农业气象学笔记总结综述Word文档格式.docx
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b、对流层的特点
对流层占大气层物质总量的80%以上和几乎全部的水蒸气；
空气垂直对流强烈；
温度随高度升高而降低；
温湿度水平分布不均匀
产生这些特点的原因：
对流层大气的主要能量和组成变化均来自于地面，从而形成从地面向高空的物质和能量梯度，并在能量梯度的作用下，形成物质和能力的垂直交换。
c、对流层内部的分层问题
d、对流层逆温现象与逆温层
2、平流层
气温随高度的升高而升高，上下之间物质和能量交换困难，交换和空气的运动以水平运动为主，即平流
四、气象要素与描述大气状态的参数
1、气象要素
温度、压强、湿度、风、蒸发、云、能见度、日照、天气现象
2、主要气象要素
a、气压
气压即空气中各组分分压之和
标准大气压的规定：
北纬45°
、海平面上、气温0℃的大气压强，数值为：
b、温度
温度的表示方法：
摄氏、华氏和绝对温标
摄氏：
以水的三相点作为0℃，水的沸点作为100℃，中间100等分
华氏：
以水的三相点作为32°
F，水的沸点作为212°
F，中间180等分
绝对温标：
以物体不发射电磁波的温度为0K
三者的换算关系：
b、湿度（略讲，主要放“水分”章讲）
饱和水汽压
湿度的表示方法：
直接表示：
绝对量：
绝对湿度、水汽压
相对量：
比湿、相对湿度
间接表示：
露点（温度）、饱和差
d、风
风向、风速
五、大气状态方程（略）
理想气体状态方程
干空气的状态方程
湿空气的状态方程
第二章辐射
第一节辐射基础
一、辐射的度量
数量表示：
光量子数
能量表示：
焦耳/m2
波长表示：
长波、短波
二、基尔霍夫定律
意义：
在温度不变情况下，物体对一定波长的电磁波的辐射率
和吸收率
的比值为一常数
三、韦恩位移定律
2897/2884=λT
用途：
红外测温仪的原理
四、黑体辐射（斯蒂芬-波尔兹曼）定律
黑体辐射定律：
E（λ）=δT4
灰体辐射定律：
E（λ）=σδT4
物体对辐射的作用：
吸收、透射、反射：
与波长、物体物理特性、电磁波物理特性（如波长、不同波长光的比例等）有关
第二节太阳辐射
（辐射变化放在总结中，对比讲述）
一、日地关系与二十四节气
地球公转一周为一年，把该圆周24等分，得24节气。
近日点在冬至后，远日点在夏至后。
地球公转平面与太阳赤道平面夹角为23°
27’，此决定了南北回归线、南北极圈的位置，以及天文季节。
二、太阳辐射光谱与太阳常数
1、太阳辐射光谱
光谱：
以横轴为波长分布、以纵轴为能量的多少为坐标建立坐标系，在坐标系内建立某种电磁波的能量随波长分布的曲线。
该曲线即光谱。
相对于不同的主体，有太阳辐射光谱、地面辐射光谱等。
光谱的分类：
吸收光谱、发射光谱，等
太阳光谱：
以横轴为太阳辐射的波长分布、以纵轴为各波长能量的多少为坐标建立的坐标系。
反映太阳能随波长的分布状况。
太阳光谱有两个：
大气上界的太阳光谱，是太阳的发射光谱，其谱线与太阳活动状况密切相关，基本稳定；
到达地面的太阳光谱，是经过大气层衰减后的太阳的发射光谱，其谱线除与太阳活动状况有关外，与地球大气层的状况关系更密切，多数情况下光谱不稳定。
2、太阳常数S0
太阳常数需要有三个条件：
日地平均距离上、大气上界、垂直于太阳光线的平面上。
这三个条件保证了太阳常数的数值在所有可测量到的数值中最大，从而使数据具有可比性。
