第二章辐射汇总

复习旧课第一节气象学与农业气象学一、气象学的概念及其研究领域(一)气象学的概念

①大气

②气象③气象学④气象要素⑤主要的气象要素⑥天气⑦天气和气象的区别⑧天气学⑨气候⑩气候与天气的区别⑾气候学(二)气象学的研究领域：应用气象学→农业气象学二、农业气象学的概念、任务和研究方法(一)农业气象学的概念

1.

农业气象学（agrometeorology)：就是研究气象条件与农业生产相互关系及相互作用规律，并运用气象科学为农业生产服务的一门学科。它是广义农学(含农、林、牧、渔、农经等)与气象学之间相互渗透的交叉学科。2.农业气象条件：在一定时期内各种农业气象要素的某种组合。3.农业气象要素：气象要素中和农业生产密切相关的要素称为农业气象要素。重要的农业气象要素有辐射、温度、降水、湿度和风等，它们是影响农业生产的诸多环境因素中最活跃的因素。4.农业气候条件：一个地区多年的农业气象条件的特征。（二）农业气象学的研究对象一是研究与农业生产有关的气象条件的发生、变化和分布规律；二是研究受气象条件影响和制约的有关农业问题及其解决途径。2/6/20231(三)农业气象学的任务1．农业气象基础理论的研究2．农业气象情报和预报3．农业气候资源的开发利用与保护4．农业小气候的利用与调节5．农业气象灾害规律的掌握及灾害防御6．农业气象监测(四)农业气象学的研究方法平行观测（也称联合观测）：即在进行各项气象要素观测的同时，也进行农作物生长、发育状况、农业气象灾害的观测及田间管理工作的记载等。平行观测法的具体方法有：1.农业物候研究法2.农业气候试验法：（1）分期播种法

（2）地理播种法（3）地理分期播种法

（4）地理移置法或小气候栽种法（5）人工气候实验法

3.气候分析法：4.农业气象遥感法：5.资料分析法：6.作物气候模拟法：三、农业气象发展简史（一）中国古代的农业气象成就（二）近代农业气象科技的发展（始于19世纪后半叶）（三）中国现代农业气象学的发展1.农业气象工作创建时期(1958年以前)2.发展一调整一稳步发展一停滞时期(1959—1976年)3.1977年后的新的发展时期2/6/20232第二节大气的组成及垂直结构（一）大气的组成：大气是由多种气体、水滴、冰晶以及其他固体杂质混合而成的，按其成分可以概括成三类：干空气、水分和固体杂质。1.干空气大气中，除水分和固体杂质以外的整个混合气体，称为干洁空气，简称干空气。干空气的主要成分是氮气、氧气和氩气，这三种气体约占大气总容积的99.97％，其余气体如二氧化碳、氖、氙、氪、氢和臭氧等的总含量不足0.03％。表1列举了25km以下气层干空气的成分，除二氧化碳和臭氧稍有变化外，其他气体在100—120km以下，都比较稳定。对人类活动影响较大的为氮、氧、二氧化碳和臭氧。2.水汽：四分之三的水汽集中在4千米以下，10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99％。是唯一能进行气、液、固态三相变化的大气成分。

3.大气中的固体杂质：大气中悬浮的各种固态和液态微粒，统称杂质。它们主要集中在3千米以下的低层大气中。(二)大气污染：由于自然过程和人类活动的结果，直接或间接地把大气正常成分之外的一些物质和能量输入大气中，其数量和强度超出了大气的净化能力，以致造成伤害生物、影响人类健康的现象称大气污染。对人类造成较大威胁的被列入大气卫生质量标准的污染物，基本上可分为两大类：第一类为固体或液体的微粒，通称为气溶胶粒子(颗粒物)，如烟尘、粉尘、含酸雾滴等。直径在10微米以上的粉尘称落尘，直径在10微米以下的称为飘尘。第二类是气态化合物，通称为化学污染物。2/6/20233大气结构和垂直分层一、大气上界大气上界的界定:1、极光出现的最大高度是1200千米来估计大气上界，因此，将此数字定为大气的物理上界。2、大气密度接近于星际气体密度的高度来估计大气上界。大气上界为2000—3000千米。1、对流层低纬地区平均为17—18千米，在中纬地区平均10—12千米，在高纬地区平均为8-9千米。一般夏季对流层厚度比冬季厚。2千米以下大气层称为摩擦层；2米以下大气层称为贴地气层。对流层特点：（1）集中了整个大气四分之三的质量和几乎全部的水汽。（2）气温随着海拔高度的增高而降低。

(3)对流层空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。（4）气象要素水平方向上分布不均匀。在对流层内，按气流和天气现象分布特点又可分为三层。下层、中层、上层。2、平流层自对流层顶到55千米高度。

平流层的特点：(1)气温随高度增加而升高(2)在平流层中空气的垂直运动明显减弱，主要是水平运动。(3)在平流层中、水汽和尘埃含量极少。晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适于飞机飞行。3、中间层

自平流层顶到85千米高的气层为中间层。气温随高度增高而迅速下降，其顶部气温可降至一83℃以下，原因是该层有强烈的对流运动.

