農業(yè)氣象學講稿

1、農業(yè)氣象學講稿緒論、大氣、輻射和溫度孫彥坤緒論一、 大氣與大氣科學大氣(Atmosphere)指包圍地球的空氣的總體。大氣科學(Atmospheric science)是研究大氣各種現(xiàn)象及其演變規(guī)律的科學。農業(yè)氣象學(Agrometeorology)是大氣科學與農業(yè)科學之間的交叉學科。二、 農業(yè)生產與氣象的關系1 大氣提供了農業(yè)生物的重要生存環(huán)境和物質、能量基礎2 大氣提供了可工農業(yè)生產利用的氣候資源3 氣象條件影響農業(yè)設施和農業(yè)生產活動的全過程4 大氣對農業(yè)生產的宏觀生態(tài)環(huán)境和其它自然資源的影響5 農業(yè)生產活動對大氣活動的影響三、 農業(yè)氣象學的研究對象與任務1 農業(yè)氣象監(jiān)測2 農業(yè)氣象信息服

2、務3 農業(yè)氣候資源開發(fā)、利用與保護4 農業(yè)氣象災害與生態(tài)環(huán)境建設5 農業(yè)小氣候利用與調節(jié)6 農業(yè)氣象基礎理論研究四、 農業(yè)氣象學的發(fā)展歷史1 古代的農業(yè)氣象知識和經驗2 農業(yè)氣象學的產生和發(fā)展3 我國農業(yè)氣象學的發(fā)展五、 中國21世紀對農業(yè)氣象的需求與發(fā)展前景第一章 大 氣地球表層是由大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈及巖石圈組成。大氣是指包圍在地球表面的空氣層，整個空氣層稱為大氣圈。地球大氣是隨著地球的形成而逐步演變的，經過幾十億年的不斷更新，才變?yōu)榻裉斓臓顟B(tài)。一般認為今天的地球大氣是經過原生大氣、次生大氣和現(xiàn)代大氣三個階段演變而成的。 原生大氣：在地球凝聚誕生的早期，氫、氦、氖等氣態(tài)物質組成了早

3、期的原生大氣層。原生大氣壽命很短，在地球形成后不久就消失了，這是因為被強烈的太陽輻射向外不斷散射的粒子流形成的太陽風吹得無影無蹤了；再一個原因是地球剛形成時，質量還不大，引力較小，加上內部放射性物質衰變和物質熔化引起能量轉換和增溫，使分子熱運動加劇，氫、氦等低分子量的氣體便逃逸到宇宙空間去了。一般認為早期地球上曾有一階段不存在大氣圈。次生大氣：地球剛形成時，溫度比較低，并無分層結構。后來由于地球的重力收縮和放射性衰變致熱等，才使地球內部溫度升高，出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，在重力作用下，物質開始分離，地球內部較輕的物質逐漸上升，外部一些較重的物質逐漸下沉，形成一個密度較大的地核。后來地球溫度不斷下降，地球冷

4、凝成固體。這時內部高溫促使火山頻頻爆發(fā)，產生出二氧化碳、甲烷、氮、水汽、硫化氫和氨等具有較重分子量的氣體，在地球引力的作用下逐漸積蓄在地球周圍，形成了圍繞地球的次生大氣。地球的水圈，也正是在這個階段由水汽凝結降落而形成的。大約在地球形成1015億年，巖石圈、大氣圈和水圈已經演化成形?，F(xiàn)代大氣：在地熱、太陽能的作用下，簡單的無機物和甲烷等化合生成氨基酸、核苷酸等有機物并逐步演化為蛋白質。大約在35億年前，海洋中形成了簡單的原始生物（細菌），屬于厭氧型的生物，并逐漸演化產生葉綠素，進行光合作用，這就是水體中出現(xiàn)的最早自養(yǎng)生物藻類。隨著紫外線的光解和光合反應，大量的氧生成了，使地球上開始了生命活動的

5、歷程。此時海洋有效地阻擋了致命的紫外線輻射，使原始生命在海洋中繁衍起來。最后高空氧逐漸增多，在光解作用下產生了臭氧層，它使透過大氣的紫外線大為減少，促使植物進入海洋上層，又增加了光合反應的機會，更促進植物生命的大大發(fā)展。隨著這種相互間的協(xié)調和增益過程，直到4億年前，生命終于跨過了漫長的歲月，從海洋登上了陸地。大氣也演變成今天的樣子?？梢?，生命也正是在大氣的參與和保護下，通過以光合作用為主的復雜的過程而形成的。第一節(jié) 大氣的組成和垂直結構一、大氣的組成現(xiàn)代大氣是由一些永久氣體、水汽、霧滴、冰晶和塵埃等混合組成的，這種混合物一般分為三類：干潔大氣、水汽和氣溶膠粒子。1干潔大氣 不含水汽和氣溶膠粒子

6、的混合空氣稱為干潔大氣。（1）氮和氧（2）臭氧（3）二氧化碳2大氣中的水汽3氣溶膠粒子 氣溶膠是指大氣中處于懸浮狀態(tài)的土壤、肥料、濃煙、鹽等的小顆粒，火山和宇宙塵埃、微生物、植物孢子和花粉、小水滴、冰晶等。二、大氣的垂直結構大氣總質量約為5.3×1015t，其中有50%集中在離地5.5km以下的層次內，在離地361000km的大氣層只占大氣總質量的1%。根據溫度、成分、電荷等物理性質，同時考慮到大氣的垂直運動等情況，可將大氣從地面到大氣上界分為5層。即：對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。1 對流層對流層是靠近地表的大氣最底層。它的厚度隨緯度和季節(jié)的不同而有變化。就緯度而言，低緯度

7、平均為1718km，中緯度為1012km，高緯度只有89km。就季節(jié)而言，夏季厚、冬季薄。對流層的厚度同整個大氣層相比，雖然十分薄，不及整個大氣層厚度的1%。但由于地球引力，使大氣質量的3/4和幾乎全部的水汽都集中在這一層。云、霧、雨、雪、風等主要大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層中，它是天氣變化最為復雜的層次，因而也是對人類生產、生活影響最大的一層。對流層的主要特征：（1）溫隨高度增加而降低。（2）空氣具有強烈的對流運動。（3）氣象要素水平分布不均勻。2平流層平流層位于對流層頂到距地面約5055km的高度。平流層是地球大氣中臭氧集中的地方，尤其在2025km高度上臭氧濃度最大，所以這個層又稱臭氧層。平流

