农林气象学 第一章 辐射

(RadiantenergyorSolarradiation)第一章辐射2023/12/11

1.熟悉辐射的基本概念、辐射的基本特征量、辐射的基本定律；2.掌握太阳高度角、可照时间、太阳辐射光谱、太阳常数的概念；3.熟悉大气对辐射的吸收、辐射在大气中的减弱规律、辐射的日变化和年变化规律；4.理解和掌握日照时间长短的概念及变化规律；5.了解光合有效辐射、地面有效辐射的概念；6.掌握光合作用强度、光补偿点、光饱和点、植物光周期现象的概念及它们在农业生产上的应用。本章主要内容2023/12/12

第一节辐射的一般知识

(Basicknowledgeofradiation)一、辐射的概念(conceptofradiation)1.定义：

辐射：物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。

辐射能：物体以辐射的方式放射或输送的能量。

辐射有两个基本属性：

①辐射的波动性：电磁波的波长（λ）、频率（γ）和传播速率(υ)有如下关系：λ×γ=3×108ms-1

各种频率的电磁波在真空中传播的速度相等即相当于光速.2023/12/13l光速c=3.0x108ms-1c=lγ波长频率波长和频率的关系图1.12023/12/14电磁辐射波谱：图1.22023/12/15②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、能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为粒子（量子）。粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就称为该量的粒子（量子）。如电子。

这些粒子或量子每一个所具有的能量为：E＝h×γ，或E=hC/λ

h

＝6.626×10-34J·s，h为普朗克常数。

植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。2023/12/162.表征辐射的物理量（1）辐射通量（F）：定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。单位：J·s－1或W（2）辐射通量密度（E）

定义：单位面积上的辐射通量。单位：J·s－1·m-2或W·m-2。

E=dF/ds=dQ/(ds.dt)

ds辐照度辐出度dSdFdF2023/12/17（3）光通量、光通量密度、照度光通量定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。单位：流明（lm）光通量密度定义：单位面积上的光通量。单位：流明/米2（lm·m-2）光照度(照度）定义：单位面积上接收的光通量。单位：lx，勒克斯，1lx=1lm·m-22023/12/18吸收Qa入射Q反射Qr透射Qt定义：吸收率a=Qa/Q

反射率r=Qr/Q透射率t=Qt/Q则有：

a+r+t=11.吸收率、反射率和透射率假设有一束能量为Q的入射光，照射到某一物体表面，其中被物体吸收的能量为Qa，反射的能量为Qr，透射过物体的能量为Qt，则：Q=Qa+Qr+Qt。二、物体对辐射的吸收、反射和透射2023/12/192.关于a、r、t的几点讨论a、r、t是0～1之间的无量纲量。若辐射不能透过物体，t＝0，则a＋r＝1，吸收率越大，反射率越小，反之亦然。物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。吸收率等于1的物体为黑体。三、黑体辐射定律1.斯蒂芬—波尔兹曼定律2023/12/1102.维恩位移定律定律：黑体放射能力的最大值对应的波长(λmax)与其本身的绝对温度(T)成反比。即：

λmax·T=C如果波长以μm为单位，则常数C＝2898μm·K。意义：物体温度愈高，其放射能力愈强。定律：黑体的放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）

的四次方成正比。即：ET

＝σT

4

式中σ＝5.67×10-8W·m-2·K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。2023/12/111图1.4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系

物体的温度愈高，辐射能量最大值的波长愈短，即黑体辐射具有最大辐射能力的波长随温度升高逐渐向短波方向移动。2023/12/112

第二节太阳辐射的基本概念及其预备知识（一）太阳辐射光谱和太阳常数1.太阳辐射光谱定义：把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱。太阳辐射的波长范围较广，几乎包括了所有的电磁波，其能量的99％集中在0.15～4μm波段，因此说太阳辐射光谱主要包括红外线、可见光和紫外线光谱。一、太阳辐射的基本概念2023/12/1132.太阳常数定义：当日、地间处于平均距离时(约1.496×108km)，在大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积、单位时间内所接收的太阳辐射能，称为太阳常数。用S0表示。其值为1367±7W·m-2

我国采用的太阳常数值为1367W·m-2

。影响太阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。2023/12/114二.日地关系及时间计量

地球是一个椭球体，赤道半径6378.0km，极半径6356.8km，在绕太阳公转的同时又绕地轴自西向东自转。公转形成四季，自转形成昼夜。

（一）日地关系(Therelationshipbetweenthesunandtheearth)2023/12/115

近日距：1月3日，1.47×108km

远日距：7月4日，1.52×108km1.地球的公转运动：公转轨道为一椭圆,公转一周的时间为一年。2.地球的自转运动:绕地轴旋转，自转一周为一天。3.地轴与地球公转轨道面的交角为66.5°,且地球在公转过程中，地轴方向保持不变.