4、暖层

暖层位于中间层顶至800千米高度。温度随高度的升高迅速增高。暖层的空气处于游离状态。这是由于该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用下呈电离状态。由于这一特点，暖层又称为电离层。5、散逸层

800千米高度以上的大气层称为散逸层2/6/20234第二章辐射辐射：光、热从源沿直线直接向四周发散。太阳辐射能是地面和大气的能量来源，也是作物生长发育的生活因子之一。地面和大气在获得太阳辐射能的同时，本身也放射长波辐射。辐射也是大气同地球表面之间、大气中不同气层之间能量交换的主要方式。大气中的一切物理过程和物理现象，都是由太阳辐射、地面辐射和大气辐射供给能量而发生发展的。研究太阳辐射、地面辐射和大气辐射是气象学的首要任务。

2/6/20235第二章辐射日地关系及季节形成热辐射的一般知识太阳辐射

太阳辐射及其穿过大气层的减弱到达地面的太阳辐射地面辐射差额太阳辐射与农业生产2/6/20236第一节日地关系及季节形成一、日地关系二、太阳高度角和方位角三、昼夜形成与日照长短的变化四、季节的形成五、二十四节气2/6/20237一、日地关系地球的形状及运动:地球是一个椭球体，其赤道半径为6378.1km，极半径为6356.8km，它在太空中不停地进行着绕太阳的公转，同时又绕地轴自西向东进行自转。地球的公转轨道:公转的轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点（某些与椭圆、双曲线或抛物线有特殊关系的点。椭圆两焦点到椭圆上任意一点的距离的和为一常数）上。在一年中地球距太阳最近的时间约在每年的1月3日，距离为1.47×108km，这时地球在轨道上的位置称为近日点；地球距太阳最远的时间约在每年的7月4日，距离为1.52×108km，这时地球在轨道上的位置叫远日点，日地平均距离为1.495×108km。2/6/20238一、日地关系地球公转的速度和方向：平均为29.7km/s，公转一周360°，需要的时间为365d5h48min46s。若在北极星方向来看，地球绕太阳公转的方向是逆时针旋转的。

2/6/20239一、日地关系地球自转的方向：围绕地轴自西向东，自转一周所用的时间是23h56min4s。从北极星的方向来看，地球的自转也是逆时针方向的。地球公转的特点：一是地轴与地球公转轨道面始终保持66°33′的交角（即66.5°)。二是地轴在宇宙空间的倾斜方向始终保持不变。地轴的方向不变，66.5°的交角也不变。这样，地球在公转时，有时北半球倾向太阳，有时南半球倾向太阳，引起太阳直射地球的位置不断改变，导致地面获得太阳的能量发生周期性的变化，于是便产生了地球上季节更替现象。为了更好地说明这个问题，有必要先了解太阳高度角和日照时间变化。2/6/202310二、太阳高度角和方位角太阳视运动：将地球上观测者所看到的太阳相对于地球的运动，称为太阳视运动。太阳高度角(h⊙)：由于地球距太阳相当遥远，可以认为太阳辐射的能量是以平行光的方式到达地球表面上的，太阳平行光线与水平面的交角称为太阳高度角，常简称为太阳高度。与该地的地理纬度(Φ)、赤纬(б)以及当时的时刻(以时角ω表示)有关，太阳高度的求算式为sinh⊙＝sinΦsinδ+cosΦcosδcosω2/6/202311二、太阳高度角和方位角2/6/202312二、太阳高度角和方位角б为求算日期的赤纬，它是太阳光线垂直照射地球的位置，用阳光直射点的地理纬度表示。赤纬在北半球取正值，在南半球取负值。在一年里太阳赤纬在+23.5°至一23.5°之间变动。春分日和秋分日，太阳直射赤道，б＝0；夏至日，太阳直射北回归线，б＝+23.5°；冬至日，太阳直射南回归线，б＝-23.5°。赤纬的年变化如图。2/6/202313二、太阳高度角和方位角ω为所求算时间的时角，即把时间换算为角度：按地球24h转过1周360°，每小时为15°，以当地真太阳时正午为0°，下午为正，上午为负。(h⊙)变化在0°至90°之间，太阳在地平线以下，在一定范围内也可用负值表示。太阳高度角的大小影响到达地面能量的多少，太阳高度角越大，地面单位面积上获得的太阳能量就越多。太阳方位角(A)：太阳光线在水平面上投影与当地子午线（太阳直射点的经度）间的夹角称为太阳方位角。

2/6/202314二、太阳高度角和方位角太阳高度角在一日和一年中的变化：正午时刻的太阳高度角是一天中太阳高度的最大值，它是反映日射状况的一个重要特征值。在夏半年，太阳直射北半球，北半球各纬度的正午太阳高度角比较大，夏至日，太阳直射点达到北回归线，此时23.5°N以北地区的正午太阳高度角达到一年中的最大值。在冬半年，太阳直射南半球，北半球各纬度的正午太阳高度角比较小，冬至日，太阳直射点达到南回归线，北半球的正午太阳高度角达到一年中的最小值。由于太阳直射点在南北回归线之间移动，所以在一年中南北回归线之间可以有两次太阳直射(正午太阳高度角为90°)，回归线上只有一次直射；在南回归线以南和北回归线以北的地区，正午太阳高度角永远小于90‘，且随纬度升高正午太阳高度角减小。在低纬度地区，正午太阳高度角终年较大（南方和赤道地区终年较热且冬夏差别不大），它的年变化小；在中高纬度地区正午太阳高度角为夏季大、冬季小，年变化较大。

2/6/202315三、昼夜形成与日照长短的变化昼夜形成及其长短变化：在地球自转过程中，总是有半个球面朝向太阳，另半个球面背向太阳。朝向太阳的半球称昼半球，背向太阳的半球称夜半球，昼半球和夜半球的分界线，叫晨昏线。晨昏线与纬圈交割把纬圈分成两段圆弧，处于昼半球的弧段称昼弧，处于夜半球的弧段称夜弧。当地球自西向东自转时，昼半球的东侧逐渐进入黑夜，夜半球的东侧逐渐进入白天，由此形成了地球上的昼夜交替现象。