8、層的特征：（1）氣溫隨高度的上升而升高。（2）空氣以水平運動為主。（3）水汽含量極少，大多數時間天氣晴朗。3中間層中間層是從平流層頂到距地面85 km的高度。這一層的特征是氣溫隨高度的增加迅速降低，氣流有強烈的垂直運動，故又稱高空對流層。其頂部的氣溫可降至-113-83 。其原因是這一層中幾乎沒有臭氧存在，但能直接吸收波長更短太陽輻射的氮和氧又大部分被其上層大氣（熱層）吸收了。層內的二氧化碳、水汽等更稀少，幾乎沒有云層出現(xiàn)。僅在7590km高度有時能見到一種薄而帶銀白色的夜光云，但機會很少。這種夜光云有人認為是由極細微的塵埃組成。在此層的6090km高度上，有一個只在白天出現(xiàn)的電離層叫D層。4

9、熱層熱層又稱暖層，位于中間層頂以上。該層氣溫隨高度增加而迅速增高，這是由于波長小于0.175m的太陽紫外輻射都被該層的大氣（主要是原子氧）吸收的緣故。熱層沒有明顯的頂部，通常認為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉為等溫時為其上限。有人觀測熱層頂部約在250500km，也有人認為可達800km。熱層的主要特征：（1）氣溫隨高度的增加迅速升高。（2）空氣處于高度電離狀態(tài)。據探測，暖層中各高度上的空氣電離的程度是不均勻的。其中最強的有兩層，即E層和F層。E層約位于90130km，F(xiàn)層約位于160350km。F層在白天還可分為F1和F2兩區(qū)。據研究高層大氣（60km以上）由于受到太陽的強烈輻射，迫使氣體

10、原子電離，產生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能產生電流和磁場，并可反射無線電波。從這一特征來說，這種高層大氣又可稱為電離層，正是由于高層大氣中電離層的存在，人們才可以收聽到很遠地方的無線電臺的廣播。此外，在高緯地區(qū)的晴夜，熱層中可以出現(xiàn)彩色的極光。這可能是由于太陽發(fā)出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發(fā)后發(fā)出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場的作用下，向南北兩極移動，所以極光常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)的上空。5散逸層這是大氣的最高層，又稱外層，是大氣圈與星際空間的過渡帶。這一層中氣溫隨高度的增加很少變化。由于溫度高，空氣粒子運動速度很快，又因距地心很遠，受地心引力很小，所以大氣粒子?？缮⒁葜列?/p>

11、際空間。同時也有宇宙空間的氣體分子闖入大氣，二者可保持動態(tài)平衡。第二節(jié) 大氣污染由于人類活動或自然過程，使排放到大氣中的物質的濃度及持續(xù)時間足以對人類及動植物的健康、設施或環(huán)境產生不利影響，破壞了生態(tài)系統(tǒng)和人類及動植物的生活生存條件的現(xiàn)象，稱為大氣污染。據世界觀察研究所發(fā)布的世界環(huán)境狀況報告指出：世界環(huán)境正在惡化，大氣污染已成為全球十大環(huán)境問題之一。環(huán)境專家已測出260余種危害人體的揮發(fā)性有機物。如果讓這種趨勢繼續(xù)發(fā)展，自然界將失去供養(yǎng)人類的能力。引起大氣環(huán)境污染的物質主要來自兩方面：一是自然界各種自然過程如火山爆發(fā)、森林大火等產生的，即“自然源”；二是人類生產和生活過程產生的，即“人工源”。

12、引起大氣污染廣泛而嚴重的主要是“人工源”，因此人們所指的污染源通常指的是“人工源”。一、 大氣污染源1工業(yè)污染源 工業(yè)生產過程中產生的大氣污染物是大氣中污染物的主要來源，這類排放源的特點是大而集中。據統(tǒng)計，我國工業(yè)企業(yè)的煙塵和SO2排放量占全國總排放量的84%。2交通運輸污染源 汽車、火車、輪船、飛機等交通運輸工具與工廠相比，具有小型、分散、流動等特點，但其數量寵大，污染物排放總量也相當可觀。特別是對人體危害極大的一氧化碳和氮氧化物，交通運輸的排放量占總排放量的一半以上。例如，美國1970年統(tǒng)計全國排放一氧化碳1.47億t，其中交通運輸排放量占76%。飛機排放的污染物，目前雖然還不算很大，但隨

13、著航空事業(yè)的發(fā)展，在平流層飛行的飛機將不斷增加，噴射的污染物會在平流層長期滯留，并逐漸進入臭氧層，從而將會對臭氧層產生不利影響。3農業(yè)污染源 農業(yè)生產過程中，因農藥、化肥等使用不當，也會對大氣產生嚴重的污染，對農業(yè)產品及產品質量也有不良影響。4生活污染源 生活污染源主要是指：家庭爐灶及取暖設備在燃燒過程中向大氣排放的污染物質。由于其數量大、分散廣、排放高度低，使排放的污染物常彌漫于居住區(qū)周圍。污染物基本上是燃料（主要是煤）燃燒產生的煙塵、CO2、SO2等。特別是由于工業(yè)發(fā)展帶來的城市人口集中，生活用煤產生的污染物數量相當可觀，成為城市低空中大氣污染不可忽視的污染源。我國北方城市，冬季取暖用煤是

14、城市大氣污染的重要原因。二、大氣污染物大氣中除水汽在05%之間變化外，微小塵埃和微生物在大氣中逐年增多，特別是近百年來，大工業(yè)的興起、現(xiàn)代化生產的發(fā)展，把大量有害物質排放到大氣中。它們可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的微粒，通常分為七大類：1含硫化合物 大氣中含硫化合物有：SO2、SO3、H2SO4、H2S、硫醇、亞硫酸鹽、硫酸鹽和有機硫化合物等。2含氮化合物大氣中含氮化合物有NH3、N2O、NO、NO2等，氮氧化合物是大氣中主要污染物之一，通常以NO、NO2危害最大。3碳氧化合物 大氣中碳氧化合物主要來源于燃料的燃燒，污染物主要包括CO和CO2。4碳氫化合物 由碳元素和氫元素組成的化合物稱為碳氫化合物