公转轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于一个焦点上，日地平均距离1.495×108km。2023/12/116图1.5地球自转和绕太阳公转示意图2023/12/117(二）时间及计量1.真太阳时定义：视太阳中心连续两次对准某一经线的时间间隔,称为一个真太阳日，一个真太阳日等分为24份，每一份为一个真太阳时。规定以子夜为零时作为一天的开始，正午为真太阳时12时。表示方法

真太阳时通常用真太阳时时角表示，即用角度计时。2023/12/118a真太阳时时角：太阳周日视运动轨道平面上，视太阳中心所在位置和正午太阳位置间的角距。b时角计算：规定自正午位置量起，下午和前半夜为正，上午和后半夜为负。与以小时为单位的时间对应关系如下：

12～18h

0°～90°18～0h

90°～180°0～6h－180°～－90°

6～12h

－90°～0°2023/12/119

ω＝t真×15°/小时－180°2.平太阳时和地方时⑴平太阳时定义：a平太阳：以视太阳周年视运动的平均速度做匀速运动的太阳.b平太阳时：相邻两次平太阳正午之间的时间间隔为一个平太阳日，一个平太阳日等分为24个平太阳时。2023/12/120c时差：真太阳时与平太阳时的差值。用n表示：

n＝t真－t平

平太阳时的表示方法：以小时表示，现在人们使用的时间都是某种平太阳时。⑵地方时:某地的平太阳时称为该地的地方平均太阳时，简称地方时。同一经线上，地方时相同，径度相差15°，地方时相差1小时。3.世界时和北京时⑴标准时：某时区中央径线的地方时称为该时区的标准时。2023/12/121⑵世界时：0时区的标准时为统一的世界标准时间，称为

世界时。

我国统一的时间标准，为北京标准时，简称北京时。⑶北京时：东径120°的地方时或东八区的标准时。北京时和世界时的换算关系如下：北京时＝世界时＋8⑷北京时、地方时、时角之间的换算关系：

t平＝t北+（当地径度-120°）×4分/度t真＝t平＋nω＝t真×15°/小时－180°2023/12/122三、太阳高度角和方位角

（一）、太阳高度角（h）1.定义:太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。

(0°≤h≤90°)

水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。图1.6太阳高度角和太阳辐射强度2023/12/1232.任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算⑴任意时刻h的计算sinh＝

sinφsinδ+cosφcosδcosω式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。

★δ的含义：太阳直射点的地理纬度.2023/12/124⑵正午时刻h的计算

例1：计算杨陵（34º20´N,108º04´E）夏至日和冬至日正午时刻的太阳高度角？解：根据公式h＝90°―φ＋δ，夏至日δ＝+23.5º，冬至日δ＝-23.5º

夏至日h=90°―34º20´＋23.5º=79º10´

冬至日h=90°―34º20´-23.5º=32º10´注意：当计算所得h为钝角时，取其补角为太阳高度角。h正午＝90°-φ+δ2023/12/125⑶太阳高度角随纬度和季节的变化

表1.1太阳高度角随纬度和季节的变化纬度(N°)春分日夏至日秋分日冬至日90°0°23°27′0°－23°27′66°30′23°27′46°54′23°27′0°50°40°63°27′40°16°33′40°50°73°23′50°26°33′23°27′66°33′90°66°33′43°06′20°70°86°33′70°46°33′10°80°76°33′80°56°33′0°90°60°33′90°66°33′2023/12/126（二）太阳方位角（A）1.定义：太阳平行光线在水平地面上的投影和当地子午线之间的夹角。2.计算公式：