2/6/202316三、昼夜形成与日照长短的变化昼夜长短和昼弧、夜弧的关系：各地的昼夜长短和其所在纬圈的昼弧、夜弧比例相对应。昼弧长于夜弧，则白天长夜间短，昼弧短于夜弧，则白天短夜间长，昼弧等于夜弧，则昼夜平分。由于地轴与地球公转轨道面有66°33′的倾角，昼半球与夜半球交界面(分光面)不与地轴在一个平面上(春分、秋分日除外)，不同纬圈昼夜弧的比例不同；又由于日地相对位置随季节而异，而地轴方向却始终保持不变，致使地轴与分光面的交角不断地变化，因此同一纬圈的昼夜弧比例随季节而异(赤道除外)。所以，昼夜长短既随纬度不同而变化，又随季节交替而改变

2/6/202317三、昼夜形成与日照长短的变化日照时间及其长短变化：在天文学上，某地的昼长是指从日出到日没太阳可能照射的时间间隔，也称为可照时数。它和地理纬度(Φ)及太阳赤纬（б）有关。一日中，太阳直接照射地面的实际时数称为实照时数。实照时数＝可照时数－云雾及地物遮挡时数2/6/202318三、昼夜形成与日照长短的变化可照时间与季节和纬度的变化规律：春分日、秋分日(б＝0°)地球各地昼长均是12h，昼夜平分，昼长不随纬度而变化。从春分到秋分的夏半年(б﹥0°）北半球各地可照时间长于12h，白昼长于黑夜，而且纬度愈高，白昼愈长，夏至日白昼达一年中的最长，在北极圈内可出现有昼无夜现象，称为极昼。从秋分到春分的冬半年(б<0‘)北半球各地可照时间短于12h，白昼短于黑夜，而且愈到高纬，白昼愈短，冬至日白昼达一年中的最短，在北极圈内可出现有夜无昼现象，称为极夜。赤道上，终年昼夜平分中、高纬地区，随纬度增高，一年中昼长变化愈大；低纬地区终年昼长变化较小。南半球和北半球只是冬夏相反，春秋相反，昼长随纬度的变化规律是一样的。2/6/202319曙暮光和光照时间：在日出前与日没后的一段时间内，虽然太阳直射光不能直接投射到地面上，但地面仍能得到高空大气的散射光，使昼夜的更替不是突然的，天文学上称为晨光和昏影，总称为晨昏影，一般习惯上则称之为曙光和暮光。在曙暮光时间内也有一定的光强，对动植物的生长发育和人类生活有影响。为了区别于前面讲的可照时间，把包括曙暮光在内的日长时间称为光照时间，即：光照时间＝可照时间＋曙暮光时间三、昼夜形成与日照长短的变化2/6/202320三、昼夜形成与日照长短的变化天文曙暮光：是指太阳在地平线以下0～18°的一段时间。当太阳高度降至地平线以下18°时，其光照度在晴天条件下约为6.0×10-41x。这时，人眼可见的最暗的星均已显现。民用曙暮光：是指太阳在地平线以下0-6°的一段时间。当太阳高度降低至地平线以下6°时，晴天条件下的光照度约为3.51x，此时在室外看书，已难辨认。曙暮光持续时间长短，因季节和纬度而异。曙暮光的时间，全年以夏季最长，冬季最短。就纬度来说，高纬要长于低纬，夏半年尤为明显。

2/6/202321四、季节的形成地球绕太阳公转过程中，日地间距离的变化虽可使大气上界的太阳辐照度产生一些变化，但这种变化不大，变化幅度不超过±3.5％。但是在公转过程中，由于地轴方向保持不变，地轴与公转道面始终保持66°33′的夹角，这使得太阳光线垂直投射到地球上的位置不断变化，引起各地的太阳高度角和日照时间长短发生周期性的改变，造成一年中各纬度(主要是中高纬度)所接受太阳辐射能也发生周期性的变化。应该注意，夏至日得热最多，并非最热，冬至日得热最少，也并非最冷。这是因为温度高低的变化不能只看得热多少，更关键的是要看得热与失热的关系。

2/6/202322五、二十四节气当地球在轨道上自西向东绕太阳公转时，地球上的人们感觉不出地球本身的运动，但能看到太阳沿黄道也自西向东作周年视运动，黄道是指地球上的人们观察太阳在一年内所走的视路径。自春分点起，把黄道分为24等份，每15°为一个节气，6个节气为一季，四季共二十四节气。因此，二十四节气是指太阳在黄道上作周年视运动时二十四个具有季节意义的位置日期(表1—2)，它是属于阳历的，所以在阳历中的日期比较固定，上半年在6日、21日，下半年在8日、23日，前后仅差一二日。2/6/202323五、二十四节气二十四节气歌春雨惊春清谷天，夏满忙夏暑相连，秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节日期定，前后相差一两天。上半年在六廿一，下半年在八二三。立春雨水惊蛰春分清明谷雨立夏小满芒种夏至小暑大暑立秋处暑白露秋分寒露霜降立冬小雪大雪冬至小寒大寒2/6/202324五、二十四节气二十四节气起源于我国黄河中下游（西安、洛阳），反映了黄河流域的四季寒暑变化。其中四立(立春、立夏、立秋、立冬)表示天文四季的开始；二分(春分、秋分)为昼夜平分，处于春、秋季的中间；夏至及其以后的小暑、大暑是逐渐进入一年中最热的时期，处暑表示炎热季节结束；冬至及其以后的小寒、大寒是逐渐进入一年中最寒冷时期；白露、寒露和霜降表示气温下降程度，并有露水和霜等水汽凝结物出现。2/6/202325五、二十四节气其它节气中，惊蛰是春雷响动，冬眠蛰虫开始复苏，出土活动；清明表示天气开始转暖，草木新绿，景象清新；小满是草木开始繁茂，夏熟谷物籽粒开始饱满；均通过物象间接表示气温的升高。芒种是一年中农事繁忙时期，需要夏种、夏收和夏管，它以农事活动表示夏季来临。此外，雨水和谷雨表示雨水开始增多，对谷物生长有利；小雪、大雪是进入降雪季节；反映了一年中降水的时期；性质和大小程度。2/6/202326第二节热辐射的一般知识辐射的概念