15、。大氣中的碳氫化合物通常是指可揮發(fā)的碳氫化合物，又稱烴類。它們主要是烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等，其中CH4和C20H12是主要污染物。5含鹵素化合物 大氣中以氣態(tài)存在的含鹵素化合物大致可分為三類：鹵代烴、其它含氯化合物和氟化物。6光化學氧化劑 光化學氧化劑是由天然源和人工源排放的氮氧化物和碳氫化物在陽光照射下，發(fā)生光化反應生成的。它主要包括：臭氧（O3）、過氧乙酰硝酸酯（PAN）、二氧化氮（NO2）、醛類、過氧化氫（H2O2）等能危害人類和動植物，具有刺激性（如引起眼睛酸、痛、流淚等）、氧化性的物質，其中臭氧和PAN是最主要的。7顆粒物 顆粒物是氣溶膠、總懸浮顆粒物（TSP）、飄塵、降塵、可吸

16、入顆粒物的統(tǒng)稱。大氣中除了包含有各種氣體成分外，還懸浮有各種不同尺度的液態(tài)和固態(tài)的微粒。這種氣體和粒子共存的體系稱為氣溶膠。將大氣中的氣溶膠稱為大氣氣溶膠粒子。大氣中的煙、塵乃至懸浮的微生物，花粉等皆可為大氣氣溶膠粒子，其粒徑在0.002100m之間。總懸浮顆粒物（TSP）是指用標準大容量采樣器在濾膜上收集到的粒子總質量。是我國大氣環(huán)境質量標準中的質量指標，其粒徑絕大多數小于100m，多數為10m以下。按顆粒物自然沉降特性分為降塵和飄塵，降塵是指粒徑大于10m的微粒，飄塵是指粒徑小于10m的微粒。可吸入顆粒物是指粒徑小于10m的粒子。粒徑越小，在大氣中停留時間越長，被吸入人體的幾率越高。粒徑大

17、的顆粒易被鼻腔和咽喉所阻擋而沉積于上呼吸道，而粒經小的顆?？蛇M入呼吸道深部。粒經大于2m的粒子大部分留在了上呼吸道；小于2m的粒子可以一直到達肺部無纖毛區(qū)，對人體健康造成極大危害，因此目前可吸入顆粒物已取代總懸浮顆粒物成為大氣環(huán)境質量標準的主要指標之一。三、大氣污染的影響大氣污染給人類和自然界帶來了極大的危害，其危害除了前面在“污染源”和“污染物”中提到的對人類健康等方面的危害外，還涉及到許多其它方面。1對農業(yè)生產的危害農業(yè)生產的正常進行需要一定質量的大氣為基本條件。各種來源的污染物輸入大氣，使大氣質量發(fā)生相應變化。如果大氣污染物濃度超過了農業(yè)的允許水平，對農業(yè)生產將造成不良影響。如農作物減產

18、，產品品質下降，價值降低等。常見的危害農業(yè)生產的污染物，按其毒副作用過程的不同，大體可分為氧化類、還原類或酸性類、堿性類或有機類、無機類等幾大類。氧化類：臭氧、過氧乙酰硝酸酯（PAN）、NO2、Cl2等。還原類：SO2 、H2S、CO、甲醛等。酸性類：HF、HCl、HCN、SO3、SiF4等。堿性類：NH3等。有機類：C2H4、甲醇、苯、酚等。無機類：重金屬及其氧化物、粉塵、煙塵、塵土等。各類大氣污染物對植物不僅毒副作用的過程不同，而且毒性強弱也有很大差別,可分為從強到弱的A、B、C三級。如A級有HF、SiF4、C2H4、PAN等，B級有SOX、NOX、硫酸煙霧、硝酸煙霧等，C級有甲醛、H2S

19、、CO、NH3、HCN等。一般而言，就全世界范圍來看，對植物影響最大的大氣污染物主要是：SO2、O3、PAN、Cl2、HF、C2H4和NOX等。大氣污染物對植物的危害除了與污染物的濃度和接觸時間有關外，還與植物本身對污染物的抗性有關。一般把對某種大氣污染物抗性最小的即最敏感的植物作為此種污染物的指標植物。如SO2的指標植物是紫苜蓿，氟化物和臭氧的指標物分別是唐菖蒲和煙草等。當然，大氣污染物對植物是否造成危害及嚴重程度還與所處環(huán)境有關，如與氣溫、光照、水分、風向、風速、逆溫、地形地貌等影響污染物擴散的環(huán)境因素有關。2對全球氣候的影響人類每年向大氣中排放數億噸的污染物，在一定程度上改變了低層大氣的

20、結構和性質，影響了地球表面對太陽輻射的收支狀況，對天氣、氣候產生影響。（1） 酸雨酸雨是指pH5.6時的降水?？罩薪邓緛硎侵行缘模嵊旰崃恳话愠^正常含量幾十倍，最低時pH值可達1.5。酸雨主要是由于大量的二氧化硫，在潮濕而污濁的空氣中，與水膜接觸后形成亞硫酸水溶液，進一步被大氣中的金屬離子催化氧化成硫酸而形成酸雨。它的毒性比SO2和氮氧化物大好多倍，被稱為“天空中的死神”。酸雨的危害概況：歐洲大氣化學監(jiān)測網近20年連續(xù)監(jiān)測結果表明，歐洲雨水的酸度每年增加10%，很多西北歐國家的酸雨pH值多為4.04.5，日本的降雨pH也已達4.34.4。我國酸雨也日趨加重，1982年全國普查，酸雨面積