式中A值：正南：A=0°正西：A＝＋90°正东：A＝－90°日出日没时h＝0°，CosA＝－SinδSecφ2023/12/1273.北半球太阳一年内太阳出没的方位★

冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至日，日出日没方位愈偏南。

★阳光最充足的地方——非洲的撒哈拉沙漠年平均日照长度4300小时，也就是平均每一天有11小时45分钟可以见到耀眼夺目的大太阳。2023/12/128四、昼长（可照时数）1.概念：在无遮阴情况下，日出到日没太阳可能照射的时

间间隔。2.计算：昼长=2ω0/15°3.昼长的变化cosω0＝-tgφtgδ★

相同纬度，昼长冬短夏长，春秋介于二者之间。例2.某地地理纬度Φ=35ºN，5月1日的赤纬δ=15º，试计算该日的昼长为多少小时？并计算日出时是几点几分？2023/12/129★夏季昼长随纬度升高而加长，冬季昼长随纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。

4.实照时数和日照百分率实照时数：地面上用日照计实际测量的日照时数。日照百分率日照百分率＝

—————×100%实照时数可照时数2023/12/1305.光照时间曙暮光

在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度，这种光称为曙光和暮光。民用曙暮光是指太阳在地平线以下0～6°的一段时间,

0～12°为航海曙暮光；0～18°为天文曙暮光。

赤道上，各季的曙暮光只有40多min,在纬度60°处，夏季可达3.5h,冬季也有1.5h,随着纬度的增加，曙暮光时间增长。

光照时间＝可照时数＋曙暮光时间2023/12/131第三节大气对太阳辐射的减弱一.减弱方式三种方式：吸收、散射、反射1.吸收作用特点：选择性吸收

大气共吸收了太阳辐射的24％.其中：平流层吸收4％，对流层吸收17％，云层吸收3％。2023/12/132主要吸收成分强吸收波段弱吸收波段O2<0.2μm的远紫外辐射0.69~0.76μm的可见光O30.2~0.3μm的紫外辐射0.6μm的可见光CO24.3μm附近的辐射水汽0.93~2.85μm的红外光（三个强吸收带）0.6~0.7μm的可见光（三个弱吸收带）

表1.2大气各成分的吸收波段2023/12/133各种波长的太阳光都可以被散射2.散射作用定义：当太阳光线通过大气层时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分以电磁波的形式从这些质点向四面八方散开的现象，称为散射。

根据散射质点半径r和入射辐射的波长λ的相对大小，把散射作用分为以下几种形式：2023/12/134当d＜λ时，为分子散射。

分子散射能力与入射光波长的四次方成反比。当d∝λ或d＞λ，称为粗粒散射。入射光波长愈短，散射能力愈强。d∝λ，散射质点对各波长辐射的散射能力基本一致。

当大气混浊，d＞λ

时，散射质点对入射光各波长具有同等程度的散射，散射强度不再随波长而改变，称之为无选择性散射。2023/12/1352023/12/136内蒙的草原2023/12/137日出日落时太阳为什么呈红色？2023/12/1383.反射作用

参与反射作用的物质：大气中较大的尘粒和云滴、云层。

云的反射作用其反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50%～55%。

反射作用没有选择性。

大气对太阳辐射的削弱，主要部分是波长较长的红外线和波长较短的紫外线，而可见光部分被削弱的较少，所以到达地面的太阳辐射主要集中在可见光部分。可见光区集中了太阳辐射一半的能量，它给予地球表面以巨大的能量，是发生在地理环境里各种现象和过程的最重要的能量源泉。2023/12/139二.影响太阳辐射减弱的因素1.大气量(m)

定义：太阳光线通过大气路径的长度与大气在垂直方向上厚度的比值来表示。

m随h的变化表1.3在各太阳高度时的大气量h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4

大气量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度低时，m值的增大特别迅速。2023/12/140

m的计算当h在30°～90°时,m可近似地表示为：图1.7不同太阳高度角下的大气量2023/12/1412.大气透明系数(P)（atmospherictransmissionfactor)定义：

透过一个大气质量(m＝1)后的辐射通量密度(S1)与透过前的辐射通量密度(S0)之比，即：

影响因子海拔、水汽、微尘、云雾思考题：一年中那个季节P最大？那个季节最小？2023/12/142三.减弱的规律布给—朗伯(Bouguer-Lambert)定律S＝S0Pm

