农业气象学绪论.ppt

农业气象学 谌晓芳,绪论,一、气象与气象学 （一） 地球大气：包围地球表面的一层大气，厚度大于1000公里。 大气物理现象： 大气物理过程： 气象 简单地说，大气物理现象称气象。如风云雨雪、虹晕雷电、冷暖干湿。 气象要素：定性或定量描述大气状态和物理现象的特征量。 （二）气象学 ：研究大气的物理现象和物理过程的成因、时空分布和变化规律的一门科学。,第一节 气象学研究对象和任务,第一节 气象学研究对象和任务,二、气象学的分支 （一） 天气学 天气：某地短时间内由各种气象要素综合所决定的大气状态称天气。 定量描述天气变化的特征量：如气温、湿度、气压、日照、降水、风向、风速、云等称气象要素。 天气学：研究天气的变化规律和预告未来天气的一门科学，称天气学。,（二） 气候学：某地长时间的大气状况，包括正常年份和特殊年份出现的大气状况称气候。例如：江西历年平均气温16.4-19.8（正常年份），1953年2月6日彭泽县出现了-18.9（特殊年份）。 研究气候的变化规律，综合分析和描述一地的气候特征的一门科学称气候学。举例：如井冈山地区山高水冷日照少的原因。 （三）大气污染学：近年来环保专业开设了这门课。农业气象学中不作为重点介绍。 （四） 大气物理学：研究大气热力学、动力学、光学、电学、声学变化规律的一门科学。 属气象专业学习范畴。农业气象学所牵涉到的内容不需讲得太深。,第一节 气象学研究对象和任务,绪论,三、气象学的研究对象 简单地说,研究对象为大气中的物理过程和物理现象。 四、气象学的研究任务 （一） 把大气当作研究的客体,从定性和定量两方面来说明大气的特征。 （二） 研究导致大气现象发生和发展的能量来源、性质及其转化。 （三） 研究大气现象的本质，进而解释大气现象，寻求其发生、发展的规律 （四） 应用上述规律，控制自然和改造自然、造福人类。,第一节 气象学研究对象和任务,绪论,一、农业气象的研究对象：研究对农业生物（农作物、果树、蔬菜、畜牧、病虫等）生长发育和农业生产活动（如耕翻土地、播种、收获以及各种农业栽培技术措施等）有影响的农业气象、农业天气和农业气候条件的形成和规律；研究农业生物生长发育和农业生产活动对农业气象、农业天气和农业气候条件的生理、生态和生产效应。 为了定量地描述农业与气象的关系，常采用一些特征量，如：光、热、水、汽（气）、风。 这些特征量称为农业气象要素。应用到生产中去又称农业气象条件。,第二节 农业气象学的研究对象、任务和方法,绪论,二、 农业气象学的任务 （一）对农业气候资源进行分析、利用和区划。 （二）确定农业气象指标，根据指标鉴定气象条件对农业生物生长发育和产量的影响。 （三）研究农业气象灾害发生规律及防御措施。 （四）开展农业气象测报、预报和情报的服务工作。 （五）农业与气候的调节、利用和改造研究。 三、农业气象学的研究方法 （一）平行观测法（二）地理播种法（三）分期播种法 四）地理分期播种法（五）人工气候法 （六）气候分析法（七）统计分析法和图解分析法 （八）气象卫星遥感、地理信息系统和全球定位系统技术的应用,第二节 农业气象学的研究对象、任务和方法,绪论,一、气象学发展简史 （一）萌发时期 公元前26世纪到公元16世纪中叶 （二）初建时期 16世纪中叶到19世纪末 （三）发展时期 20世纪初至80年代末 （四）现代化时期 20世纪80年代末至今 二、农业气象学发展简史 农业气象学经历了古代、近代和现代。农业与气象条件关系的朴素见解散布于古代的哲学、历史、史诗的丛书与农业传说中，在古代中国，希腊、罗马、埃及、印度诸国，已有相当规模的农业气象经验的积累。,第三节 气象学与农业气象学发展简史,二、农业气象学发展简史 中世纪宗教与神学垄断了欧洲学术讲坛，窒息了科学思维，但从公元215世纪，发达的中国古代文明孕育了农业气象观念的雏形，在古农书中有大量的农业气象知识的汇集。