱。辐射波长很广，从10-3nm的宇宙射线到几千米长的无线电波，都属于辐射范围。

各种辐射波长的范围2、辐射的粒子性具有一定质量、能量、动量的微粒子→

光量子E=hf=hV/λ=hc/λ式中h=6.626×10-34J.S3、物体对辐射的吸收、反射和透射吸收率a=Qa/Q0

反射率r=Qr/Q0

透射率d=Qd/Q0Q0=Qa+Qr+Qd

a+r+d=1辐射通量：W

或J/S辐射通量密度：W/m2

辐照度、发射强度、放射能力光通量：lm光通量密度:lm/m2

照度（光照度、光照强度：单位时间内单位面积上接收的光能。lx二、辐射的有关物理量dFdsdFds1、基尔荷夫定律

2、斯蒂芬—波尔兹曼定律

3、维恩位移定律

三、辐射的基本定律1859年，基尔荷夫通过实验得出如下定律：在一定温度下（热量平衡时），任何物体对于某一波长的放射能力（

eλT

）与物体对该波长的吸收率（

aλT

）的比值，只是温度和波长的函数(f(λ，T)），而与物体的其它性质无关。即：

eλT/aλT=f(λ，T)=EλT

式中：EλT只是波长和温度的函数，与物体的性质无关。当温度和波长一定时，EλT为常数。结论：①对不同性质的物体，放射能力较强时，吸收能力也较强；放射能力弱时，吸收能力也弱。黑体的吸收能力最强，所以它是最强的放射体。

②对同一性质的物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射，那么在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。1、基尔荷夫定律（Kirchofflaw）黑体总的放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比。即：

ET=σT4

式中：σ=5.67×10-8W/m2K4，为斯蒂芬——波尔兹曼常数。2、斯蒂芬—波尔兹曼定律（Stefan-Bortzmanlaw）不同温度下黑体辐射强度与波长关系黑体放射能力的最大值所对应的波长（λm），与其本身的绝对温度成反比。即：

λm=C/T式中：C=2897μmK=2.897×106nmK

此定律说明：物体的温度越高，其放射能力最大值所对应的波长越短；反之，则长。3、维恩位移定律（Weindisplacementlaw）不同温度下黑体辐射强度与波长关系第一章

辐射第二节太阳辐射的基础知识太阳辐射强度和太阳常数太阳高度角昼夜和四季的确定太阳辐射的基础知识二十四节气一、太阳辐射强度和太阳常数

太阳辐射强度1

太阳常数2太阳表面温度6000K，中心达2万多度，是一个炽热的气体恒星球。太阳时刻不停地向周围空间放射出来的光和热（能量），称太阳辐射能，简称太阳辐射。整个地球从太阳获得的5.44×1024J的热量，只是太阳发射的能量的22亿分之一。单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能，称为太阳辐射强度（S），单位为：W/m21、太阳辐射强度（S）在大气上界处，当地球位于日地平均距离（1.496×108km）时，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所获得的太阳辐射能量称为太阳常数，以SO表示。变化范围：1325～1457W/m2

我国：1382W/m2

大气上界太阳辐射产生的平均照度，称为太阳光量常数。数值为1.35×105～1.4×105Lx。2、太阳常数（SO）概念：太阳以平行光束射向地面，太阳光线与地平面之间的最小夹角，称为太阳高度角。h在0～90°之间变化。投射到水平面上的太阳辐射强度的计算：

Sm′=Sm.（ABCD/ABC′D′）=Sm.sinh任何时间、任何地点太阳高度角h的计算公式：

sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosω正午时刻太阳高度角（H）的计算公式：

H＝90°-︱φ-δ︱二、太阳高度角Sm和S′m与h的关系一天中：中午h大，早晚h小，所以，中午较热，早、晚较凉；一年中：夏季h大，冬季h小，所以，夏季较热，冬季较凉；不同纬度：低纬度h大，高纬度h小，所以，低纬度较热，高纬度较凉。太阳高度角的变化：一天中太阳高度角的变化规律可照时间的计算公式日照长短的变化规律：相同纬度，昼长冬短夏长，春秋介于二者之间；