表明：地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大气透明系数增大而增大，随大气量增加而减小。2023/12/143第四节到达地面的太阳辐射

到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成。一.太阳直接辐射

通常以到达地平面上的太阳直接辐射通量密度（S′）（也称太阳直接辐射辐照度）来表示太阳直接辐射的强弱。1.水平地面上的太阳直接辐射辐照度（S′）的大小S′＝S·sinh2023/12/144

如图示，平面ABCD为垂直太阳光线的平面，ABC′D′为其在水平地面上的投影。由此图我们可以推出：Ｓ′/Ｓ＝Ｍ/Ｍ′=AD/AD′＝sinhＳ′·Ｍ′＝Ｓ·Ｍ即

S′＝S·sinh

此式为朗伯定律。2023/12/1452.影响水平面上太阳直接辐射辐照度的因子S＝S0Pm

S′＝S·sinh可得出：S′＝S0Pmsinh即：影响水平地面上太阳直接辐射辐照度的因子为：太阳高度角和大气透明度或太阳高度角、大气透明系数和大气质量。3.太阳直接辐射的日、年变化2023/12/146太阳直接辐射强度图1.8一天中太阳辐射强度的日变化太阳直接辐射的日变化①变化规律②影响直接辐射日变化的因子太阳高度角、大气透明系数、海拔、纬度等。2023/12/147太阳直接辐射的年变化太阳直接辐射的年最小值在冬季，最大值随各地气候而异。二、太阳散射辐射1.散射辐射辐照度（D)太阳光被大气散射后，单位时间内以散射光形式到达地表单位水平面积上的太阳辐射能。

2023/12/1482.影响因子

主要受太阳高度角（h）、大气透明度(Pm)的影响，此外，纬度、海拔、云量、下垫面反射率有直接和间接的影响。

散射辐射的日变化基本与太阳高度角一致。散射辐射日总量的年变化基本上决定于正午太阳高度角、云量和昼长的年变化，最大值总出现在夏季。3.散射辐射的日年变化2023/12/1491.概念

到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天空辐射强度的总和。Q=S′+D

2.影响因子太阳高度角(h)：碧空时，随h增大Q迅速增加；有云时，Q的大小取决于S′和D的比例。三、太阳总辐射（Q）2023/12/150

纬度：纬度愈高，太阳总辐射愈低。

海拔：海拔愈高，地面接收的太阳总辐射愈多。大气质量(m)：大气质量m愈大，到达地面的太阳总辐射愈少。大气透明度(P)：大气透明度差，到达地面的太阳直接辐射减少，故太阳总辐射减少。2023/12/151四、地面反射对太阳辐射的反射1.地面反射率

地面反射的太阳总辐射与投射到地面的太阳总辐射之比。

2.不同性质下垫面的反射率

颜色不同的下垫面对太阳辐射可见光部分有选择性地反射。各种颜色表面的最强反射光谱带就是它本身颜色的波长。有色地膜的使用是这一理论在农业生产中的具体运用。2023/12/152表1.4不同性质下垫面的反射率种类反射率（%）种类反射率（%）新鲜雪面80~95棉花20~22一般雪面60~70甜菜18~25污秽雪面40~50马铃薯19~27干黑土14水稻田17~22湿黑土8牧草田15~25新耕地17针叶林10~15冬小麦16~23阔叶林15~202023/12/1533.影响反射率的因素

反射率与地面性质和状态有关，如植被，土壤，水面，其中颜色、湿度、粗糙度等影响较大。也与太阳高度角有关。地球表面平均反射率为5%。

水面的反射率一般比陆面小，但在太阳高度角小于10°时，往往大于陆地。2023/12/154例3：计算北京（40ºN）冬至日正午时的太阳直接辐射通量密度（设太阳常数1367W/m²,P=0.8）解：已知Φ＝40º，冬至日δ＝-23.5ºh＝90°－φ＋δ＝36.5°m=1/sinh=1/0.5948=1.6811S‵=1367×0.81.6811×0.5948＝558.76（W/m²）计算太阳直接辐射和散射辐射。分为三步：根据公式S′＝S0Pmsinh，第一步计算sinh，第二步计算地区质量m=1/sinh,第三步计算S‵2023/12/155例4：在北纬36.5º处有一座山，其南北坡的坡度为30º，试求冬至日正午时地面上及南北坡面上的太阳直接辐射通量密度。（设大气透明度为0.8，太阳常数为1367W/m²）解:已知Φ＝36.5º，冬至日δ＝-23.5ºP=0.8,β＝30h=90-36.5-23.5=30ºm=1/sinh=2水平面S‵＝1367×0.8²×sin30＝437.4（W/m²）南坡S‵＝1367×0.8²×sin（30+30）＝757.7（W/m²）北坡S‵＝1367×0.8²×sin（30-30）＝0（W/m²）