太阳常数的测定：
最初：
选择晴天、在高处、利用人造黑体，不同的人测量的结果有较大的差异；
现代：
利用人造卫星，在外空直接测量，数据基本稳定，不稳定处多数由于太阳活动变化导致。
三、太阳高度（角）、昼长与大气上界太阳辐射量
1、太阳高度（角）：
较完整的表述：
地球表面某点的切平面与照在该点上的太阳光线之间的夹角
可参考的表述：
太阳光线与地平面（有多种表述，以地平面较准确，地表面较不准确）之间的夹角→注意：
此种表述不完整、不严密，建议不用
太阳高度公式：
由太阳高度公式可得日出、日落时间，具体计算为取sinh=0即可：
由上式计算出
值即可。
2、昼长
可照时数：
日出与日落之间，即两次太阳高度为0°
之间的时间长度。
实际日照时数：
一日中，某地能够接收到的实际太阳光直射时间长度。
日照百分率=可照时数/实际日照时数×
100%
光照时间=可照时数+曙幕光时间
光周期现象：
日照长短与引种：
长日植物、短日植物、中性植物
长日植物：
在生命周期中需要一段日照时数不短于9小时才能完成生命史的植物，如水稻
短日植物：
在生命周期中需要一段日照时数不长于14小时才能完成生命史的植物，如大豆
中性植物：
在生命周期中对日照时数没有特别要求的植物
由于人为影响，自然选择而形成的光周期现象也会发生一定的变化，有的甚至完全消失。
这也说明生物具有很强的适应性。
3、大气上界的太阳辐射量
对太阳高度公式进行积分即可得到太阳辐射的日总量、年总量等。
日总量：
年总量：
我国日总量的分布特点：
冬季南高北低，夏季南北差异较小，与纬度关系密切。
思考题：
与温度分布的关系。
我国年总量的分布特点：
呈单波分布，波峰在夏至月，波谷在冬至月
四、太阳辐射在大气层中的减弱
吸收：
与不同物质的吸收特性有关，如：
分子的选择吸收与波长有关，有所谓“大气窗”形成；
颗粒（粉尘、胶体等）的吸收与波长无关，对辐射全部吸收
散射：
分子散射、粗粒散射
散射定律：
其中：
：
散射量；
入射量；
常数；
波长；
a：
空气质点半径；
与空气质点粒径有关的常数，根据空气质点粒径的大小取0、1、2、3、4，在
时，
取4，散射为分子散射（或瑞利散射）。
此规律可以解释天空颜色问题（具体描述作为作业）。
反射：
散射中射象外空的部分。
从本质上说，散射与发射没有区别，只是一个问题的两个方面。
五、到达地面的太阳辐射
1、大气质量m
描述辐射通过大气层的路径长度与大气层厚度之间关系的量，是一个无量刚量。
大气质量：
大气层的平均厚度即一个大气质量，太阳光线所通过的大气质量是指太阳光线在大气层中通过的距离与大气层厚度的比值，因此，大气中质量直接取决于太阳高度。
大气质量的表达式为：
大气质量与太阳高度的关系：
m=csch，其中h：
太阳高度。
2、大气透明度系数
大气透明度：
描述大气层透明状况的物理量。
大气透明度系数：
或
公式中：
第m个大气质量的大气透明度系数；
P：
大气透明度系数；
Sm、Sm-1：
透过m、m-1个大气质量的太阳辐射量；
s、ds：
太阳辐射量、太阳辐射量的极限值；
m、dm：
大气质量、大气质量的极限值。
影响大气透明度的因素：
吸收、反射、散射状况，也即大气层的基本物理状况。
另外，决定大气透明度系数有波长、大气质量等。
不同波长的光的折射、散射不同，所以单色光之间、单色光与全波光之间的大气透明度系数不完全相同。
平均大气透明度系数的计算：