夏半年昼长随纬度升高而加长，冬半年昼长随纬度升高而缩短，春、秋分

则不随纬度升高而变。三、昼夜和四季的确定

可照时数（昼长）

概念：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。

计算公式：sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosωcosω0＝-sinφsinδ/cosφcosδ=-tanφtanδ可照时数=2ω0/15°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：实照时数与可照时数的百分比。

曙暮光时间和光照时间曙、暮光时间：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，这段时间称为曙、暮光时间。

一般曙暮光时间随纬度升高而加长；夏季尤为显著。光照时间

光照时间＝可照时数＋曙暮光时间

四季的划分天文四季

根据地球绕太阳公转的位置而划分的四季。我国目前，3、4、5月为春季。气候四季张宝坤侯平均气温10℃、22℃自然天气季节根据大气环流、天气过程和气候特征划分的季节。初春（3月初～4月中）、暮春（～6月中）、初夏（～7月中）、盛夏（～9月初）、秋季（～10月中）、初冬（～12月初）、隆冬（～3月初）。

四、二十四节气第一章

辐射第三节大气对太阳辐射的减弱大气的组成和垂直分层大气对太阳辐射的减弱作用大气对太阳辐射的减弱因素大气对太阳辐射的减弱大气对太阳辐射的减弱规律一、大气的组成和垂直分层

大气的组成1

大气的垂直分层2干洁大气水汽气溶胶粒子1、大气的组成干洁大气氮（N2）氧（O2）臭氧（O3）

来源：O2+O→O3

含量：1～3ppm；主要集中10～50km，20～30km含量最大。

作用：对紫外线有很强的吸收能力。O3减少1%，紫外辐射增加2%。二氧化碳（CO2）

来源：生物的呼吸、有机物质的燃烧和分解等等。

含量：0.02～0.05%；主要集中20km以下；白天、晴天、夏季、农村含量较少。

作用：是绿色植物进行光合作用不可缺少的原料；具有保温效应（温室效应）。臭氧（O3）二氧化碳（CO2）

水汽来源：含量:0.01%～4%；主要集中在2～3Km以下；1.5～2Km→1/2，

5Km→1/10，8～10Km就很少了。作用：是扮演天气变化的主要角色;具有保温效应（温室效应）。气溶胶粒子气溶胶粒子：尺度10-3μm～

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μm

大气中的污染物质：吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水的形成有重要意义。气溶胶粒子的作用（了解）：主要集中在3Km以下的大气中。来源：自然过程形成，如火山爆发、沙尘暴、雷击森林失火等；

人为过程造成，如煤炭、石油、天然气的使用，化肥、农药

的喷施，制冷采暖的排放与泄漏等。大气污染：由于人类活动或自然过程而使局部甚至全球范围的大气

成分发生了对生物界有害的变化，称为大气污染。大气中的污染物质2、大气的垂直分层热成层中间层平流层对流层低高散逸层大气的上界大气的垂直分层大气的上界根据大气中极光出现的最大高度，大气的上界高度为1,000～1,200km，又称大气的物理上界。以大气密度接近星际气体密度的高度作为标准，大气上界为2,000～3,000km。空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为17～18km中纬地区：平均为10～12km高纬地区：平均为8～9km时间：夏季大于冬季。对流层的厚度变化对流层集中了80%以上的大气质量和几乎所有的水汽，因此它是天气变化最复杂的层次，大气中的主要天气现象都发生在此层内。空气温度随高度升高而降低。平均而言，高度每升高100m，气温下降0.65℃。对流层空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。气象要素水平分布不均匀。对流层的主要特点：下层：1～2km以下气层近地气层：50～100m以下气层贴地气层：2m以下气层中层：

～6km上层：6km～对流层分为：气温直减率(γ)：高度上升（或下降）100m，气温的下降（或升高）值，称为气温直减率，也叫气温垂直梯度（气温铅直梯度）。在对流层，平均而言，γ=0.65℃/100m范围：从对流层顶界到50km（55km）高度。特点：①25km以下，随着高度的增加，气温保持不变或微有上升；25km以上，气温随高度增加而显著升高。②空气以水平运动为主，无明显的垂直运动。③水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适宜于飞机飞行等。平流层范围：从平流层顶界到85km高度。特点：

