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(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。
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。
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。
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/m²
(瓦/米²
)
二、辐射光谱
•气象学研究的辐射波谱范围是0.1~120μm,即紫外线、可见光和红外线波段。
•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
•黑体的辐照度(E)与其表面绝对温度(T)的四次方成正比。
•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。
•E=T4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λmax与其绝对温度T成反比。
•λmax=C/TC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。
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1367w/㎡。
二、太阳辐射在大气中的减弱
•太阳辐射在大气层中主要通过大气的吸收、散射和反射三种形式减弱。
1、吸收作用
•大气对太阳辐射的吸收具有较强的选择性,只吸收能量较小的紫外线、红外线,对可见光吸收很少。
大约有14%的太阳辐射被大气吸收变为热能。
•通过臭氧、氧气吸收紫外线,二氧化碳、水汽、尘埃、云滴等吸收红外线。
2、散射作用
•
(1)分子散射
•空气分子和直径<
0.1m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
•大气中水滴、冰晶、尘埃、烟粒等质点的直径较大时,对所有的入射光都散射,使天空呈灰白色。
•厚云层平均反射率为50%-55%。
因反射作用使约25%太阳辐射返回空间。
•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。
•它与当地的地理纬度φ,赤纬δ,以及观测时的时刻(以时角ω表示)有关,某一时刻h求算式为:
•sinh=sinφ.sinδ+cosφ.cosδ.cosω
对于ω,规定:
正午为0,下午为正,上午为负,ω=15º
(t-12),因此一天中正午时太阳高度角最大,此时ω=0,则h=90º
-φ+δ,当δ=φ时,h=90º
太阳赤纬(δ):
太阳光垂直照射地球的位置,以当地地理纬度来表示。
•一年中赤纬在±
23.5°
之间变动,即南北回归线之间变动。
直接辐射Rsb随太阳高度角的增大而增大。
(2)大气质量数m
太阳辐射穿过大气的路径与大气垂直厚度之比,简称大气量,用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
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。
•其强弱取决于太阳高度角h和大气透明系数a。
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
•其中太阳直接辐射占主导地位,阴天或多云时,以天空散射辐射为主。
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。
•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20º
附近。
四、地面对太阳辐射的反射
•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。
•地面增温源于太阳辐射,大气增温源于地面辐射。
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8~12μm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。
•因大气主要靠水汽吸收地面长波辐射,而水汽多集中于近地层,故地面辐射绝大部分在近地层被吸收。
•大气逆辐射:
投向地面的大气辐射。
•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。
“阳伞效应”:
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,这种现象称大气阳伞效应。
二、地面净辐射Rn
地面净辐射(地面辐射差额):
是单位时间内单位面积地表面所吸收的辐射与放出的辐射之差。
•对地面来说,辐射能收入有:
太阳总辐射,地面吸收的大气逆辐射。
•辐射能支出有:
地面反射辐射和地面辐射。
•地面辐射平衡方程:
•Rn=(Rsb+Rsd)(1-α)+RLd-RLu
•Rn是地面净辐射,Rsb和Rsd分别是到达地面的太阳直接辐射和散射辐射,a是地面反射率,RLd是地面吸收的大气逆辐射,RLu是地面辐射。
其变化规律与太阳高度角关系密切。
•日变化:
晴天时,白天地面吸收的多于放出的能量,Rn为正值,最大值在正午前后;
夜晚Rn为负值,Rn正负值转换时间在日落前1h或日出后1h。
阴天无规律。