21、約占國土面積的6.8%，酸雨城市主要出現(xiàn)在長江以南。重慶酸雨的pH值達4.04，廣州市的酸雨pH值最低為3.69（1984年），貴陽為4.07。酸雨的危害是多方面的：首先，它使河流、湖泊酸化。挪威南部有1.3萬km2的湖面無魚，北歐和北美有2000個左右湖泊的物種絕跡。其次是危害植物生長，雙子葉作物受害大于單子葉作物，尤其是根類作物，pH值在2.03.0可引起葉片傷害。1989年歐洲經濟委員會和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合調查，發(fā)現(xiàn)有0.5億km2的森林由于酸雨的危害出現(xiàn)枯萎。第三，降低土壤肥力，使土壤酸化。瑞典一些森林土壤的pH值降低了0.30.7，北歐和北美在半個世紀前已發(fā)現(xiàn)土壤酸化。第四，嚴重腐

22、蝕城市建筑物、機器、橋梁和藝術品。（2） 溫室效應溫室效應是指大氣吸收地面長波輻射之后，也同時向宇宙和地面發(fā)射輻射，對地面起保暖增溫作用。大氣中能夠強烈吸收地面長波輻射，從而起溫室效應的氣體稱為溫室氣體，它們主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化碳、氟里昂以及水汽等；除水汽以外，其它溫室氣體在自然大氣中含量都極少（氟里昂還是人類制造出來的），因此，人為釋放如不加以限制，便容易引起全球大氣迅速變暖。根據對南極和格陵蘭冰蓋中密封氣泡的CO2濃度測定，工業(yè)革命以前CO2濃度一直是比較穩(wěn)定的，大約是280×10-6左右，如按現(xiàn)在CO2濃度增長速度（年增長率大于1.0×10-6,有的年甚

23、至增長了1.5×10-6），大約到2100年前后可達到560×-6，即比工業(yè)革命前增加了一倍。氣溫也將上升1.03.5，升溫將主要集中在高緯度地區(qū)，南北兩極的冰將加快融化。（3） 臭氧層遭破壞臭氧主要分布在平流層的1050km的范圍內，尤其在1530km高度上臭氧濃度較大。目前由于人類制造出來的氯氟烴化合物，正在大量破壞臭氧層中的臭氧分子，使兩極地區(qū)臭氧層明顯變薄，南極上空春季甚至出現(xiàn)臭氧空洞（臭氧濃度只有正常值的1/3左右），紫外線大量通過大氣層，使人患皮膚癌和白內障的機會增大。此外紫外線還能嚴重傷害植物，降低海洋生物的繁殖能力。目前已知影響臭氧層的化學反應物大約有一萬種

24、。近年來發(fā)現(xiàn)，廣泛用于各種霧化劑、除臭劑和制冷劑的氟里昂（CFCl3和CF2Cl2），對臭氧層的破壞特別嚴重， Cl和O3發(fā)生反應后，可以重新產生Cl，使O3不斷分解。因此大氣上層只要出現(xiàn)少量的Cl原子，就會帶來嚴重影響。此外還有氮氧化物也能和臭氧發(fā)生反應使臭氧分解。四、大氣污染的防治1 合理布局工業(yè)，減少污染物排放2 改進燃燒方法和燃料構成3 采用區(qū)域采暖集中供熱4 減少交通廢氣污染5 合理使用農藥和化肥6 造林綠化第二節(jié) 大氣與農業(yè)在大氣中，對農業(yè)生產影響較大的氣體成分有二氧化碳、氮、氧、臭氧、水汽等。這里主要介紹一下二氧化碳對農業(yè)生產的影響。CO2是植物光合作用制造有機物的主要原料；植物

25、在光合作用過程中吸收CO2，又通過呼吸作用釋放出CO2 。地球上，每年參與光合作用的CO2大約有1100億t?？茖W家很早就發(fā)現(xiàn)光合作用在低光強下受光的限制，而在高光強下卻要受CO2的限制。如果田間CO2濃度過低時將對作物的光合作用產生不利影響。在光合作用旺盛時，農田植被群體中常出現(xiàn)CO2不足的問題。農田中CO2的來源主要是大氣和土壤。作物光合作用所需的CO2主要靠大氣供給。一、 CO2濃度變化對農作物的影響1CO2濃度增高對不同類型植物的影響光合作用固定C元素的途徑有C3、C4和景天科酸代謝型。增加CO2濃度，C3類植物無論在弱光還是強光下，光合作用均能得到促進，因此森林底層受蔭蔽的植物，群體

26、過密的作物都能增加產量。2CO2濃度增高對植物光合率與生產力的影響增加CO2濃度，從長期來看可以延遲葉片衰老，使葉片有較長的時間維持活躍的光合作用，這對增產是有利的。3CO2濃度增高對植物水分利用率的影響植物每獲得1個分子的CO2，葉片將通過同一擴散路徑，失去幾百個分子的水，光合作用吸收CO2同蒸騰失去水分的比值稱為光合水分利用率。增加CO2濃度可減少小麥蒸騰約80%，玉米、高粱約68%。對14種作物的398次觀測表明，平均減少蒸騰36%。一方面減少用水，另一方面增加光合率，結果使水分利用率相應地也提高了。二、CO2增加后對農業(yè)計劃與措施的調整1作物類型的調整根據專家研究，增加大氣中CO2濃度

27、，塊莖是受益最大的，其次是籽粒。因此，作物類型將要做相應改變。增加CO2濃度，C4植物受益較少，所以C4植物如玉米、高粱、甘蔗等的地位將可能相應下降。2育種的考慮培育抗倒伏、不分孽過多的作物（如小麥）品種等，因為增加CO2后作物的生物量將增加，易發(fā)生倒伏現(xiàn)象。3耕作措施的考慮（1）因增加CO2而促進了早期生長，將更早地耗盡土壤中的水分，故在耕作措施上應相應地調整。（2）由于CO2充分，水分利用率高，作物的種植密度可以相應提高。（3）CO2后作物對肥料的要求更高，故應增加肥料的供應。4作物的分布區(qū)域CO2濃度的增加，使水分利用率提高，作物生長所需水量將減少，因此在缺水或缺少灌溉的地區(qū)，可以種植一