1854年L、布洛森杰在美国政府的农业报告中论述了农业气候相似理论，同年俄国学者鲁托奇出版了世界上第一本农业气象学。可视为近代农业气象学理论形成的标志。日本的太后美保于1879年至1898年间写成的农业物理研究可看作近代农业气象学的开端。在美国，金（F、H、King）于1898年开始在威斯康星大学讲授农业气象学可看作农业综合教育的启蒙。大气科学在物理学基础上的创建时期为17到19世纪初，为农业气象学的重要渊源。,第三节 气象学与农业气象学发展简史,二、农业气象学发展简史 近代从鸦片战争到期1949年，19世纪初以爱因斯坦相对论提出所触发的物理学的革命，标志着第三次科学大浪潮的真正到来，农业气象学取得长足发展，跨入了现代科学的行列，以竺可桢教授为近代气象的奠基人。现代农业气象的迅速发展. 思考题 1农业气象学与气象学的根本区别在什么地方？ 2气象学与农业气象学的研究对象、任务是什么？ 3农业气象学常用哪些方法来研究？,第三节 气象学与农业气象学发展简史,第四节 大气的一般特性,一. 大气的组成 1、固态 2、液态 3、气态 干洁大气: 除去水汽及其它悬浮的固体和液体质粒的混合空气。干洁大气特点 气体的组成成分比较稳定 干洁大气是永久气体 在气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。,成云致雨的必要条件,主要 成分,次要 成分,水汽(H2O),固体杂质,生物体的基本成分,维持生物活动的必要物质,植物光合作用的原料；对地面保温,吸收紫外线；“地球生命的保护伞”,成云致雨的必要条件；对地面保温,干 洁 空 气,O3,N2,O2,CO2,一、大气的组成,1. 组成成分及作用,在自然状态下，干洁空气各组成成分的比例会否变化?水汽和固体杂质的含量会否变化？如何变化？为什么？如果产生了变化对人类有什么影响？,水汽主要集中在大气底层，夏季大于冬季，低纬大于高纬，海上大于陆上。固体杂质也是主要分布在对流层中，一般是陆上大于海上，早晨和夜晚大于午后，冬季大于夏季。,由于人类文明的进步，工业化进程 的加快，地球大气成分发生了变化,CO2含量增加,全球变暖（温室效应）,so2含量增加,酸雨,大量燃烧煤、石油等矿物燃料；毁林,大量制冷剂的使用使氟氯烃的含量从无到有不断增多,臭氧含量不断降低： 臭氧层空洞,2.人类活动引起大气成分比例的变化,表1. 干洁大气的主要成分,大气中几种主要气体简介 （1）氮气（nitrogen, N2） ：大气中含量最大的气体成份，影响大气的密度、气压。氮是生物体的重要组成元素，是肥料三要素之一。 在气象学中并没有特殊的作用。 （2）氧气（oxygen, O2 ）：各种生命活动不可缺少的物质 。能吸收太阳辐射中的紫外线(ultraviolet, UV)，使到达地面的紫外线减少，影响大气的温度 。,（3）臭氧(ozone, O3 ) 生消原因： O2 O+O O+O2 O3 O3+O O2+O2 臭氧的时空分布规律 空间变化特点： 10km以下含量很少，2025km浓度最大，称为臭氧层（ozone layer) 时间变化特点： 随季节而变化，春季最大，夏季最小 。 臭氧的作用 能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线（特别是对生物有很强伤害作用的波长小于0.29微米的紫外线）。 对人和地球上的生态系统起到了屏障和保护作用。 对高层大气有“加热”作用，使10至50km高度的气层温度增高。,臭氧洞(ozone hole 一个重要的环境问题 80年代初，在南极大陆发现了臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧洞。 产生原因：人类活动释放的大量含氯氟烃（CFC），对臭氧层有破坏作用。 