3、Beer减弱规律：
S=S0Pm
4、到达地面的太阳辐射组成
a、直接辐射
直接辐射（定义）：
直接辐射强度的计算：
（通量密度）
直接辐射量的计算：
直接辐射的日变化与年变化：
日变化取决于地球的自转和太阳赤纬，年变化取决于地区的公转和黄赤交角
直接辐射随纬度、天况、地形等的变化：
b、散射辐射（天空辐射）
散射辐射（定义）：
散射辐射强度的计算：
散射辐射的日变化与年变化：
日变化取决于地球的自转、太阳赤纬以及一日内的天况，年变化取决于地球的公转、黄赤交角以及一年内的平均天况
散射辐射随纬度、天况、地形等的变化
c、总辐射
总辐射=直接辐射+散射辐射
总辐射的变化规律取决于直接辐射和散射辐射的变化规律。
变化包括时间变化、空间变化。
随时间的变化主要是日变化和年变化，日变化取决于地球的自转和太阳赤纬，年变化取决于地球的公转和黄赤交角
随空间的变化：
南北方向（纬向）的变化、东西方向（经向）的变化、随地形的变化、随天况的变化
总辐射量可以利用仪器观测，在缺少仪器时可以采用经验公式计算，如计算晴天总辐射量的伯尔简特（Berljand）公式：
为晴天的总辐射通量密度；
s0为太阳常数；
f为根据纬度、季节变化的常系数。
6、植物表面截获的直接辐射量
与植物叶片的密度、倾角、状态都有关系
密度：
叶片密度问题包括合理密植和科学管理两方面。
种植密度过密、过稀均对效益不利。
过密：
透光差，下层叶片光合作用弱或无法进行光合，造成死苗、弱苗、分蘖少，单产低，总产低；
过稀：
不影响单株光合，单产高，单总产低。
科学光力管理则在于适时、合理摘除部分无法进行光合的叶片，以提高物质积累。
倾角：
叶片倾角影响光的分布与吸收。
状态：
叶片的生理状态对植物的光合影响巨大。
在管理时应适时摘除衰老叶片。
7、到达地面的太阳辐射光谱
由于大气的吸收和散射，到达地面的太阳辐射光谱有很大的变化。
（具体问题前已经讲述，此处仅作简述即可）
直接辐射：
散射辐射：
8、太阳辐射与植物生长
a、生理辐射
生理辐射：
能够使植物生理发生反应的太阳辐射，这类生理反应包括：
伸长、物质合成与积累、生育，等
生理辐射的波长区域较大：
280~1000nm
b、光合有效辐射
光合有效辐射：
太阳辐射中能够用来进行光合作用的成分
影响因素：
光的强度；
光量子数量
c、光补偿点与光饱和点
A、光补偿点
光补偿点：
光补偿点的变化：
单叶、群体；
不同用生育时期的不同叶片
B、光饱和点：
光饱和点：
光饱和点的变化：
七、地面反射（
与地面辐射没有量化关系）
1、定义
下垫面对太阳辐射的反射作用
2、影响因素
地面性质：
土壤颜色、地形、植被、地面状态（固态（陆地）、液态（水面））
太阳高度：
波长：
3、地面的太阳能净收入
净收入：
为总辐射；
r为地面反射率。
地面能量净收入约占太阳辐射总量的45%左右，与大气层的吸收率24%左右相比，占主导地位，并且由于吸收范围小，能量密度高，对气象与气候学有重要意义。
去向：
加热地面
热地面加热近地层空气
近地层空气上升引起对流
大范围空气运动形成大气环流
大气环流的交换作用使得能量获得平衡
第三节长波辐射
指地面与大气辐射
短波辐射：
波长→≤4微米
长波辐射：
波长→4~120微米之间
一、地面辐射
地面辐射是由地面接收各种辐射而保持一定的温度，在此温度下，地面向外辐射一定波长的电磁波，该辐射即“地面辐射”。