辐射的波粒二象性辐射能量的基本量度单位物体对辐射的吸收、反射和透射辐射的基本定律2/6/202327一、辐射的概念以电磁波或粒子的形式向外放射能量，这种放射能量的方式称为辐射，放射的能量称为辐射能，也简称为辐射。

物体向外放射能量辐射具有双向性同时进行

不断吸收四周物体的辐射能

2/6/202328一、辐射的概念反射波动性散射辐射的特性透射粒子性：植物光合作用量子效应辐射的波动性，可用波长、频率表示。波长(λ)为振动位相相同两相邻点之间的距离，常用单位有微米、纳米(nm)。频率(ν)为每秒内振动次数或循环次数，其单位是赫兹(Hz)。

λ·ν＝C(电磁波在真空传播的速度）电磁波的波长和频率之间成反比关系，频率高的电磁波的波长较短，而频率低的电磁波的波长较长。

2/6/202329(一)辐射的波动性电磁波有不同的波长，按其波长的次序排列成一个谱系，称为电磁波谱2/6/202330(一)辐射的波动性气象学着重研究太阳、地球和大气辐射的波段，它仅仅是电磁波谱的一部分，波长范围主要集中于0.15——120微米之间，其中只有可见光人眼可以看到。可见光的波长在0.39一0.76微米之间，仅占电磁波谱中很小一部分。可见光经三棱镜分光后，按波长由长到短排列，依次成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成的光带。波长长于红色光的(>0.76微米)为红外线和无线电波，波长短于紫色光的(<0.39微米)为紫外线、X射线、γ射线等。2/6/2023312/6/202332(二）辐射的粒子性辐射的粒子学说认为，电磁辐射由许多具有一定质量、能量和动量的微粒组成，这些微粒称之为量子(光量子)。短波光每个光量子所具有的能量比长波光每个光量子所具有的能量多。2/6/202333（三）、辐射的基本单位辐射通量(F)单位时间内通过或达到任一表面的辐射能称为辐射通量。辐射通量即为辐射功率，它可以用来表示某表面向外放射的、接受的或通过的辐射功率。辐射通量密度(E)单位面积上的辐射通量为辐射通量密度。即单位时间内通过或到达单位面积的辐射能。放射体表面所放出的辐射通量密度称为辐射出射度，简称辐出度。辐射照射到物体表面的辐射通量密度，或者说到达接受面的辐射通量密度称为辐射照度，简称辐照度。2/6/2023342/6/202335（三）、辐射的基本单位光通量（ΦL）：单位时间通过任一表面上的光能。单位为流明(Lm)。光通量密度(E1)单位面积上通过或到达的光通量。单位面积上接受的光通量称为光照度。单位为勒克斯(Lm／m2)勒克斯（LX）：它是以1国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的球面上所得到的照度。辐射强度：指单位时间内与辐射能流方向相垂直的单位面积上得到的辐射能，即与入射光垂直的面上的辐照度。单位为瓦／米2(W／m2)。2/6/202336二、物体对辐射的吸收、反射和透射1.吸收率（）、反射率（r）、透射率（d）

投射到物体上的辐射，一般只有一部分被该物体吸收，其余则被该物体反射和透射2/6/202337

吸收率（）：物体对辐射的吸收的能力称为吸收率。

反射率（r）：物体对辐射的反射的能力称为反射率。

透射率（d）：物体对辐射的透射的能力称为透射率。设投射到物体上的总辐射能量为Qo；被吸收、反射、透射的量分别为Q、Qr、Qd。根据能量守恒原理，则：

Q+Qr+Qd=Qo将上式两端除以Q。，则得：二、物体对辐射的吸收、反射和透射2/6/202338式中左边第一项为吸收率；第二项，称为反射率(物体反射的辐射与投射于其上的总辐射之比)；第三项，称为透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射之比).即+r+d＝1

绝对黑体、灰体

绝对黑体：在任何条件下，对于各种不同波长的辐射的吸收率等于1的物体，简称黑体。灰体：如果某一物体吸收率小于1，但吸收率不随波长而变的物体。2/6/202339

在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力与物体对该波长的吸收率的比值，只是温度和波长的函数(与物体的其他性质无关)，为一恒量。即：e

λ,T

/a

λ,T=Eλ,T其中eλ,T表示物体对该波长的放射能力；

aλ,T表示物体对该波长的吸收率；Eλ,T只是温度和波长的函数。三、辐射的基本定律基尔荷夫斯蒂芬－波尔兹曼维恩位移黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比。ET=σT4

σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数σ=5.67×10-8W·m-2·

K-4

绝对黑体的放射能力最大值对应的波长与其本身的绝对温度成反比，即：

λmax＝C/TC=2897×103nm·K2/6/2023402/6/202341第三节太阳辐射太阳辐射强度和太阳常数大气对太阳辐射的减弱到达地面的太阳辐射强度2/6/202342一、太阳辐射强度和太阳常数太阳辐射：从太阳辐射出来的光、热能量总称为太阳辐射能，简称太阳辐射或太阳能。太阳辐射强度：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量（W/m2·S）。太阳辐射的波长范围比较广，几乎包括了所有电磁波，但其能量的绝大部分集中在0.15—4.0微米之间，占太阳辐射总能量的99％，其中可见光区(0.39—0.76微米)的能量约占45.5％，红外线区(>0.76微米)约占47.3％，紫外线区(<0.39微米)约占7.2％(表1—4)。具有最大辐射能力的波长为0.48微米，在可见光的青蓝光区内。

2/6/2023432/6/202344一、太阳辐射强度和太阳常数太阳常数当日、地处于平均距离时，在地球大气上界，垂直于太阳辐射方向，单位面积上的太阳辐射能量，称为太阳常数。一般为1367±7W/m2，通常取1367W/m2。太阳辐射必须穿过大气层才能到达地面，由于大气对太阳辐射有吸收、散射、反射等作用，使得投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以地球表面上的太阳辐射辐照度都小于太阳常数。2/6/202345二、大气对太阳辐射的减弱

太阳辐射在大气中的散射大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的反射2/6/202346太阳辐射被大气中的O2、O3、CO2、H2O(水汽)、云滴、雨滴及尘埃等吸收，转变为热能的过程，称为吸收。大气中的吸收物质对太阳辐射具有选择性吸收的特性。

1、O2：强烈吸收波长位于0.15—0.2m远紫外区，这个吸收带较宽且吸收能力很强。此外，在可见光谱区还有两个弱的吸收带。高山空气稀薄，氧少，紫外线被吸收少，表现强。2、O3在大气中含量很少，但它能强烈吸收短波辐射，在波长0.2～0.3m的紫外线区有很强的吸收带，能使太阳辐射总能量减少2％。其中在0.25m处吸收最强，对大气有增温作用。另外，紫外线在高空被臭氧吸收，使地球上的生物免受紫外线的危害，而透过的少量紫外线又可杀菌防病。臭氧在波长0.44—0.75m的可见光区有一很宽的吸收带，但吸收作用较弱。

（一）吸收作用2/6/202347（一）吸收作用3、CO2、H2O吸收带主要是在红外线区。CO2主要吸收4.3m附近的辐射，H2O吸收最强的是位于红外线区的0.93～2.85m

。由于太阳辐射中，强度最大的部分是位于短波区域，所以CO2和H2O对太阳辐射减弱作用不大。4、悬浮在大气中的水滴、杂质等也能吸收部分太阳辐射，但作用很小，只有在空气含尘量特大时，如有沙暴、火山爆发等时才会有比较显著的吸收，在一般情况下是可以忽略的。太阳辐射被大气吸收后转化成热能，不再到达地面。大气成分的吸收多位于太阳辐射光谱两端能量较少的区域，因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大，特别是对对流层大气而言，太阳辐射不是主要的直接热源。大气对可见光部分吸收较少，可以说大气对可见光几乎是透明的。

2/6/2023482、O3：主要吸收0.2-0.32m紫外线，这是一个最强的吸收带，使太阳辐射光在波长小于0.29m的紫外线不能到达地面

3、CO2：主要吸收1.46—2.78m的红外线区。

4、水汽：对太阳辐射吸收范围很广，主要吸收波长在0.7—3m的红外线。5、水滴和尘埃：水滴和尘埃能吸收0.59m及3m附近的太阳辐射。

如图所示2/6/202349太阳辐射通过大气时，空气分子和其它微粒内电子在电磁波的作用下发生振动，因而也向四面八方发射电磁波，这种作用称为散射。大气对于太阳辐射的削弱作用主要是散射。(二)散射作用2/6/202350(二)散射作用分子散射：如果散射质点(如空气分子)的直径比入射辐射的波长小时，散射的强度与其波长的四次方成反比，所发生的散射称为分子散射。这就是蕾莱分子散射定律。分子散射具有选择性，入射辐射的波长愈短，则散射强度愈强。

2/6/202351雨后天晴天空为何呈蓝色晴天时，大气中水汽、尘埃等杂质少，大气散射以分子散射为主，太阳辐射中波长较短的蓝紫光被散射的多，所以晴朗的天空呈蔚蓝色。

旭日和夕阳太阳为何呈红色?太阳辐射经过大气的散射后，一方面使得到达地面的辐射能量减少；另一方面使得太阳辐射中蓝紫光的辐射能量减少，红橙光的辐射能量比例增加，特别是在日出、日落时，因太阳光线通过的大气路程长，波长较短的光被散射殆尽，所以太阳光盘看上去呈橘红色。

粗粒散射(漫射)

当散射质点增大(如云滴、雾滴、尘埃等)，半径大于10m时，此时散射量不再随波长而改变，对各种波长的入射辐射都能同样的散射，这种无选择性的散射称粗粒散射(或漫射)。即散射强度与波长无关。

