农业气象学讲稿

农业气象学讲稿绪论、大气、辐射和温度孙彦坤绪论一、大气与大气科学大气(Atmosphere)指包围地球的空气的总体。大气科学(Atmosphericscience)是研究大气各种现象及其演变规律的科学。农业气象学(Agrometeorology)是大气科学与农业科学之间的交叉学科。二、农业生产与气象的关系1．大气提供了农业生物的重要生存环境和物质、能量基础2．大气提供了可工农业生产利用的气候资源3．气象条件影响农业设施和农业生产活动的全过程4．大气对农业生产的宏观生态环境和其它自然资源的影响5．农业生产活动对大气活动的影响三、农业气象学的研究对象与任务1．农业气象监测2．农业气象信息服务3．农业气候资源开发、利用与保护4．农业气象灾害与生态环境建设5．农业小气候利用与调节6．农业气象基础理论研究四、农业气象学的发展历史1．古代的农业气象知识和经验2．农业气象学的产生和发展3．我国农业气象学的发展五、中国21世纪对农业气象的需求与发展前景第一章大气地球表层是由大气圈、水圈、土壤圈、生物圈及岩石圈组成。大气是指包围在地球表面的空气层，整个空气层称为大气圈。地球大气是随着地球的形成而逐步演变的，经过几十亿年的不断更新，才变为今天的状态。一般认为今天的地球大气是经过原生大气、次生大气和现代大气三个阶段演变而成的。原生大气：在地球凝聚诞生的早期，氢、氦、氖等气态物质组成了早期的原生大气层。原生大气寿命很短，在地球形成后不久就消失了，这是因为被强烈的太阳辐射向外不断散射的粒子流形成的太阳风吹得无影无踪了；再一个原因是地球刚形成时，质量还不大，引力较小，加上内部放射性物质衰变和物质熔化引起能量转换和增温，使分子热运动加剧，氢、氦等低分子量的气体便逃逸到宇宙空间去了。一般认为早期地球上曾有一阶段不存在大气圈。次生大气：地球刚形成时，温度比较低，并无分层结构。后来由于地球的重力收缩和放射性衰变致热等，才使地球内部温度升高，出现熔融现象，在重力作用下，物质开始分离，地球内部较轻的物质逐渐上升，外部一些较重的物质逐渐下沉，形成一个密度较大的地核。后来地球温度不断下降，地球冷凝成固体。这时内部高温促使火山频频爆发，产生出二氧化碳、甲烷、氮、水汽、硫化氢和氨等具有较重分子量的气体，在地球引力的作用下逐渐积蓄在地球周围，形成了围绕地球的次生大气。地球的水圈，也正是在这个阶段由水汽凝结降落而形成的。大约在地球形成10～15亿年，岩石圈、大气圈和水圈已经演化成形。现代大气：在地热、太阳能的作用下，简单的无机物和甲烷等化合生成氨基酸、核苷酸等有机物并逐步演化为蛋白质。大约在35亿年前，海洋中形成了简单的原始生物（细菌），属于厌氧型的生物，并逐渐演化产生叶绿素，进行光合作用，这就是水体中出现的最早自养生物藻类。随着紫外线的光解和光合反应，大量的氧生成了，使地球上开始了生命活动的历程。此时海洋有效地阻挡了致命的紫外线辐射，使原始生命在海洋中繁衍起来。最后高空氧逐渐增多，在光解作用下产生了臭氧层，它使透过大气的紫外线大为减少，促使植物进入海洋上层，又增加了光合反应的机会，更促进植物生命的大大发展。随着这种相互间的协调和增益过程，直到4亿年前，生命终于跨过了漫长的岁月，从海洋登上了陆地。大气也演变成今天的样子。可见，生命也正是在大气的参与和保护下，通过以光合作用为主的复杂的过程而形成的。第一节大气的组成和垂直结构一、大气的组成现代大气是由一些永久气体、水汽、雾滴、冰晶和尘埃等混合组成的，这种混合物一般分为三类：干洁大气、水汽和气溶胶粒子。1．干洁大气不含水汽和气溶胶粒子的混合空气称为干洁大气。（1）氮和氧（2）臭氧（3）二氧化碳2．大气中的水汽3．气溶胶粒子气溶胶是指大气中处于悬浮状态的土壤、肥料、浓烟、盐等的小颗粒，火山和宇宙尘埃、微生物、植物孢子和花粉、小水滴、冰晶等。二、大气的垂直结构大气总质量约为5.3×1015t，其中有50%集中在离地5.5km以下的层次内，在离地36～1000km的大气层只占大气总质量的1%。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气从地面到大气上界分为5层。