①气温随高度增加而迅速下降。②有强烈的垂直运动。

中间层范围：从中间层顶界到500km高度。特点：

①气温随高度增加而迅速升高。②空气处于高度电离状态，故又称为电离层。

热成层（暖层、热层）二、大气对太阳辐射的减弱作用

吸收作用1

散射作用2

反射作用3主要的吸收成分：氧、臭氧、水汽和CO2各成分的吸收波段：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的紫外线600nm的可见光水汽930~1500nm的红外线（三个强吸收带）600~700nm的红光区（三个弱吸收带）CO21460~2780nm的红外线1、吸收作用概念：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：分子散射：散射质点的直径比入射光波长小的散射，称为分子散射。

散射强度（散射能力）与入射光波长的四次方成反比，这就是蕾莱分子散射定律。

漫射：散射质点的直径比入射光波长大或差不多的散射，称为漫射。

散射强度（散射能力）与入射光波长大小无关。解释：为什么晴朗干洁的天空呈蔚蓝色？浑浊的天空呈乳白色？2、散射作用大气对太阳辐射的反射作用由两部分构成：一是散射方向与入射方向相反的那部分散射；二是云层的反射。云的反射能力随云状、云量和云而不同。高云：25%；中云：50%；低云：65%。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。稀薄云层：10-20%；厚云层：90%云层平均反射率为50%～55%。3、反射作用大气质量(m)：

太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比。

m=csch=1/sinh大气透明系数(P)Pm=Sm/Sm-1水汽、水汽凝结物、尘埃杂质多时，P减小；波长短的蓝紫光P小，波长长的红橙光P大。三、大气对太阳辐射的减弱因素h(°)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4不同太阳高度角下的大气质量布格尔—兰勃特(Bouguer-Lambert)定律

Sm=Sm-1P=S0Pm

表明：地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大气透明系数增大而增大，随大气质量增加而减小。四、大气对太阳辐射的减弱规律第一章

辐射第四节到达地面的太阳辐射直接辐射散射辐射总辐射到达地面的太阳辐射太阳辐射光谱一、直接辐射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，称为太阳直接辐射强度，简称直接辐射，用S′表示。Sˊ=Smˊ=S0.Pmsinh

h增大，Sˊ增强；

P增大，Sˊ增强；

m增大，Sˊ减小；

z升高，Sˊ增强；

φ升高，Sˊ减小。二、散射辐射阳光被大气散射后，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，称为太阳散射辐射强度，简称散射辐射，用D表示。D=S0/2（1-Pm）sinh

h增大，D增强；

P增大，D减小；

m增大，D减小；

z升高，D减小；

φ升高，D减小。

三、总辐射到达地面的Sˊ和D之和，称为太阳总辐射强度，简称总辐射，用Q表示。Q=Sˊ+D

h增大，Q增强；

P增大，Q增强；

m增大，Q减小；

z升高，Q增强；

φ升高，Q减小；

坡度和坡向，向阳坡坡度加大Q也加大；

云，云越厚越多，Q越小。概念：太阳辐射能随波长的分布曲线，称为太阳辐射光谱。太阳辐射波长范围为150～4000nm，最大放射能力的波长为475nm四、太阳辐射光谱太阳辐射光谱随h的变化太阳直接辐射光谱随h的变化

h增大，直接辐射光谱中，波长较长的部分逐渐减少，波长较短的部分逐渐增加。太阳散射辐射光谱随h的变化

干洁空气中，h增大，散射辐射光谱中，λ>600

nm的部分逐渐减少，λ<400nm的部分逐渐增加，而400nm～600nm的可见光几乎不随h而变化。第一章

辐射第五节地面辐射差额地面对太阳辐射的反射地面有效辐射地面辐射地面辐射差额大气辐射地面辐射差额地面反射率：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。地面反射率由地面性质、状态及太阳高度角决定：深色土壤小于浅色土壤；潮湿土壤小于干燥土壤；粗糙表面小于平滑表面；陈雪表面小于新雪表面；