空气比较混浊或阴天时的天空为什么呈乳白色？阴天时，空气中的尘埃或雾滴较多，大气散射以漫射为主，入射的辐射都被同样的散射，散射光谱与辐射光谱相同的缘故。所以天空呈灰白色。2/6/202353(二)散射作用太阳辐射经过大气的散射后，一方面使得到达地面的辐射能量减少；另一方面使得太阳辐射中蓝紫光的辐射能量减少，红橙光的辐射能量比例增加，大气的散射作用主要减弱了太阳可见光区的辐射。2/6/202354大气中的云和尘埃等对太阳辐射反射，其中云的反射极为重要，云的平均反射率为50-55％，云对各种波长光的反射无选择性，反射光呈白色。云的反射能力取决于云状和云层厚度。云层愈厚，云量愈多，反射作用愈大。如浓密的低云，反射率可达到78％。

如果把射入到大气中的太阳辐射作为100％：

被大气吸收的约占14％；被散射和反射回到宇宙空间去的约占43％；

到达地面的约占43%。所以，大气对太阳辐射的减弱，以反射和散射作用大于吸收作用。如图所示(三)反射作用2/6/2023552/6/202356(四)减弱因素减弱的程度主要决定于太阳光线穿过大气的射程，以及大气中所含吸收、散射，反射质点的多少。前者用大气质量(m)讨论，后者则用大气透明系数(P)说明。1.大气质量(m)常用太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比表示（如图）。m=csch=2/6/2023572/6/202358太阳高度角不同时的大气质量数不同海拔高度的大气量数高度(千米)01．53．05．57．O9．0m1．0O.850．70．50．4O．3太阳辐射穿过大气的路程愈长，它被减弱的愈多；反之，路程愈短，太阳辐射被减弱的愈少。

大气质量主要决定于太阳高度角和海拔高度。2/6/2023592.大气透明系数

大气透明系数(P)是指透过一个大气质量以后的太阳辐射强度(S1)与透过前的辐射强度(S0)之比。即：P=S1/S0

因为空气分子对兰紫光散射作用强，对红橙光散射作用弱、所以红橙光的透明系数较大，故通过若干个大气质量后，光谱中的红橙光所占比例大些。

影响大气透明系数的因素有：海拔、水汽、尘埃、云雾等。2/6/2023603.减弱规律

垂直于太阳辐射方向的太阳辐照度，随大气透明系数增加而增大，随穿过大气质量增加而变小。若大气透明系数一定，大气质量数以等差级数增加，则透过大气层的辐照度以等比级数减小。2/6/202361三、到达地面的太阳辐射（一）太阳直接辐射(S′)S´=S´m=Smsinh=S0Pmsinh（S0为大气上界辐照度；Pm为大气透明系数）2/6/202362五、到达地面的太阳辐射(一)太阳直接辐射强度(S´):以平行光线的形式通过大气直接到达地面的辐射，称为太阳直接辐射.单位时间单位水平面积上的太阳直接辐射能称为太阳直接辐射强度。

S´=S´m=Smsinh=S0Pmsinh由上式知，S′决定于太阳高度角、大气透明系数和大气量。此外，它还受云量、海拔、纬度及坡向坡度等因素的影响。S´=S´m=Smsinh=S0Pmsinh2/6/202363(一)太阳直接辐射的变化

太阳高度角的变化，可以引起太阳辐射在水平地面上所散布的面积发生改变。太阳高度角愈小，等量的太阳辐射散布的面积就愈大，则单位水平地面所获得的太阳辐射就少。到达水平地面的太阳直接辐射的强弱与大气透明系数、大气质量以及太阳高度角有关。由于大气质量数(m)的大小取决于太阳高度，而大气透明系数在晴天条件下一日中的变化不大，因此影响直接辐射的因子主要是太阳高度，其次为大气透明系数。当太阳高度增大时，到达地面的太阳直接辐射增加；当大气中散射质点少时，大气透明系数增大，到达地面的太阳辐射增大。另外，太阳直接辐射随云量有变化，云量少时，直接辐射较强。2/6/202364(一)太阳直接辐射的变化太阳直接辐射辐照度有明显的日、年变化，其变化也取决于太阳高度的变化。在无云的天气条件下，一天中一般是中午最大，日出日落时最小；一年中夏季大、冬季小。但在我国，由于盛夏时大气中水汽含量增加，云量增多，直接辐射的月平均最大值可能会出现在春末夏初。表1—9列出了北京直接辐射的各月平均值，由表看出，最大值出现在5月，最小值出现在12月。

直接辐射辐照度还随纬度而改变，低纬度大，高纬度小。另外，海拔高度增加时，太阳辐射通过大气质量减小，高空水汽尘埃含量也少，透明系数大，直接辐射随海拔高度增加而增大。

2/6/202365(二)天空散射辐射强度(D)

太阳辐射在通过大气层时，其中有一部分被空气中质点向四面八方弥散，它们有一部分向宇宙空间散失了，有一部分就散射在地面，这一部分就称为散射辐射。散射辐射的强弱，通常以到达水平面上的散射辐照度D来表示。假设散射辐射的一半返回宇宙空间，另一半在不考虑大气吸收作用下到达地面，则D可表示为：D=(S0-S0Pm)sinh=(1-Pm)sinh2/6/202366

(三)太阳总辐射强度及其影响因素到达地平面上的太阳直接辐射强度与散射辐射强度之和，称为太阳总辐射强度。Q=S´+D影响总辐射的因素：1、太阳高度角

日出后，随太阳高度的增大，直接辐射和散射辐射均增大，但前者增加较快，散射辐射在总辐射中所占比例逐渐减小，直接辐射成为总辐射的主要部分。

2、大气透明度大气透明系数愈大，散射辐射在总辐射中所占比例愈小。阴天时，总辐射完全由散射辐射组成。

3、云

当天空有云，但云量少而且比较薄，太阳未被云所遮蔽时，总辐射强度比碧空时(太阳高度角相同)大。2/6/202367影响总辐射的因素：4、海拔高度海拔愈高，大气柱愈短，则大气中水汽、微尘、杂质等的含量少，太阳直接辐射强，散射辐射弱，总辐射强。