28、些原來不能種植的作物，并能獲得高產。增加CO2濃度將增加植物的耐鹽性。因為CO2濃度高可使作物多固定C元素，以增加碳水化物的供應，從而緩解鹽害，使某些植物在中等鹽漬地區(qū)能比原來長得快些，在原來不能生長的鹽漬地能夠生存下來。換言之，增加CO2濃度，可使植物略向多鹽的地區(qū)擴展。如果某地含鹽量逐年增加，則該植物能在該地區(qū)多種植幾年。第二章 輻 射第一節(jié) 輻射的基本知識一、輻射與輻射能1輻射輻射是以電磁波形式傳遞能量的一種方式。自然界中的一切物體，只要其溫度高于絕對零度，就會不停地以電磁波的形式向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。以輻射方式傳遞的能量稱為輻射能，簡稱輻射。輻射是能量傳播方式之一，

29、也是太陽能傳輸到地球的惟一途徑。電磁波可用波長（）、頻率（）表示。波長常采用單位m（微米）或nm（納米）；頻率單位為Hz（赫茲）。各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度（C）相等，稱為光速C=3×108m/s。電磁波的波長、振動頻率和傳播速度的關系為：(=c/)JY（2.1）從上式可看出，頻率高的電磁波的波長較短，頻率低的電磁波的波長較長。2 輻射能輻射的粒子學說認為，電磁輻射是由許多具有一定質量、能量和動量的微粒組成。這些微粒稱為量子或光量子(quantum)。每個量子所具有的能量e（energy）與其頻率成正比，波長成反比。它們之間的關系為：e=h 或 e=hc/ （2.2）式中h是

30、普朗克常數，h=6.63×10-34J·s。由式中可看出, 波長越短的光每個光量子所具有的能量越大，反之波長越長的光每個光量子所具有的能量越小。 單個光量子所具有的能量非常小，量級是10-19，在實際應用中非常不方便，因此愛因斯坦（Einstein）提出采用每mol（阿伏加德羅常數6.02×1023）的光量子為單位，用Ei表示。例如波長0.4m和0.5m的一個愛因斯坦(Ei)所具有的能量，分別為299.2kJ和239.4kJ。在氣象學中，通常以焦爾（J）作為輻射能的單位。自然界物體在單位時間、單位面積上發(fā)射或吸收的輻射能量稱輻射通量密度E(Energy)，單位是W

31、/2。3 物體對輻射的吸收、反射和透射自然界中，不論何種物體，在向外發(fā)射輻射的同時，必然會接受到周圍物體向它投射過來的輻射。但投射到物體上的輻射并不能全部被吸收，其中一部分將被反射。如果物體是透明的，則還有一部分將透過物體。物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率a（absorptivity）；物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率r(reflectivity)；物體透過的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率t(transmissivity)。對均勻介質而言，它們之間的關系為：a+r+t=1 （2.3）a，r，t是01之間無量綱數，分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。

32、同種物體對不同波長的輻射有不同的吸收率、反射率和透射率，這種特性稱為物體對輻射吸收、反射和透射的選擇性。吸收率等于1的物體稱為黑體。如果某物體對所有波長的輻射都能全部吸收，即a=1，則稱此物體為絕對黑體；如果只對某一波長的輻射全部吸收，即a=1，則此物體對該波長為黑體。如果某物體的吸收率是小于1的常數，并且不隨波長而改變，這種物體稱為灰體。自然界并不存在絕對黑體和絕對灰體，但為了研究方便，可將某些物體在一定的波長范圍內，近似地看作黑體或灰體，例如在814m波段內，黑而潮濕的土壤具有大約0.970.99的吸收率，故可近似地把它看為黑體。應當注意，這里定義的黑體與一般所謂的黑顏色物體是有區(qū)別的。物

33、體的顏色只表明它反射太陽短波輻射中可見光的性質，所以不能根據物體的顏色來判斷它對非可見光的吸收率。我們說太陽近于黑體是因為它對各種波長的輻射吸收率均接近。而潔白的雪對紅外線的吸收遠比一般的黑顏色物體更接近黑體。二、輻射光譜輻射能是通過電磁波的方式傳輸的。電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10m的宇宙射線到波長達幾千米的無線電波。肉眼看得見的是從紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色組成的光帶，其中紫光波長最短，紅光波長最長，其它各色光的波長則依次介于其間。波長短于紫色光波的有紫外線、X射線、射線等；波長大于紅色光波的有紅外線和無線電波，這些射線雖然肉眼看不見，但可以用儀器測量出來氣象學所研究的僅

34、僅是整個輻射光譜中的一小部分，包括太陽、大氣和地球表面的輻射，它的波長范圍基本上在0.1120m,也就是紫外線，可見光和紅外線波段。太陽輻射的波長范圍主要在0.54m, 地面和大氣的輻射波長范圍在3120m。因此，氣象學中習慣把太陽輻射稱為短波輻射，而把地球表面和大氣輻射稱為長波輻射，并以4m為其分界線。輻射與分子傳導、對流等傳播方式不同，它不需要任何媒介物質，可以在真空中進行。三、輻射的基本定律1基爾霍夫（Kirchhoff）定律定律的表達式為：a= （2.4）式中是某物體的發(fā)射率。此定律表明：在一定溫度T下，物體對某波長的吸收率a等于該物體在同溫度下對該波長的發(fā)射率。即對不同物體，輻射能力

35、強的，其吸收能力也強；輻射能力弱的，其吸收能力也弱。黑體吸收能力最強，所以它也是最好的發(fā)射體。爾霍夫定律的意義在于它把物體的發(fā)射與吸收聯(lián)系起來了，只要知道某物體的吸收率就可以知道其發(fā)射率，反之亦然。2普朗克（Planck）定律1900年普朗克根據輻射過程具有量子特性的假設，導出了與實驗相符合的普朗克公式，求出了黑體輻射能力與黑體溫度及波長的關系，其公式為：EBSX(2hcexp(hc/KT)-1SX)JY（25）式中EB (Black)是絕對黑體發(fā)射的輻射通量密度，單位是W/m2；C是光速，C=3×108m/s；h是普朗克常數，h=6.63×10-34J·s；K是