•年变化:
夏季为正,冬季为负值。
但受水汽和云的影响使Rn最大值不一定在盛夏。
•华南地区秋季最大,春季最小。
•Rn决定着空气温度、土壤湿度和露、雾、霜冻等天气的形成。
•在生产上常改变Rn来改变温度、湿度等。
特别是地温和气温。
使人类及农业生物的生存环境更加有利。
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>
1.00μm
•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)1.00-0.72μm
•只有伸长作用,0.7-0.8μm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)0.72-0.61μm
•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)0.61-0.51μm
•绿光,叶片吸收很少,是弱活性带。
•(5)0.51-0.40μm
•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)0.40-0.32μm
•起成形及着色作用,使颜色变深,叶片变厚等。
•(7)0.32-0.28μm
•对多数植物有害,可消毒土壤。
•(8)λ<
0.28μm
•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。
•2、光补偿点:
植物的光合作用与呼吸作用达到相等时的光照强度。
•作物群体的光饱和点与补偿点比单叶指标高,它不是一个常数,随着CO2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。
可照时间变化规律(以北半球为例)
•1)赤道上终年昼夜平分。
•2)春秋分日,各地昼夜平分。
•3)夏半年,各地昼长于夜,纬度越高,白昼越长,北极圈有极昼现象。
•4)冬半年,各地夜长于昼,纬度越高,白昼越短,北极圈有极夜现象
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:
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。
西红柿、四季豆、黄瓜、茄子、荞麦等。
(3)植物的感光性
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。
3、光照时间与作物引种
•
(1)纬度相近的地区,因日照时间相近,成功可能性大。
•
(2)对短日照作物来讲,南种北引,宜用早熟品种,(因南方品种一般是短日照植物,而北方日照时间长,温度低,使植物生长期延长,严重的甚至不能开花结果);
反之,北种南引,宜用晚熟品种,(因北方品种一般是长日照植物,而南方日照时间短,温度高,使作物提前发育,影响其生长,降低产量)。
•(3)对长日照作物来讲,北种南引,因南方日照缩短,发育减慢,但温度升高,发育加快,光温对发育速度影响有“互相抵偿”作用。
而南种北引,因北方日照增长,发育加快,但温度降低,发育减慢,光温对其也有“互相抵偿”作用。
•所以,长日照作物的跨纬度引种,光温对其发育速度有“互相抵偿”作用。
短日照作物的跨纬度引种,光温对发育速度有“叠加”作用,北种南引,发育加快,南种北引,发育减慢。
第三章温度
1 空气温度
一、大气的热量传输
•气温的非绝热变化:
空气与外界有热量交换而引起的温度变化。
•气温的绝热变化:
空气与外界不发生热量交换,而是由外界压力的变化对空气做功,使空气体积变化而引起的温度变化。
1、气温的非绝热变化
•包括分子传导、辐射、流体流动热交换、潜热交换。
(1)分子传导
•分子传导:
依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一个分子,而达到热量平衡的传热方式。
•地面和大气是热的不良导体,通过这种方式传递的热量很少,其作用仅在贴地气层较为明显。
(2)辐射
•辐射是物体之间根据各自温度高低通过辐射交换热量的传热方式。
•大气主要靠吸收地面长波辐射而增热,地面也吸收大气逆辐射,空气团之间也可以通过辐射交换能量。
(3)流体流动热交换
•有对流、乱流(湍流)、平流三种
对流:
暖空气上升,冷空气下降,这种升降运动叫对流。
是对流层中热量交换的重要方式。
湍流:
空气的不规则运动叫湍流。
在空气层间发生摩擦或沿粗糙不平的下垫面运动产生。
对近地层小气候的形成起主要作用。
平流:
大规模空气的水平运动叫平流。
是水平方向传递热量的主要方式。
(4)潜热交换
•是水汽在蒸发或凝结时吸收或放出的热量。
•大气中水汽集中在5km以下大气层中,故潜热交换主要发生在对流层下半层。
•地面和大气之间热量交换,以辐射为主。
•在气层内,以对流和湍流为主,其次是潜热交换。
•在不同纬度和地区之间的热量交换以平流为主。
•2、空气绝热变化
•绝热冷却:
气块上升时体积膨胀对外做功而降温。
•绝热增温:
气块下沉时体积减小,外界对其做功而增温。
•对于垂直运动的气团,其温度变化取决于气团内水汽含量的多少,所以绝热变化又分为干绝热变化和湿绝热变化两种。
(1)干绝热变化:
干空气或未饱和的湿空气,在绝热上升或下降过程中的温度变化。
•干绝热直减率rd:
干绝热过程中其温度随高度的变化率,大概地,rd=1℃/100m
(2)湿绝热变化
饱和湿空气,在绝热上升或下降过程中温度变化。
•湿绝热直减率rm:
湿绝热过程中其温度随高度的变化率,平均值rm=0.5℃/100m
•为什么rm<
rd?