地面辐射与地面的温度、辐射能力等因素密切相关，与地面接收能力有一定关系，与地面反射能力等因素关系不大。
可利用韦恩位移定律2897/2884=λT算出地面辐射的主辐射波长。
对于非黑体而言有一定的误差。
由公式计算地面辐射波长在4~120微米之间，属于长波辐射。
地面辐射能力：
地面辐射是大气能量的主要来源之一，对维持一定的气温有重要意义。
二、大气辐射与大气逆辐射
大气辐射：
由大气作为辐射主体向外进行的辐射。
大气存在净能量收入/支出的状态：
在气温低于地温时，地面对大气加热；
大气净获得能量，温度升高；
在气温高于地温时，地契对地面加热，大气净支出能量，温度降低。
大气逆辐射能力为：
由于大气层的特点，大气辐射分为向外和向内两部分，其中向内的，即射向地面的部分，就是大气逆辐射。
（向外的部分，作为地-气或地球辐射的一部分，不再参与地球的能量循环，一般也不再作为气象学的研究内容）
温室效应
可利用韦恩位移定律2897/2884=λT算出大气逆辐射的主辐射波长。
大气逆辐射由于波长在4~120微米之间，所以属于长波辐射。
大气逆辐射是地面以及大气能量的主要来源之一，对维持地层大气温度以及地面温度有重要意义。
在大气逆辐射强烈的情况下（一般是在多云、阴天等天气型下），即使地面所得到的太阳辐射量比较小，地面及地层大气也能维持较高的温度，并且这时的昼夜温差一般较小。
所以，也可以利用昼夜温差的高低来判断某地的大致天气状况。
三、地面有效辐射
地面有效辐射=地面辐射-大气逆辐射被地面吸收的部分
表达式为：
其中
为地面反射率，在地面吸收很小时可以取为1。
在
很小时，又可以取近似。
地面有效辐射反应的是地面的净辐射能量损失。
注意：
是以辐射形式的损失，实际上，地面的能量损失方式除了辐射的形式外，还有潜热、感热、对流热交换、热传导等形式，并且各形式所占的比例随具体气象条件的变化而有所不同。
问题：
为什么阴天的昼夜温差小而晴天的昼夜温差大？
（或者为什么在冬季，晴朗的夜晚更冷）
四、地面辐射差额（净辐射）
1、净辐射：
某一作用层面辐射能的收支之差，也即净通量该层面一切辐射能的净通量，也称辐射平衡或辐射差额。
地面净辐射R
地面通过吸收太阳辐射获得能量，通过地面有效辐射失去能量，单位时间、单位面积的水平地面吸收的辐射能与损失的辐射能之差，即地面净辐射R。
以通量密度表示为：
直接辐射；
D：
散射辐射；
r：
地面反射率；
地面有效辐射；
净辐射也有年变化和日变化，变化的根本原因在于能量收入的变化，即太阳辐射的变化。
除了能量的收入外，影响因素还有：
地温、气温、湿度、风，等。
一般以月值表征年变化，以时刻值表征日变化。
净辐射的日变化曲线：
净辐射的年变化曲线：
2、影响辐射变化的因素
太阳辐射的时空变换
地面（下垫面）及大气能量状态的时空变换
影响这些能量变换的因素：
如天况、下垫面状况（包括：
植被状况、土壤的类型、颜色及热特性等）
3、我国的辐射分布状况（以净辐射为例，结合温度的分布）
年度分布：
全国均为正值，整体表现为热源；
月份分布：
北方地区有负值月，表现为冷源，其余月份表现为正值，表现为热源；
南方地区均表现为正值，表现为热源；
日量分布：
与天况等具体因素关系密切
第三章温度
第一节物质的热特性
一、热交换方式
1、分子热传导：
以分子热运动为基础的能量传导方式
速度慢，传导的能量少，一般情况下可以忽略
2、辐射：
以电磁波的形式为基础的能量传导方式，以光速传递