36、波爾茲曼（Boltzmann）常數,K=1.38×10-23J/K，T指的是物體的絕對溫度，單位為K；exp為自然對數的底。理論上，任何溫度的絕對黑體都發(fā)射波長0m的輻射，但溫度不同，輻射能力不同，輻射能集中的波段也不同。例如溫度為6000K的物體總輻射能力比288K大得多。而且6000K溫度的物體的輻射能量主要集中在0.174m波段內，而288K溫度的物體的輻射能量主要集中在3.380m波段內。 每一溫度下，黑體輻射都有一輻射最強的波長，稱為這個溫度下發(fā)射的輻射峰值，并用max表示,即光譜曲線的極大值。物體溫度越高，其輻射峰值所對應的波長max越短。3斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan

37、-Boltzmann）定律絕對黑體的積分輻射能力與其絕對溫度的四次方成正比。ETB=4式中ETB是溫度為T的絕對黑體發(fā)射的輻射總能量；是斯蒂芬-波爾茲曼常數，=5.67×10-8W/(m4·k4)對于非黑體或稱灰體物質來說，只要在公式的右邊增加物體的發(fā)射率，它們的輻射能力就可以確定了。公式可寫成：ET=T4 （2.6） 4維恩（Wein）位移定律黑體輻射極大值所對應的波長與其絕對溫度成反比，這個定律同樣可以由普朗克公式通過對波長求導得到極大值。求導后的維恩位移公式表達式是：max=SX(2897TSX) （2.7）式中max是T（K）溫度下的輻射峰值，單位（m），2897是

38、常數，單位（m·K）。從式中可看出，物體溫度越高，發(fā)射的輻射峰值max越短，發(fā)出的光也越白。由維恩定律求出的溫度稱為顏色溫度。例如太陽發(fā)射的輻射峰值的波長約為0.475m，用維恩定律可計算出太陽的顏色溫度為6100K，同樣已知地面、大氣和對流層頂大氣發(fā)射的輻射峰值分別是9.7m、11.6m和14.5m，用維恩定律算出的顏色溫度分別為300K、250K和200K。這與用普朗克定律計算的結果完全一致。溫度在38007600K之間的物體，其發(fā)射的輻射峰值波長在可見光區(qū)，高于7600K時波長位于紫外線區(qū)，低于3800K的位于紅外線區(qū)。第三節(jié) 太陽輻射一、太陽輻射光譜和太陽常數1太陽輻射光譜太

39、陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜大氣上界太陽光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似。因此可以把太陽輻射看作黑體輻射。太陽是一個熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K，內部溫度更高。根據維恩位移定律可以計算出太陽輻射峰值的波長max為0.475m，這個波長在可見光的青光部分。太陽輻射主要集中在可見光部分（0.40.76m），波長大于可見光的紅外線（0.76m）和小于可見光的紫外線（0.4m的部分少。在全部輻射能中，波長在0.154m之間的占99%以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外區(qū)

40、的太陽輻射能很少，只占總量的約7%。2太陽常數太陽輻射通過星際空間到達地球表面。當日地距離為平均值，在被照亮的半個地球的大氣上界，垂直于太陽光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽輻射能量稱為太陽常數，用Rsc (Solar constant)表示，單位為（W/m2）。太陽常數是一個非常重要的常數，一切有關研究太陽輻射的問題，都要以它為參數。關于太陽常數的研究已有很長歷史了，早在20世紀初，人們就已經通過各種觀測手段估計它的取值，認為大約應在13501400W/m2之間。太陽常數雖然經多年觀測，由于觀測設備、技術以及理論校正方法的不同，其數值常不一致。據研究，太陽常數的變化具有周期性，這可能與太

41、陽黑子的活動周期有關。在太陽黑子最多的年份，紫外線部分某些波長的輻射強度可為太陽黑子最少年份的20倍。近年來，氣候學家指出，只要地球的長期氣候發(fā)生1%的變化，就會引起太陽常數的變化。目前已有許多無人或有人操作的空間實驗對太陽輻射進行直接觀測，并在宇宙空間實驗站設計了名為“地球輻射平衡”的課題，其中一個重要項目就是對太陽輻射進行長期監(jiān)視。這些觀測數據將對進一步了解大氣物理過程及全球氣候變遷的原因有很大幫助。1981年世界氣象組織推薦的太陽常數值Rsc=1367±7（W/m2），通常采用1367W/m2。二、 太陽輻射在大氣中的衰減太陽輻射通過大氣層后到達地球表面。由于大氣對太陽輻射有一

42、定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達地表面。與大氣上界的太陽輻射光譜相比較，通過大氣層后，太陽總輻射能有明顯地減弱；波長短的輻射能減弱得最為顯著；輻射能隨波長的分布變得極不規(guī)則。產生這些變化有以下幾方面原因：1大氣對太陽輻射的吸收太陽輻射穿過大氣層到達地面時，要受到一定程度的減弱，這是因為大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射能的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、液態(tài)水、二氧化碳、氧、臭氧及塵埃等固體雜質等。太陽輻射被吸收后變成了熱能，因而使太陽輻射減弱。水汽吸收最強的波段是位于紅外區(qū)的0.932.85m,據估計，太陽輻射因水汽的吸收可減弱約4%15%。氧只對波

43、長小于0.2m的紫外線吸收很強，在可見光區(qū)雖然也有吸收，但較弱。臭氧在大氣中的含量很少，但在紫外區(qū)和可見光區(qū)都有吸收帶，在0.20.3m波段的吸收帶很強，由于臭氧的吸收，使小于0.29m波段的太陽輻射不能到達地面，因而保護了地球上的一切生物免遭紫外線過度輻射的傷害。臭氧在0.440.75m還有吸收，雖不強，但因這一波段正好位于太陽輻射最強的區(qū)域內，所以吸收的太陽輻射量相當多。二氧化碳對太陽輻射的吸收比較弱，僅對紅外區(qū)2.7m和4.3m附近的輻射吸收較強，但該區(qū)域的太陽輻射較弱，被吸收后對整個太陽輻射的影響可忽略。懸浮在大氣中的水滴、塵埃、污染物等雜質，對太陽輻射也有吸收作用，大氣中這些物質含量