5、纬度；总辐射随纬度的分布也受太阳高度角的影响，其规律是随纬度增高，总辐射减小。

2/6/202368（四）太阳辐射总量1、太阳辐射总量：是指一日、一月、一年或任意时段内所接受的太阳辐射能之和。它可以分别指太阳直接辐射总量、散射辐射总量或总辐射总量。

2、太阳辐射的日总量：一日中，到达地面单位面积上的太阳辐射的累积值，称为太阳辐射的日总量。3、太阳辐射年总量：一年中，到达地面单位面积上的太阳辐射累积值，称为太阳辐射年总量。2/6/202369因赤道附近云雨多，太阳辐射年总量高值区不是出现在赤道，而出现在北纬20º附近。全球最大值出现在埃及南部，约9200MJ/(m2.a)。中国为3768--8374MJ/(m2.a)，最高中心在雅鲁藏布江上中游，超过8000MJ/(m2.a)。川黔地区不足3349MJ/(m2.a)，为全国最低区。2/6/202370（五）下垫面对太阳辐射的反射下垫面对太阳辐射的反射率的大小决定于下垫面的性质与状态，其中以颜色、湿度、粗糙度等影响最大，另外，太阳入射角度和光谱成分发生变化时，反射率也发生变化。（一）颜色对反射率的影响可见光谱区，各种颜色表现最强反射光谱带，就是它本身颜色的波长，白色反射能力最强（白沙高达40%），黑色最弱（黑钙土只有5%-12%)，绿色对黄绿光的反射率大；(二）湿度对反射率的影响湿度增加，反射率减小，地面反射率与土壤湿度呈负指数关系；2/6/202371（五）下垫面对太阳辐射的反射（三）粗糙度的影响：粗造度增加，反射率减小，新耕地比未耕地要小；（四）太阳高度角的影响中午前后较小，早晚较大；（五）几种下垫面的反射率植被反射率的大小与植被种类、生长发育状况、颜色和郁闭程度有关，植物颜色越深，其反射率越小（绿色植物20%左右），水面一般比陆地小（太阳高度角影响较大）（新雪面90%,脏雪20-30%，冰面30-40%）2/6/202372 第四节地面辐射差额

一、地面辐射地面直接放射的长波辐射，称为地面辐射(Eg)。地面的平均温度约为300K，地面辐射波长在3～80µm之间，最大放射能力的波长约为10µm。地面辐射通过大气时，绝大部分能量被大气中的水汽、二氧化碳、水滴及尘埃等吸收，而其中以水汽吸收的量为最大。因水汽主要集中在大气的低层，且由下向上逐渐减少，故地面长波辐射能量绝大部分为低层大气所吸收。这说明，地面辐射是低层大气能量的主要来源。2/6/202373一、地面辐射地面的辐射能力与其本身温度有关，温度高，辐射能力大，反之则辐射能力小。除此外，辐射能力还与下垫面的性质有关。一般情况下，白天温度高，地面辐射值大，夜间温度低，其值要小。由于白天地面吸收的太阳辐射总量大大超过了地面辐射所损失的能量，故地面温度还是升高的。夜间已经没有太阳辐射，地面辐射损失能量的结果是地面温度下降。

2/6/202374二、大气辐射

大气向外的辐射称为大气辐射。

大气的平均温度约为250K，其辐射的波长介于7-120µm之间，最大放射能量的波长为15µm，也属于红外长波辐射。大气辐射既有向上的，也有向下的。大气辐射中，投向地面的那一部分大气辐射，叫做大气逆辐射(Eа)。通常，大气逆辐射值小于地面辐射值。

2/6/202375三、地面有效辐射(净红外辐射E0）

地面有效辐射：是地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，其表达式为：g

E=F0

E—δа其中，F0为地面有效辐射；Eg为地面辐射；δ为地面对大气逆辐射的吸收系数,Ea为大气逆辐射。一般情况下，地面温度高于大气温度，即F0>0，只有当大气温度高于地面温度时，地面吸收的大气逆辐射值才有可能大于地面辐射值，地面有效辐射为负值，即F0

＜0

。

2/6/202376影响地面有效辐射的因素:

1、地面温度地面温度高时，Eg增强，F0增大2、大气温度大气温度升高，Ea增强，F0减小。3、空气湿度湿度大，则Ea增强，F0减小。4、云云量多且云层厚时，Ea增强，F0减小。5、海拔高度随海拔高度的增加，水汽含量减少，F0增大。

6、雾雾使F0减小。

此外，晴朗无风的夜晚，空气的流动混合作用差，从而使F0增大；粗糙土壤表面的辐射比平滑土壤表面大，所以粗糙土壤表面的F0大于平滑土壤表面；植被覆盖下比裸地F0小，降温慢。2/6/202377大气中各种微尘和CO2成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强了大气逆辐射，对地面有增温和保温作用，这种现象称为大气的温室效应。大气逆辐射愈强，大气的温室效应愈显著，地面温度愈不易降低。据估计，如果没有大气的长波逆辐射，地球平均温度为-23℃左右。