对于土壤—空气来说，主要指的是长波辐射，更具体的指的是地面有效辐射
3、对流：
垂直方向上通过空气的上下运动而传导的能量
对流包括热力对流和机械对流两种情况，在不同的时空状态下，会以不同的对流方式为主
4、平流：
以空气的水平运动为主要形式的能量传导方式
作用范围大，常常与大的天气形式相联系
5、乱流：
以空气的不规则流动来传导的能量
主要形式就是湍流热交换，范围小，作用时间短
6、潜热转移（潜热交换）：
主要通过水的三相变换实现能量在空气中及地球上的传递
二、热特性的表征（忽略？
讲述？
→根据同学的基础课设置选择）
1、热容量：
有体积热容量和质量热容量
2、导热率：
3、导温率：
三、有关温度的概念
温度
气温、地表温度、土壤温度
温度是某一介质的温度，脱离介质的载体，温度丧失意义
极端温度：
最高温度、最低温度、极端最高温度、极端最低温度
温度的较差：
日较差、年较差
周期变化
位相
第二节地面热量的收支与土温
一、地面热量交换方式（实质应是能量）
辐射热交换：
短波辐射、长波辐射（辐射一章已讲，此处略）
传导热交换：
取决于物质的导热率。
对于土壤来说，导热率极小，通常可以把由此产生的热交换变化忽略。
潜热热交换：
地表及土壤中在水发生相变时引起的潜热交换，如土壤中水的冻结与解冻、地表及土壤中水分的蒸发与凝结等。
对地面的能量交换影响较大
流体运动热交换：
由于空气、水体的流动而引起的能量的交换。
对地表而言主要是空气的流动。
空气的流动包括平流、对流、乱流等，各种流动方式都可以传递一部分热量，其作用与大环境有关：
有大规模平流运动时，平流处于主导地位；
平流运动弱时，乱流处于主导地位；
空气规则性不稳定时，又有可能对流占主导。
二、地面热量收支方程（实质应是能量）
a、活动层与活动面
活动层：
又叫作用层，是物质与能量交换活跃的物质层。
活动层没有厚度的概念。
活动面：
又叫作用面，是物质与能量交换活跃的物质面。
活动面存在厚度的概念，其厚度可以从几毫米到几十米。
b、活动层的热量收支方程（体积热量收支方程）
其中，R为活动层辐射收支差额；
P为活动层与临近气层间的乱流交换；
B为活动层与下层之间的传导热交换；
LE为水的相变潜热交换。
c、活动面的热量收支方程（表面热量收支方程）
白天收入/支出
热量收支
晚上
热量收支方程为
土壤表面的热量收支状况及影响因素
地面热平衡方程：
R=LE+B+P
符号意义同上。
B一定时，土温的变化与土壤的热特性有关：
比热大，则T变化缓和；
比热小，则T变化剧烈
三、土温
1、分类：
地表温度：
地表面的温度，也即地面0cm处的土壤温度
土壤温度：
土壤中某一层次的温度，一定与深度有关。
土壤中分了上变温层、恒温层、下变温层，共3个不相同的层次
2、地表温度的周期变化
日变化：
表现
地表能量变化曲线与地表温度变化曲线的关系图
年变化：
引起地表温度周期变化的根本原因：
地表能量的周期变化
3、土壤温度的铅直变化
日变化、年变化
日射型：
白天，表现
受热型
辐射型：
夜间，表现
放热型
过渡型（早、晚两种）：
土壤上下层之间温度均一的情况也回出现，但不稳定
4、影响土温的因素
a、根本因素
地面及地下的能量变化
b、环境因素
有：
土壤湿度、土壤颗粒与孔隙度、颜色、覆盖状况、地形、天气
5、冻结与解冻、冻拔害
a、土壤冻结
土壤冻结：
温度降低到一定程度的时发生的土壤中液态水凝结为冰态的现象。
