第一章 大气
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。可强烈吸收对生物有害的紫外线。
(3)CO2:是植物生命活动离不了的气体,可吸收地面辐射,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,但是天气变化的重要角色,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。
可充当水汽凝结物,利于云、雨的形成;还可以吸收一部分辐射,对地温、气温有一定影响。
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:根据极光出现的高度估计,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变化: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)气温随高度升高而降低。 垂直递减率为:r= 0.65℃/100m。
(2)空气具有强烈的对流运动。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均匀。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、下部气温随高度变化小,上部气温随高度升高而显著增加。
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、温度随高度升高而迅速降低,其顶部可下降到-83℃。
2、气流有强烈的垂直运动,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、气温随高度升高而迅速升高(因吸收短波紫外线)。
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、单位面积上发射或吸收的辐射能量。单位:W/m(瓦/米)
二、辐射光谱
气象学研究的辐射波谱范围是0.1~120 μm,
太阳辐射波长范围在0.15~4 μm,地面和大气辐射波长在3~120 μm,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4 μm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= T E=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吸收的物体。 4 ?是灰体常数,在0.80~0.99之间。
两个公式都表明: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/T C为常数,是2897。
表明:物体温度越高,它所辐射的具有最大能量的波长越短。 maxmax
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。
世界气象组织推荐取值
二、太阳辐射在大气中的减弱
1、吸收作用
太阳辐射被大气吸收变为热能。
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,吸收最少。
三、到达地面的太阳辐射
1、直接辐射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和大气透明系数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。
直接辐射Rsb随太阳高度角的增大而增大。
(2)大气质量数m
m表示。
太阳光垂直照射时,m=1;斜穿大气层时,m>1,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。
直接辐射Rsb随大气质量数的增大而减小。
(3)大气透明系数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a<1,受大气中的水汽、云滴、尘埃的多少影响。
直接辐射Rsb随大气透明系数的增大而增大。
变化规律:
晴天时太阳高度角影响大,阴天时大气透明系数影响大。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,故最大值出现在春末夏初。相同天气条件下,纬度越低,直接辐射Rsb越大。但是一年中直接辐射Rsb最大值不在赤道地区,而是在回归线附近。
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:太阳直接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、大气透明系数、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、大气透明系数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;云薄时则相反。
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附近。
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 :即地面向外 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,大部分被大气吸收,只有少量逃到太空中。
大气对长波辐射吸收强烈,但对8~12 μm 处吸收率最小,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,所以地面只能吸收大气逆辐射中的一部分能量,被地面吸收的大气逆辐射为δRLd(δ是吸收率)。
一般地δ很大,可以认为地面对大气逆辐射的吸收率近于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,犹如温室覆盖的玻璃一样,阻挡了地面向外地辐射,增强了大气逆辐射,对地面有保温和增温作用,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
叶绿素主要吸收蓝紫光和红橙光,而对黄绿光吸收较少。
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)λ>1000nm
? 可转化为热能,影响植物体温和蒸腾作用,不参与光化学反应过程。
(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,并控制开花与果实颜色。
? 一般红外线的热效应使植物体温升高,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,被叶绿素强烈吸收,光合作用最强。表现出强的光周期作用。
(4)610-510nm
绿光,叶片吸收很少,是弱活性带。
(5)510-400nm
蓝紫光,被叶绿素强烈吸收,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)λ<290nm
可立即杀死植物,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:在一定的光照强度范围内,光合作用随光合强度的增加而增强,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、土壤水分等因素而变化。
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,正确调节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,适宜条件下可高产。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射的时间长度,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(开花结实)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(<12-14h)条件下,才能进入开花结实的植物。如:晚稻、玉米、棉花、大豆、茶树等多源于低纬度地区。
长日照植物 :在植物发育前期,要在较长(>12-14h)白昼条件下,才能进入开花结实的植物。
例如:小麦、大麦、马铃薯、甜菜、豌豆、洋葱、白菜、油菜、胡萝卜、落叶松等原产高纬度的植物。
中性植物:这类植物对日照长短不敏感。
例如:西红柿、四季豆、黄瓜、茄子、荞麦等。
(3)植物的感光性
定义:植物对日照时间长短的反应特性。
感光性强即反应敏感,感光性弱即反应迟钝。