CFC在高层带电粒子的作用下会离解出氯离子Cl- ，而Cl-在以下过程中可起催化作用： 紫外线 O3+O 2O2 Cl-,臭氧层破坏所造成的后果 由于缺少臭氧层的屏障作用，大量对人类和其它生物有害的太阳紫外线可以到达地面，对生物产生严重的伤害。 对人的伤害：皮肤癌、眼癌、青光眼、白内障等疾病的患病率大幅度上升。据估计，紫外线透过率每增加10%，这几种疾病的患病率可增加20至60%。 这种情况对喜欢日光浴（sunbath）的西方国家影响尤为明显。,地中海滨的日光浴人群,地中海滨的日光浴人群,（4）二氧化碳（carbon dioxide, CO2 ） 二氧化碳的作用 植物进行光合作用、制造有机物质的重要原料 能吸收地面与大气的红外辐射(infrared, IR)，对地面具有保温作用。 大气中二氧化碳的循环 CO2的生成：生物呼吸、有机物的分解、燃烧、火山爆发、岩石风化、海洋释放等。 CO2的消失：植物光合作用(photosynthesis)、沉积、海洋吸收等。,大气中CO2的生消过程,大气中CO2的生消过程,碳素循环： 、外循环： 有机物 CO2 （ 海洋中） 海水交换氧化 沉入海底 含C沉积物 大气中的CO2 ： （1）、含量：大气中CO2按容积比占0.032%。不是固定不变的。与来源和去向有关。 （2）、来源：呼吸作用；有机物分解；碳酸盐岩体的分解作用；燃烧和火山活动。 （3）、去向：植物和部分微生物光合作用固定；长石、云母的分解作用。,大气中二氧化碳的变化规律 CO2的日变化(diurnal variation)：主要取决于光合作用 白天午后达最低值，日出前后达最高值 CO2的年变化(annual variation) ： 秋季达最低值，春季达最大值 CO2的长期变化(long-term change) ： 由于人类活动，大气中CO2浓度不断升高。在十七世纪工业革命前,全球平均大约为280ppm，但现在则高达380ppm.,夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线,大气中CO2浓度的年变化 夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线,大气中CO2浓度的月变化,夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的月变化曲线,大气中CO2浓度的变化,大气中CO2浓度的变化,大气中CO2浓度的变化,大气中CO2浓度的变化,由于CO2是具有对地球保温的温室效应(greenhouse effect)，因此其浓度升高将导致全球变暖。 温室效应：地球大气中的某些气体如二氧化碳、甲烷、氧化亚碳、碳化物不吸收可见光，专门吸收地球辐射它们允许50%的太阳辐射通过，同时拦截地面辐射，降低能量损失，并释放出来，相当于温室的暖化作用，称为温室效应。 根据用各种气候数学模型进行的模拟计算， CO2倍增（相对于工业革命前的270至280ppm）将使全球平均气温上升1.5到4.5，平均估计值大约为3 。未来的100年内全球平均气温可能上升1.4到5.8 。这样大幅度的气温变化必然会引发一系列重大的环境变化。 大气中CO2浓度增加对全球环境的影响,1000年以来CO2浓度和北半球平均气温曲线 气温为估计值（深蓝色）或观测值（浅蓝色）与19601990年基准值之差,1000年以来CO2浓度和北半球平均气温曲线 气温为估计值（深蓝色）或观测值（浅蓝色）与19601990年基准值之差,科学家预测：如果地球表面温度的升高，按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升24，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。