土壤冻结有一定的条件，所以土壤冻结的发生有地域性和季节性（时间性）。
从季节/时间上分，可分为永久性冻结和季节性冻结。
对于季节性冻结，有冻结深度、冻结和解冻时间等概念。
土壤冻结与解冻对建筑、工程、运输、农业及居民生活有一定影响，在不同地区，影响程度有很大差别，严重的地区常常形成灾害。
土壤冻结在农业上的危害：
冻害、冻拔害
土壤冻结的好处：
减少害虫越冬量、减少土壤水分蒸发（保墒）
b、冻土与永冻土
冻土：
处于冻结状态的土壤
永冻土：
终年处于冻结状态的土壤。
我国的永冻土分布较小，主要集中在东北、西北和青藏高原的部分地区。
c、冻拔害：
好处、危害
冻拔害：
由于土壤反复冻结和解冻而导致表层土壤向上拉升，造成植物根系受损的灾害现象。
冻拔害主要危害冬小麦、冬油菜产区。
d、解冻
e、我国冻结状况及冻结对我国国民经济的影响
我国土壤的冻结线的南界位于秦岭-淮河一线，随气候的波动有一定的南北移动。
冻结方向由北向南进行，解冻方向由南向北进行。
由于土壤冻结与解冻时期的生产活动较少，所以土壤的冻结与结动对农业生产的影响也较小，主要危害冬小麦、冬油菜产区。
四、水温
水对对温度变化有影响的特性：
半透明液体，对辐射的吸收路径长，吸收后温度上升缓慢，耗散少
水的流体特性，有利于热量的传递，有利于热量的平衡：
能量的垂直传递：
盐指效应；
能量的水平传递：
水流、洋流、湖流
水的比热大，吸收同样的热量，温度上升幅度小。
水温的变化规律及影响因素：
第三节大气能量平衡与气温
一、大气中的能量交换
1、流体能量交换的方式（此处主要指大气）
辐射：
长波辐射（地面、大气）、短波辐射（太阳辐射）
对流：
广义的对流，包括对流、平流和乱流
热传导：
速度慢
2、大气（层）能量交换
大气层的不同层次，起主导作用的能量交换的方式有所不同。
如：
地表空气层：
热传导和（地面）辐射，其中以热传导为主
对流层：
对流和（地面）辐射，在不同的时间，二者作用地位不同
高层大气：
（太阳）辐射，所以高空存在逆温现象。
应注意：
高空的温度概念与地面不同。
交换方程可以分层、面表示，形式与活动层、活动面相同，只需调整部分参数。
二、气温
1、气温周期变化及影响因素
气温的周期性变化：
决定因素：
（太阳）辐射
稳定因素：
纬度、季节、下垫面状况（地形、地貌、植被、土壤性状等）、海拔等
不稳定因素：
天况
日变化特点：
冬季、春秋季（过渡季节）、夏季；
不同高度某时间点的垂直变化、各高度不同时间点的变化
年变化特点：
大陆的变化特点、海洋变化的迟滞性及其原因
2、气温的非周期性变化
3、气温的铅直变化
气温铅直分布的形成模拟图：
（可与地温的垂直分布相比较记忆、理解）
三、绝热变化与大气稳定度
1、绝热变化
绝热变化：
指没有热量交换的大气状态变化过程。
与此相应的有气温垂直递减率。
气温铅直变化率（通常更多地是用“温垂直递减率”）表达式：
根据水在绝热变化中的不同作用及地位，绝热变化又可分为干绝热变化和湿绝热变化。
干绝热变化：
空气的相对湿度永远小于100%，与具体的数值没有关系，水不参与空气的能量变化，水蒸气可被认为是理想气体。
干绝热垂直递减率rd：
在干绝热状态下高度每变化100m温度降低的数值
湿绝热变化：
空气的相对湿度永远等于100%，与如何保持这以数值没有关系，水和水蒸气参与空
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