h愈大，地面反射率愈小。地球表面平均反射率约为5%。一、地面对太阳辐射的反射概念：地面昼夜不停地向外放射辐射能，称为地面辐射。特点：地面以长波辐射的形式放射能量灰体辐射Ee=δσT4式中，相对辐射率δ（0.84～0.99）平均为0.95，σ=5.67×10-8W/m2.K4波长范围：3000～80000nm最大放射能力的波长：10000nm

二、地面辐射（Ee）概念：大气辐射:大气向四面八方发射的辐射。大气逆辐射（Ea）:大气辐射中指向地面的部分。波长范围：

4000～120000nm最大放射能力的波长：15000nm

三、大气辐射概念：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，用E0表示表达式：

E0＝Ee-δEa

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。解释：为什么晴天的夜晚比阴天的夜晚温度低？四、地面有效辐射1、概念：在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射（吸收的太阳总辐射与地面有效辐射）之差，称为地面辐射差额(B)。也称地面净辐射。2、表达式：

B=（Sˊ＋D＋δEa）—[r（Sˊ＋D）＋Ee]=（Sˊ＋D）（1—r）—（Ee—δEa）

=（Sˊ＋D）（1—r）—E0五、地面辐射差额（B）3、影响因素：太阳辐射

白天，B>0，靠近正午时B达到最大值；夜间，B<0，B=-E0。B由正值转为负值的时间出现在日落前1小时左右；由负值转为正值的时间出现在日出后1小时左右。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。在我国，39ºN以南地区，各月B>0；48ºN以北地区，3～4个月出现负值。第一章

辐射第六节太阳辐射与农业太阳辐射波谱与农业光能利用率光照时间与农业太阳辐射与农业光照强度与农业农业气候生产潜力一、辐射波谱与农业波长＞1000nm（远红外辐射），热效应。

1000～720nm（近红外辐射、红光），伸长作用。720～610nm（红橙光），光合作用最强。610～510nm（绿光），低光合、弱成形作用。510～400nm（蓝紫光），强的光合、成形作用。400～320nm（紫外辐射），成形和着色作用。320～280nm（紫外辐射），对大多数植物有害。<280nm（远紫外辐射），可立即杀死植物。

不同波谱段太阳辐射的生物学意义

1能被植物吸收用于光合作用、色素合成、光周期现象和其它生理现象的太阳辐射光谱区（或太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分），称生理辐射，又称光合有效辐射（PAR）

。PAR波长在380～710nm（0.38～0.71μm）之间，主要是可见光成分，约占太阳辐射能量的50%左右。PAR=0.43Sˊ+0.57D

光合有效辐射2二、光照时间与农业植物的光周期现象

长日照植物短日照植物中性植物光照时间与作物引种

长日照作物的引种困难少些

光饱和点和光补偿点不同作物的需光量不同；同一种作物，单株与群体的需光量不同；同一种作物不同发育期的需光量不同。

喜光植物和耐阴植物光照强度与作物的产量和品质

强光有利于作物生殖器官的发育；相对的弱光有利于营养生长。

三、光照强度与农业四、光能利用率光能利用率是单位面积上作物收获物中所储藏的能量与同期投射到该单位面积上的太阳总辐射能或光合有效辐射能的百分比。P=hm/∑Q×100%

m：单位面积上作物产量（生物学产量或经济产量）的干重。h：1克干物质燃烧所产生的热量，称折能系数。平均而言，碳水化合物为1.73×104J/g，蛋白质为2.36×104J/g，脂肪为3.93×104J/g。

光能利用率的概念及其计算公式1

改革耕作制度，充分利用生长季；采用合适的栽培技术措施：合理密植、间套作育苗移栽等；选育高光合效率新品种；科学施肥，合理施肥，改善田间CO2供应，使作物营养充足而协调；改造自然（兴修水利、温室等）使光