计算坡面的太阳直接辐射通量密度S坡＝S0Pmsinа.其中а为太阳光线与坡面的夹角，β为坡度，计算与水平面的过程类似，但在计算m后，应确定夹角а，对于南坡а＝h+β，北坡а＝h-β（如果北坡的坡度大于h,则无直射光，即北坡的直接辐射为0）。2023/12/156第五节地面辐射、大气辐射和地面净辐射

一、地面辐射(Eg)1.定义地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Eg)。

2.波长范围3.0～80μm

，最大放射能力对应的波长约为10.0μm

。3.日变化白天>夜间二、大气辐射2023/12/1571.定义大气辐射：大气向四面八方发射的辐射。大气逆辐射(Ea)：大气辐射朝向地面的部分。2.波长范围4～120μm

，最大放射能力波长约为11.6μm

。

三、地面有效辐射(F)1.定义：地面辐射与被地面吸收的大气逆辐射之差。2.计算公式F＝Eg-εEa

其中：ε为地面对大气逆辐射吸收率，平均取0.95.2023/12/1583.影响因子

地面温度

、空气温度、空气湿度、云况、风力、海拔、地面状况和植被等。4.地面有效辐射的意义

F大，地面降温多，易形成露、霜、低温灾害等，在农林业生产上可通过改善生产措施，以防御灾害的发生。2023/12/159五、地面净辐射(R)1.定义

在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差，称为地面净辐射(R)。也称地面辐射差额。2.计算公式

阴天：R＝D(1–r)–F夜晚：R＝-F

晴天2023/12/1603.影响因素

太阳辐射：白天，R>0，靠近正午时R达到最大值。夜间，R<0，R=-F。R由正变负的时间在日落前1小时；由负变正在日出后1小时。

天气状况有云的情况下，会使R的绝对值减小。

纬度纬度愈低，R保持正值的月份愈多。

地面净辐射在天气、气候以及农田小气候的形成与变化中有重要的作用。农业上可以通过覆盖、松土、灌溉等方法改变地面净辐射，调节土壤的温度。2023/12/161第六节太阳辐射与农业生产太阳辐射对植物的影响：热效应、光合效应、形态效应，决定了植物产量、形成及地理分布.

一、太阳辐射光谱成份对植物的影响1.不同光谱成分对植物的影响

植物生长是在日光的全光谱作用下进行的，不同光谱成分对植物的光合作用、色素形成、向光性、形态形成的诱导等影响是不同的。

2023/12/162植物吸收最多的是红橙光和蓝紫光，以参与光合作用。光谱对植物的影响有三个作用和三个效应：可见光的光效应，产生光合作用；红外线的热效应，促进果实成熟；紫外线的化学效应，起成型作用。意义：根据不同光谱成分对植物的影响，可以通过人工改变光质来改善作物的生长。近年来有色薄膜在农业上的应用，受到国内外的广泛注意。2023/12/1632.光合有效辐射（PAR）PAR=0.43S′+0.57D定义：太阳光谱中对植物光合作用有效的光谱成份称为光合有效辐射，大致包括0.38～0.71μm波段的太阳辐射。计算：二、光照强弱与作物生长发育1.光强与光合作用

绿色植物的光合作用是在一定的光照条件下进行的。光饱和点：光合作用的速度达到最大时光的强度。2023/12/164光补偿点：光合速度与呼吸速度相等时的光照强度.生长发育：营养生长需要弱光，生殖生长需要强光。产量：光饱和点高、补偿点低的作物品种产量潜力高。品质：强光有利于淀粉、蛋白质和糖的积累。三、光照时间与作物的发育

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