,自1861年有仪器记录所来，全球表面温度持续上升。20世纪的上升幅度超过0.6 摄氏度。1976年以来，温度的变化速度大约是过去100年总变化速度的3倍。在北半球，20世纪90年代是过去1000年最暖的10年，而1998年的温度比常年高出0.5摄氏度，是最暖的一年。,在5次已知的地球生物大灭绝时期，大气中二氧化碳浓度都处于高峰，其中包括6500万年前一颗小行星撞击地球、结束恐龙时代的那个时期。研究人员说，二氧化碳浓度的异常升高，给生态环境造成了极大破坏。,温室效应会带来以下列几种严重恶果： 海平面上升；冰雪消融，海平面上升： 全球变暖将使北极、格陵兰岛、南极和高山上的积雪融化，导致海平面上升。据计算，如果全球冰雪全部消融，全球海平面将上升约69m！ 未来的100年内全球海平面将比目前上升9到88厘米，给许多国家带来灾难性后果。 气候反常，海洋风暴增多；影响全球水分平衡，引发极端气候现象频繁发生； 如寒潮、热浪、暴雨、龙卷风等 土地干旱，沙漠化面积增大；影响农作物的产量和品质 影响生物的生态适应性；地球上的病虫害增加。,美丽的图瓦卢将永远从太平洋上消失 2001年11月15日，太平洋岛国图瓦卢宣布，他们将放弃自己的家园，全国人民移民到新西兰，成为全球第一个因海平面上升而进行全民迁移的国家。,美丽的图瓦卢将永远从太平洋上消失,2001年11月15日，太平洋岛国图瓦卢宣布，他们将放弃自己的家园，全国人民移民到新西兰，成为全球第一个因海平面上升而进行全民迁移的国家。,气候变暖使海平面上升的最新证据 2002年1月31日，南极东岸已有1.2万年的拉森陆缘冰B冰架再次开始分裂，35天后，这个冰架崩成了几千个冰山，围成一个象羽毛的形状，在南极洲边缘的威德尔海上漂流。分裂出的冰块面积为3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。这个面积超过了塞浦路斯一个国家的总面积，是新加坡的9倍。 美国国立冰雪数据中心数据显示，自1974年以来，南极半岛周围已经有7块面积总计1.35万平方公里的冰架脱落。,南极拉森B冰架崩塌前后照片对比 拉森B冰架面积3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。,南极拉森B冰架崩塌前后照片对比,拉森B冰架面积3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。,南极附近游移的冰山,三、二氧化碳与植物： （一）、增产意义： 1、碳素是干物质的重要组成成分，有机物中90-95%是碳水化合物。 2、已经成为限制因子。生产要求的浓度是1%。 3、施用肥是确实可行的。例：黄瓜增产 ；芹菜增产 。,（二）、作物对CO2的利用： 1、作物对CO2的要求：不同作物、不同生育期、不同栽培技术对植物固定CO2有影响。C4植物要求高。 2、环境条件对固定CO2的影响：（1）、CO2浓度：正相关。（2）、太阳辐射：正相关。（3）、风：增加、补充CO2的浓度。（4）、温度：有一定的范围。10-30度时正相关。 3、作物固定CO2的阻抗公式： （1）、固定量与CO2浓度及浓度差成正比。（2）、与所受阻力成反比。（3）、与作物特性有关：所以提高利用率的措施有：施有机肥，合理行向，施CO2肥，N素深施，合理密植，减小运输阻力，增加空气乱流，提高气孔张度。,酸雨形成方程式,酸雨的危害： 1) 腐蚀建筑物和工业设备； 2) 破坏露天的文物古迹； 3) 损坏植物叶面，导致森林死亡； 4) 使湖泊中鱼虾死亡； 5) 破坏土壤成分，使作物减产甚至死亡； 6) 饮用酸化造成的地下水,对人体有害。,由于臭氧层空洞扩大，目前世界上每年每百万人中有2000人患皮肤癌。如果臭氧层不能得到恢复，空洞继续扩大，到2070年，全世界皮肤癌者人数将增加5。