即：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。1．对流层对流层是靠近地表的大气最底层。它的厚度随纬度和季节的不同而有变化。就纬度而言，低纬度平均为17～18km，中纬度为10～12km，高纬度只有8～9km。就季节而言，夏季厚、冬季薄。对流层的厚度同整个大气层相比，虽然十分薄，不及整个大气层厚度的1%。但由于地球引力，使大气质量的3/4和几乎全部的水汽都集中在这一层。云、雾、雨、雪、风等主要大气现象都发生在这一层中，它是天气变化最为复杂的层次，因而也是对人类生产、生活影响最大的一层。对流层的主要特征：（1）温随高度增加而降低。（2）空气具有强烈的对流运动。（3）气象要素水平分布不均匀。2．平流层平流层位于对流层顶到距地面约50～55km的高度。平流层是地球大气中臭氧集中的地方，尤其在20～25km高度上臭氧浓度最大，所以这个层又称臭氧层。平流层的特征：（1）气温随高度的上升而升高。（2）空气以水平运动为主。（3）水汽含量极少，大多数时间天气晴朗。3．中间层中间层是从平流层顶到距地面85km的高度。这一层的特征是气温随高度的增加迅速降低，气流有强烈的垂直运动，故又称高空对流层。其顶部的气温可降至-113℃～-83℃。其原因是这一层中几乎没有臭氧存在，但能直接吸收波长更短太阳辐射的氮和氧又大部分被其上层大气（热层）吸收了。层内的二氧化碳、水汽等更稀少，几乎没有云层出现。仅在75～90km高度有时能见到一种薄而带银白色的夜光云，但机会很少。这种夜光云有人认为是由极细微的尘埃组成。在此层的60～90km高度上，有一个只在白天出现的电离层叫D层。4．热层热层又称暖层，位于中间层顶以上。该层气温随高度增加而迅速增高，这是由于波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被该层的大气（主要是原子氧）吸收的缘故。热层没有明显的顶部，通常认为在垂直方向上，气温从向上增温至转为等温时为其上限。有人观测热层顶部约在250～500km，也有人认为可达800km。热层的主要特征：（1）气温随高度的增加迅速升高。（2）空气处于高度电离状态。据探测，暖层中各高度上的空气电离的程度是不均匀的。其中最强的有两层，即E层和F层。E层约位于90～130km，F层约位于160～350km。F层在白天还可分为F1和F2两区。据研究高层大气（60km以上）由于受到太阳的强烈辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气中能产生电流和磁场，并可反射无线电波。从这一特征来说，这种高层大气又可称为电离层，正是由于高层大气中电离层的存在，人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。此外，在高纬地区的晴夜，热层中可以出现彩色的极光。这可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下，向南北两极移动，所以极光常出现在高纬度地区的上空。5．散逸层这是大气的最高层，又称外层，是大气圈与星际空间的过渡带。这一层中气温随高度的增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很快，又因距地心很远，受地心引力很小，所以大气粒子常可散逸至星际空间。同时也有宇宙空间的气体分子闯入大气，二者可保持动态平衡。第二节大气污染由于人类活动或自然过程，使排放到大气中的物质的浓度及持续时间足以对人类及动植物的健康、设施或环境产生不利影响，破坏了生态系统和人类及动植物的生活生存条件的现象，称为大气污染。据世界观察研究所发布的世界环境状况报告指出：世界环境正在恶化，大气污染已成为全球十大环境问题之一。环境专家已测出260余种危害人体的挥发性有机物。如果让这种趋势继续发展，自然界将失去供养人类的能力。引起大气环境污染的物质主要来自两方面：一是自然界各种自然过程如火山爆发、森林大火等产生的，即“自然源”；二是人类生产和生活过程产生的，即“人工源”。