44、越高，對太陽輻射吸收越多，如在工業(yè)區(qū)、森林火災、火山爆發(fā)、沙塵暴等，太陽輻射都有明顯減弱。總之，大氣對太陽輻射的吸收，在平流層以上主要是氧和臭氧對紫外輻射的吸收，平流層至地面主要是水汽對紅外輻射的吸收。被大氣成分吸收的這部分太陽輻射，將轉化為熱能而不再到達地面。由于大氣成分的吸收多位于太陽輻射光譜兩端，而對可見光部分吸收較少，因此可以說大氣對可見光幾乎是透明的。2大氣對太陽輻射的散射太陽輻射進入大氣時將遇到空氣分子、塵粒、云霧滴等質點，都要產生散射現(xiàn)象。散射不像吸收那樣是把輻射轉變?yōu)闊崮埽皇歉淖冚椛涞姆较?，使太陽輻射以質點為中心向四面八方傳播，使原來傳播方向上的太陽輻射減弱。如果太陽輻射遇

45、到的散射質點的直徑比入射輻射的波長要短（如空氣分子），則對入射輻射中波長較短的輻射的散射強，也即輻射波長愈短，散射愈強；而對波長較長的輻射散射弱。對于一定大小的分子來說，散射能力與波長的四次方成反比。這種散射是有選擇性的，稱為分子散射，也叫雷利（Rayleigh）散射。若將紅光（0.70m）的散射系數定為1.0，則紫光（0.44m）的散射系數為紅光的6.4倍。當大氣中的水汽、塵粒等雜質較少時，主要是空氣分子散射，太陽輻射中波長較短的藍紫光被散射得多，所以晴朗的天空呈蔚藍色。日出、日落時，因光線通過大氣路程長，可見光中波長較短的光被散射殆盡，所以看上去太陽呈桔紅色。當太陽輻射遇到的散射質點的直徑

46、是比入射的波長大的粗粒質點，輻射雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣地被散射。這種散射稱粗粒散射，也稱米(Mie)散射。例如當空氣中污染較嚴重或存在較多的霧粒或塵埃等雜質時，一定范圍的長短波都同樣地被散射，使天空呈灰白色。3大氣云層及顆粒物對太陽輻射的反射大氣中的云層和較大顆粒物能將部分太陽輻射反射回宇宙空間。其中云的反射能力最強。云的反射能力隨云狀、云量和厚度的不同而不同。一般情況下云的平均反射率為0.500.55。如果按地球平均云量為5計算，太陽輻射就有近25%被云反射回空間，因此云的反射作用對太陽輻射影響很大。上述提到的大氣對太陽輻射的衰減三種方式中，以反射作用

47、最為重要，尤其以云層對太陽輻射的反射最為明顯，散射作用次之，吸收作用相對最小。三、 到達地面的太陽輻射到達地面的太陽輻射由兩部分組成：一是太陽以平行光的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射，用Rsb(Direct beam solar radiation)表示；另一個是經過散射后到達地面的，稱為散射輻射，用Rsd (Diffuse solar radiation)表示，兩者之和就是到達地面的太陽總輻射，用Rs（Solar radiation）表示，Rs=Rsb+Rsd。1直接輻射太陽以平行光形式投射到地面的直接輻射Rsb是地球表面獲得太陽輻射最主要來源。它的強弱由下式表示：Rsb=am&#

48、183;Rsc·sinh （2.8）式中Rsc是太陽常數1367W/m2, h是太陽高度角，a是大氣透明系數，m是大氣質量數。從式中可以看出，太陽直接輻射與太陽高度角、大氣質量數和大氣透明系數有關。（1）太陽高度角太陽平行光線與水平面之間的夾角稱為太陽高度角。太陽直接輻射隨太陽高度角的增大而增大。一方面是由于太陽高度角(h)愈小時，等量的太陽輻射能散布的面積愈大，則單位面積上接受到的能量就愈少，另一方面，因為太陽高度角愈小時，太陽光穿過的大氣層就愈厚，大氣對太陽輻射的減弱作用就愈強。所以到達地面上的輻射就愈少。太陽高度角的計算式為：h=arcsinsinsin+coscoscos 1

49、5°(t-12) （2.9）式中是當地的緯度；是太陽赤緯（也稱太陽傾角），可根據天文年歷查到，見附錄2；t是地方時，按24 h計算每小時15°。例如：北京(40°)6月22日(夏至23.4°)下午1點半(t=13.5)的太陽高度角：harcsinsin 40°sin 23.4°+cos 40°cos 23.4°cos 15°(13.5-12)65°（2）大氣質量數在標準狀況下，海平面氣壓為1013hPa，氣溫為0時，太陽光垂直投射到地面所經路程中，單位截面積空氣柱的質量稱為一個大氣質量數m。不同

50、太陽高度角，陽光經過的大氣質量數也不同，當太陽高度角很小時，m值很大，隨著太陽高度角的增大，m值很快減少。太陽在地平面時所通過的m值比在天頂時大35.4倍。在計算大氣質量數時需要考慮如下幾個問題：（a）地球是一個彎曲的表面，所以地球大氣上界是一條曲線。（b）光線在大氣中傳播的路徑也是一條曲線，這是由于大氣密度隨高度而遞減，光線穿過不同密度的介質時發(fā)生折射而形成的。（c）空氣密度在水平方向上也是不均勻的。為解決上述困難，要作如下假設：（a）光線在大氣中傳播的路徑是一條直線。（b）大氣上界的表面設為平面。（c）水平方向上的密度是均一的。常用的大氣質量數計算式為：m= P/P0sinh （2.10）

51、式中P/P0代表觀測地氣壓與經過緯度訂正的海平面氣壓之比，h是太陽高度角。（3）大氣透明度太陽輻射從大氣上界進入大氣層后還要受大氣透明度的影響。大氣透明度的特征量用透明系數a表示。它是指透過一個大氣質量數后的輻射強度與透過前的輻射強度之比。也就是當太陽位于天頂時，在大氣上界的太陽輻射通量密度即太陽常數Rsc與到達地面的太陽輻射通量密度Rs之比值。a=Rs/Rsca值表明輻射通過大氣后的削弱程度。實際上，不同波長的削弱也不相同，a僅表征對各種波長的平均削弱情況。大氣透明系數與大氣中的水汽、水汽凝結物、塵埃雜質等有關。這些物質越多，大氣透明程度越差，透明系數越小。因而太陽輻射受到的減弱越強，地面獲