,现在最受重视的是氯氟烃，空调、电冰箱用的制冷剂氯氟烃其商品名叫氟里昂。氯氟烃在低层大气中稳定，游荡10年左右的时间进入同温层（对流层顶部至臭氧层底部），直至穿出臭氧层。穿出臭氧层后，在强烈紫外线的作用下，氯氟烃迅速分解，产生氯原子，氯原子极为活泼，专门拆散臭氧分子，使臭氧层逐渐变薄，出现空洞。,二、大气的垂直分布,为什么登山运动员的服装与其他运动员的不一样？,对流层,平流层,高层大气,对流旺盛近地面， 纬度不同厚度变； 高度增来温度减， 只因热源是地面； 天气复杂且多变， 风云雨雪较常见。,分层的依据：温度、密度和运动状况,气温初稳后猛升， 全靠臭氧其中顶， 水平运动天气好， 高空飞行最美妙。,上冷下热 高空对流,气温先降后升；电离层以下，高空对流；电离层能反射无线电短波,对流层,1、气温随高度的增加而递减。 对流层大气的热量绝大部分直接来自地面，地面是对流层大气的主要的直接热源。因此，离地面越高的大气，受热越少，气温越低，气温垂直递减率为0.6100米。 2、对流运动显著。 在对流层中，由于空气上冷下暖，使得热的地方气温高，空气密度小，容易产生空气的上升运动，冷的地方因有空气流向热的地方，从而产生下沉运动，这样就形成了大气的对流运动，所以，对流层是以对流运动为主。 对流层的高度因时因地而异。不同的纬度对流层的高度不一样（见表格）。低纬地区，地面受热多，对流活动旺盛，因此，对流层的高度高，可达1718千米；而高纬地区，地面受热较少，对流活动较弱，所以，对流层的高度低，一般只有89千米；中纬地区则适中。 不同的季节对流层的高度有不一样，夏季对流旺盛。 3、天气现象复杂多变。 由于对流层大气最靠近地面，几乎集中了全部的水汽和杂质，在大气对流过程中，容易形成云、雨、雪等天气现象，因此，对流层天气现象复杂多变，与人类的关系最为密切。,平流层 1、气温随高度增加而上升。 平流层大气中，由于含有臭氧，能大量吸收太阳紫外线，使气温随高度增加而迅速上升。 2、气流以平流运动为主。 平流层上热下冷，大气稳定，不易形成对流，以水平运动为主。 3、与人类关系：平流层以水平运动为主，且水汽和杂质极少，故云、雨现象近于绝迹，天气晴朗，有利于高空飞行。 高层大气 1、大气上界：20003000千米高空 2、电离层：地球外80500千米的大气层，有若干电离层。电离层大气处于高度电离状态，它们就像一面反射无线电波的镜子，使电波在地面和电离层之间多次反射，从而实现了远距离无线电通信。,高层大气自80千米开始，由于太阳紫外线和X射线的作用，使大气中的氮、氧分子或原子电离为正离子和自由电子，在80500千米高处形成电离层。离子浓度分布是不均匀的，在80千米附近（通常叫D层）、110千米附近（通常叫E层）和在300千米（通常叫F层）离子浓度都比较大，它们好象一面反射无线电短波的镜子，使无线电短波在地面和电离层之间，能够多次反射而传播到很远的地方。这些电离层通常在白天较强，夜晚会减弱、下降，甚至消失。,地面,电离层,短波,1、下列是关于大气对流层特点的描述：气温随高度增加而递增；空气对流运动显著；低纬地区厚度大于高纬地区；天气现象复杂多变。其中全部正确的一组叙述是（ ）,A、 B、 C、 D、,C,2、关于平流层的叙述，正确的是（ ） A、平流层上冷下热，大气稳定，不易形成对流 B、气温基本上不受地面影响 C、在平流层中存在一个电离层，能反射无线电波 D、平流层有利于高空飞行，与人类的关系最为密切,B,3、有时地面无线电短波通讯突然中断，这可能是（ ） A、对流层出现云、雨、雾、雪等天气 B、臭氧层的存在 C、电离层受到耀斑爆发的干扰 D、空气对流运动所致,C,4、将下面几种成分的代号填入表中，与其作用进行正确的搭配：,A、二氧化碳 B、水汽 C、臭氧,D、氮 E、氧 F、尘埃,D,F,A,B,E,C,5、有关臭氧的叙述，正确的是（ ） A、臭氧主要吸收太阳辐射中的