引起大气污染广泛而严重的主要是“人工源”，因此人们所指的污染源通常指的是“人工源”。一、大气污染源1．工业污染源工业生产过程中产生的大气污染物是大气中污染物的主要来源，这类排放源的特点是大而集中。据统计，我国工业企业的烟尘和SO2排放量占全国总排放量的84%。2．交通运输污染源汽车、火车、轮船、飞机等交通运输工具与工厂相比，具有小型、分散、流动等特点，但其数量宠大，污染物排放总量也相当可观。特别是对人体危害极大的一氧化碳和氮氧化物，交通运输的排放量占总排放量的一半以上。例如，美国1970年统计全国排放一氧化碳1.47亿t，其中交通运输排放量占76%。飞机排放的污染物，目前虽然还不算很大，但随着航空事业的发展，在平流层飞行的飞机将不断增加，喷射的污染物会在平流层长期滞留，并逐渐进入臭氧层，从而将会对臭氧层产生不利影响。3．农业污染源农业生产过程中，因农药、化肥等使用不当，也会对大气产生严重的污染，对农业产品及产品质量也有不良影响。4．生活污染源生活污染源主要是指：家庭炉灶及取暖设备在燃烧过程中向大气排放的污染物质。由于其数量大、分散广、排放高度低，使排放的污染物常弥漫于居住区周围。污染物基本上是燃料（主要是煤）燃烧产生的烟尘、CO2、SO2等。特别是由于工业发展带来的城市人口集中，生活用煤产生的污染物数量相当可观，成为城市低空中大气污染不可忽视的污染源。我国北方城市，冬季取暖用煤是城市大气污染的重要原因。二、大气污染物大气中除水汽在0～5%之间变化外，微小尘埃和微生物在大气中逐年增多，特别是近百年来，大工业的兴起、现代化生产的发展，把大量有害物质排放到大气中。它们可以是气态、液态或固态的微粒，通常分为七大类：1．含硫化合物大气中含硫化合物有：SO2、SO3、H2SO4、H2S、硫醇、亚硫酸盐、硫酸盐和有机硫化合物等。2．含氮化合物大气中含氮化合物有NH3、N2O、NO、NO2等，氮氧化合物是大气中主要污染物之一，通常以NO、NO2危害最大。3．碳氧化合物大气中碳氧化合物主要来源于燃料的燃烧，污染物主要包括CO和CO2。4．碳氢化合物由碳元素和氢元素组成的化合物称为碳氢化合物。大气中的碳氢化合物通常是指可挥发的碳氢化合物，又称烃类。它们主要是烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等，其中CH4和C20H12是主要污染物。5．含卤素化合物大气中以气态存在的含卤素化合物大致可分为三类：卤代烃、其它含氯化合物和氟化物。6．光化学氧化剂光化学氧化剂是由天然源和人工源排放的氮氧化物和碳氢化物在阳光照射下，发生光化反应生成的。它主要包括：臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、二氧化氮（NO2）、醛类、过氧化氢（H2O2）等能危害人类和动植物，具有刺激性（如引起眼睛酸、痛、流泪等）、氧化性的物质，其中臭氧和PAN是最主要的。7．颗粒物颗粒物是气溶胶、总悬浮颗粒物（TSP）、飘尘、降尘、可吸入颗粒物的统称。大气中除了包含有各种气体成分外，还悬浮有各种不同尺度的液态和固态的微粒。这种气体和粒子共存的体系称为气溶胶。将大气中的气溶胶称为大气气溶胶粒子。大气中的烟、尘乃至悬浮的微生物，花粉等皆可为大气气溶胶粒子，其粒径在0.002～100μm之间。总悬浮颗粒物（TSP）是指用标准大容量采样器在滤膜上收集到的粒子总质量。是我国大气环境质量标准中的质量指标，其粒径绝大多数小于100μm，多数为10μm以下。按颗粒物自然沉降特性分为降尘和飘尘，降尘是指粒径大于10μm的微粒，飘尘是指粒径小于10μm的微粒。可吸入颗粒物是指粒径小于10μm的粒子。粒径越小，在大气中停留时间越长，被吸入人体的几率越高。粒径大的颗粒易被鼻腔和咽喉所阻挡而沉积于上呼吸道，而粒经小的颗粒可进入呼吸道深部。粒经大于2μm的粒子大部分留在了上呼吸道；小于2μm的粒子可以一直到达肺部无纤毛区，对人体健康造成极大危害，因此目前可吸入颗粒物已取代总悬浮颗粒物成为大气环境质量标准的主要指标之一。三、大气污染的影响大气污染给人类和自然界带来了极大的危害，其危害除了前面在“污染源”和“污染物”中提到的对人类健康等方面