大气中微尘和CO2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，这种现象称为大气的阳伞效应。

四、大气的温室效应和阳伞效应

2/6/202378五、地面辐射差额

指在一定时间间隔内，单位面积的地表吸收的辐射与放射的辐射之差（即地面吸收的太阳总辐射与其有效辐射之差），也称净辐射或辐射平衡，以R表示，其表达式为:

R＝(S′+D)(1－r)－F0

式中，R为地面辐射差额，S′为太阳直接辐射，

D为散射辐射，（S′+D）为太阳总辐射，(1-r)为地面对太阳短波辐射吸收率，（S′+D)(1-r)为地面所吸收的太阳短波辐射。

2/6/202379五、地面辐射差额地面净辐射在天气、气候的形成与变化中有重要作用。地面净辐射决定着土壤温度、空气温度和地面水分蒸发，也决定着露、雾、霜和霜冻的形成，有目的地改变地面净辐射，就可以改变和改善气候和小气候条件。例如采用覆盖，可以减少地面有效辐射，用遮阴、屏障，可以改变辐射收支，通过土壤染色、松土、铺砂或灌溉等，改变地面反射率进而调节土壤温度。2/6/202380第六节太阳辐射与农业生产一、太阳辐射光谱对植物的影响(一)不同光谱成分对植物的影响植物的生长发育是在日光的全光谱下进行的，不同光谱成分对植物的光合作用、色素形成、向光性、形态建成的诱导等影响是不同的。红光有利于碳水化合物的积累，而蓝光促进蛋白质和非碳水化合物的积累。紫外线则对植物的形状、颜色与品质的优劣起重要作用，高山、高原紫外线较多，使植物的茎叶短小，色泽较深。太阳辐射不同光谱对植物的影响如下：(1)波长大于1.00µm的辐射，被植物吸收转化为热能，影响植物体温和蒸腾情况，可促进干物质的积累，但不参加光合作用。(2)波长为1.00～0.72µm的辐射，只对植物伸长起作用，其中0.72～0.80µm的辐射称远红外光，对光周期及种子形成有重要作用，并控制开花与果实的颜色。2/6/202381(一)不同光谱成分对植物的影响(3)波长为0.72—0.61µm的红光、橙光可被叶绿素强烈吸收，某种情况下表现为强的光周期作用。(4)波长为0.61—0.5µm的光，主要为绿光，表现低光合作用与弱成形作用。(5)波长为0.51～0.40µm的光，主要为蓝、紫光，被叶绿素和黑色素强烈吸收，表现强的光合作用与成形作用。(6)波长为0.40—0.32µm的紫外辐射起成形和着色作用，使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等。(7)波长为0.32—0.28µm紫外线对大多数植物有害。(8)波长小于0.28µm远紫外辐射可立即杀死植物。2/6/202382(一)不同光谱成分对植物的影响根据不同光谱成分对植物生长的影响，可以用人工改变光质以改善作物的生长。通过有色薄膜改变光质以影响作物、蔬菜的生长，一般都能起到增加产量、改善品质的效果。据文献报道，浅蓝色薄膜育秧，秧苗及根系都较粗壮，分蘖早而多，叶色深绿；紫色薄膜对茄子有增产作用；蓝色薄膜对产量有提高，可是对洋葱生长不利。2/6/202383

(二)光合有效辐射

太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射(PAR)。光合有效辐射的波长范围与可见光接近。从能量所占的比例来看，光合有效辐射占太阳直接辐射的40％一45％，占散射辐射的60％左右，这是大气对可见光散射得较多造成的。光合有效辐射是计算作物光合生产潜力的重要依据，对于确定光合作用和产量形成的辐射能利用系数，拟定最适作物群体结构等方面具有重要意义。2/6/202384二、光照强弱与作物生长发育

(一)光强与光合作用在一定的光照强度范围内，光照度增加，光合强度也增加，但光照度达到一定程度时，光合强度不再随光照度的增大而增强，这个光的临界点称为光饱和点。叶片只有处于光饱和点的光照下，才能发挥其最大的制造与积累干物质的能力。在光饱和点以上的光强不再对光合作用起作用。当光照度降低时，光合强度也随之降低，植物的光合强度和呼吸强度达到相等的光强值称为光补偿点。在这一光强下光合作用制造的有机物质与呼吸作用消耗的物质相等。在光补偿点以下，植物的呼吸作用超过光合作用，消耗贮存的有机物质。如长期在光补偿点以下，植物将逐渐枯黄以至死亡。2/6/202385(一)光强与光合作用根据植物对光照度的反应，可将其分为喜阳植物和喜阴植物。喜阳植物，尤其是荒漠植物或高山植物，在中午直射光下也未达到光饱和。栽培作物多属于喜阳的，C4植物的光饱和点一般比C3植物高，C3植物，光饱和点为3万～5万Lx，C4植物甚至在10万Lx也未能达到饱和(图1—16)。喜阴植物，光饱和要低得多。喜阴植物，光补偿点为几百Lx，而喜阳植物可达1000Lx。2/6/202386(一)光强与光合作用作物群体的光饱和点和光补偿点均较单叶为高。这是因为当光强时，群体上层叶片已饱和，但下层叶片的光合强度仍随光强的增加而增强，群体的总光合强度还在上升。同样，群体内叶片多，相互遮荫，当光照减弱，上层叶片达到光补偿点时，下层叶片光强低于光补偿点，所以光合作用小于呼吸作用，所以整个群体的光补偿点较高。(二)光照强度与作物发育

强光有利于作物生殖器官的发育，相对的弱光照有利于营养生长。因此，多云的天气条件，对以植物营养器官为收获对象的作物有利