•在湿绝热变化中,气块上升降温时,水汽遇冷凝结,放出潜能,使气块降温缓和,降温幅度小于干绝热变化;
下降增温时,气块内水汽受热蒸发,要消耗部分潜能,故增温幅度也小于干绝热变化,因此rm<
rd。
•rm和rd是指气团在升降过程中,气团本身的温度变化率。
而r是表示实际大气层中温度随高度的变化率。
二、气温的时空变化
•气温的高低决定于空气的热量收支,低层大气的热量来源于地面,地面有日、年周期性变化,所以气温也有日、年周期性变化,特别是离地面50m以下的近地气层变化尤其明显。
因空气的水平运动又使气温有非周期性变化。
(一)气温的周期性变化
•1、气温的日变化
•即一天中气温随时间的连续变化。
•气温日较差:
一天中气温的最高值与最低值之差。
•一般地,最高温度在14~15h,最低温度在日出前后。
•影响气温日较差的因子:
a、纬度:
低纬>
高纬
•正午时太阳高度角随纬度的增加而减小,h=90º
-φ+δ,因此气温的昼夜温差也随纬度的增加而减小。
•一般地,气温日较差值在热带地区为12℃,温带为8~9℃,极圈内为3~4℃。
b、季节:
夏季>
冬季,最大在春季
•因夏季太阳高度角大,白天较长,增温较快,但是夜晚也短,地面来不及冷却,使最低温度下降不够低,因此春季出现气温日较差最大值。
最小值出现在冬季。
c、地形:
凹地>
凸地
•凹地(谷地、盆地、河川地等),白天因与地面的接触面比平地广,因此增热较多,加上通风不良,热量不易散失,故温度高;
夜间冷空气沿坡地下滑聚集谷底,加上辐射冷却使温度很低。
•凸地(高地、山地、小丘等)因风速大,热交换迅速,使气温日较差小。
d、下垫面性质:
•海洋<
陆地,沙土、深色土、干松土壤>
粘土、浅色土、潮湿紧密土壤
e、天气:
•晴天>
阴天,无风>
有风
f、高度
•在对流层中温度日变化的幅度随着离地面高度的增加而急剧减小。
•在2~3km的高度,气温日较差很小,约0.1~1℃,因为气层越高,其温度受地面影响越小。
•2、气温的年变化
•在北半球,最热月在7月,最冷月在1月
•在海洋和沿海地区,最热月在8月,最冷月在2月。
•气温年较差:
一年中月平均气温最高值与最低值之差。
•影响气温年较差的因子:
(1)纬度:
随纬度增加而增大。
(2)距海远近:
离海近,年变化小;
内陆地区年变化大。
(3)地形和天气状况:
凸地,雨季可使气温年较差减小。
(二)气温的非周期性变化
•气温除因太阳辐射作用引起周期性的日、年变化外,在大气水平运动时还会发生非周期性变化。
如“倒春寒”“秋老虎”现象。
•一地的气温变化是由周期性变化和非周期性变化共同作用的结果,总的说来,气温日、年周期性变化是主要的。
•(三)气温的垂直分布
•对流层中气温的垂直分布随高度增加而降低,因为地面是大气增温的主要来源,离地面越近,大气吸收的地面长波辐射越多。
•1、气温垂直梯度
•气温垂直梯度(r):
又叫气温直减率。
r=0.65℃/100m。
•实际上r随时间和高度不同而变化。
(1)日射型:
随高度增加而降低。
12h
(2)辐射型:
随高度增加而增加。
0h
(3)上午转变型:
上面为辐射型,下面为日射型。
6h
(4)傍晚转变型:
上面为日射型,下面为辐射型。
18h
2、大气中的逆温
•逆温:
对流层中气温随海拔高度增高而升高的现象。
•有:
辐射逆温、平流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。
•辐射逆温:
因地面强烈辐射冷却而形成的逆温。
•平流逆温:
暖空气平流到冷的下垫面上形成的逆温。
2土壤温度
一、土壤热特性
1、热容量:
物体温度变化1℃所需吸收或放出的热量。
•分质量热容量和容积热容量两种。
•在研究土
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