52、得的太陽輻射也越少。a是一個小于1的數，其取值是：當天空特別晴朗，污染較少時a=0.9；當污染特別嚴重，天空特別混濁時a=0.6；一般情況下a=0.84左右。由于太陽直接輻射主要是由太陽高度角決定的，所以有明顯的日變化、年變化和隨緯度的變化。一天中，無云的天氣條件下，一般是中午太陽高度角最大，直接輻射最強；日出、日落時太陽高度角最小，直接輻射最弱。一年中，對一個地區(qū)來說，直接輻射夏季最大，冬季最小。但如果夏季，大氣中的水汽含量增加，云量增多，會使直接輻射減弱很多，使得直接輻射的最大月平均值出現(xiàn)在春末夏初季節(jié)。太陽直接輻射還隨緯度而改變。一年中低緯地區(qū)比高緯的太陽高度角大，所以獲得的直接輻射也多

53、，但全年直接輻射的最大值出現(xiàn)在回歸線附近，而不在赤道的原因是赤道上空云雨較多，太陽被遮蔽時間長。2散射輻射大氣對太陽輻射有散射作用，其中散射向地面的那部分稱為散射輻射Rsd，它的強弱由下式表示：Rsd=0.5Rsc(1-am)sinh （2.11）式中各項意義同前。散射輻射是一種短波輻射，其能量分布，比直接輻射更集中于波長較短的光區(qū)。從上式可以看出，散射輻射的大小也與太陽高度角、大氣透明度、大氣質量數等因素有關。當太陽高度角增大時，直接輻射增加，散射輻射也增大。在太陽高度角一定時，如果大氣透明度不好，散射質點多，散射輻射增強；而大氣透明度好，散射質點少，散射輻射減弱。散射輻射的日、年變化也主要

54、取決于太陽高度角的變化。一天中散射輻射的最大值出現(xiàn)在正午前后，一年中散射輻射的最大值出現(xiàn)在夏季。3總輻射到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為總輻射Rs，它的表達式如下：Rs=Rsb+Rsd=0.5Rsc(1+am)sinh) （2.12）總輻射的日變化與直接輻射的日變化基本一致。日出以前,地面上獲得的總輻射不多，只有散射輻射；日出以后，太陽高度角不斷增大，當太陽高度角增到20°以前，散射輻射大于直接輻射，以后由于直接輻射增加得較快，使散射輻射在總輻射中所占比例逐漸減小；當太陽高度角達到50°左右，散射輻射只占總輻射的10%20%；到中午時，直接輻射和散射輻射均達最大值；

55、中午以后二者又按相反的次序變化。有云時總輻射一般會減少，因為這時直接輻射的減弱比散射輻射的增強要多。只有當云量不太多，太陽視面無云，直接輻射沒受到影響，而散射輻射因云的增加而增大時，總輻射才比晴空時稍大。總輻射的年變化與直接輻射的年變化基本一致，中高緯度地區(qū)，總輻射強度（指月平均值）夏季最大，冬季最??；赤道附近（緯度020°左右），一年中有兩個最大值分別出現(xiàn)在春分和秋分?？傒椛潆S緯度的分布一般是，緯度愈低總輻射愈大。反之就愈小，但由于赤道附近云很多，對太陽輻射削弱得也很多，所以，總輻射年總量最大值不是出現(xiàn)在赤道，而是出現(xiàn)在緯度20°附近。我國太陽輻射年平均總量在380

56、15;107840×107J/(m2·a)范圍內。一般西部多于東部，山區(qū)多于平原。四川盆地為低值區(qū)，最低值僅為310×J/(m2·a)。青藏高原為高值區(qū)，年平均總量達790×107J/(m2·a)，比同緯度東部地區(qū)幾乎高出一倍。四、 地面對太陽輻射的反射到達地面的太陽總輻射不能完全被地面吸收，有一部分將被地面反射。地面反射輻射的大小與地面對太陽輻射或稱短波輻射的反射率(Albedo)有關。短波輻射反射率主要與下墊面的顏色、濕度、粗糙度、不同植被、土壤性質及太陽高度角等因素有關。1顏色對反射率的影響顏色不同的各種下墊面，對太陽輻射可見光

57、部分有選擇反射的作用。各種顏色表面的最強反射光譜，就是它本身顏色的波長。白色表面具有最強的反射能力，黑色表面的反射能力較小，綠色植物對黃綠光的反射率大。2土壤濕度對反射率的影響反射率將隨土壤濕度的增大而減小。例如白沙土，隨著濕度的增加其反射率從40%降到18%，減少了22%。這是因為水的反射率比陸面小的緣故。有試驗指出，地面反射率與土壤濕度呈負指數關系。3粗糙度對反射率的影響隨著下墊面粗糙度的增加，反射率明顯減小。這是由于太陽輻射在起伏不平的粗糙地表面，有多次反射，另外太陽輻射向上反射的面積相對變小，所以導致反射率變小。4太陽高度角對反射率的影響當太陽高度角比較低時，無論何種表面，反射率都較大。隨著太陽高度角的增大，反射率減小。一日中太陽高度有規(guī)律的日變化，使地面反射率也有明顯的日變化，中午前后較小，早、晚較大。5幾種下墊面的反射率植被反射率的大小與植被種類、生長發(fā)育狀況、顏色和郁閉程度有關。植物顏色愈深，反射率愈小，綠色植物在20%左右。植物苗期與裸地相差不多，反射率較大；生長盛期反射率變小，多在20%左右；成熟期，莖葉枯黃，反射率又增大。 水面的反射率一般比陸面小，波浪和太陽高度角對水面的反射率有很大的影響。一般太陽高度角愈大，水面愈平靜，反射率愈小，例如當太陽高度角大于60°時，平靜水面的反射率小于2