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一、大气与大气科学1.大气科学研究大气各种现象及演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门科学，是地球科学的组成部分。2、大气科学的分支主要分支有：大气探测学，气候学，天气学，动力气象学，大气物理学，大气化学，应用气象学等。1）天气学：天气：一地短时间内的气象要素和大气现象的综合状况。研究天气过程的形成和演变规律，并据此作出预报的科学叫天气学。2）气候学：气候：一地长时间内平均和极端的大气状态和过程。气候学是研究一地气候的形成、分布及变化规律的科学。3）应用气象学：是气象学理论与国民生活各部门相互渗透和结合的产物。农业气象学又分：果树气象、林业气象、作物气象、蔬菜气象、畜牧气象、病虫害气象等。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、大气提供了可供农业生产利用的气候资源。3、气象条件对农业设施和农业生产活动的全过程的影响。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环境的影响。三、农业气象学的研究对象与任务（一）农业气象学：是研究大气科学与农业科学相互作用及其规律的一门学科。农业气象学的研究对象有：种植业、林业、畜牧业、水产业、农业设施等。农业气象要素有：温度、湿度、气压、风、太阳辐射、降水、蒸发、二氧化碳浓度等（二）研究内容（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。第一章大气一、大气组成主要是干洁大气、水汽、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。干洁大气中对人类影响较大的成分是N2，O2，O3和CO2。（1）N2和O2:它们是大气的主要组成部分，但N2利用率低。O2是维持人类及动植物生命活动的气体。（2）O3:含量很低，集中在20-25km的高空，形成臭氧层。可强烈吸收对生物有害的紫外线。(3)CO2：是植物生命活动离不了的气体，可吸收地面辐射，对气温影响较大。2、水汽：主要集中在低层大气中。低纬度地区多于高纬度地区；下层多于上层；夏季多于冬季。含量很少，但是天气变化的重要角色，云、雾、雨、雪的形成都与之有关。3、气溶胶粒子：悬浮于空气中的固体粒子。包括水滴、冰晶、烟粒、尘埃等。可充当水汽凝结物，利于云、雨的形成；还可以吸收一部分辐射，对地温、气温有一定影响。二、大气垂直结构从下到上有五层：对流层、平流层、中间层、热层、外大气层（散逸层）。大气底界：即地球的表面。大气上界：即大气的顶界。有2种划分方法：根据极光出现的高度估计，在1000—1100km；据人造卫星探测，约在3000km。（一）对流层是靠近地表的大气最低层。其厚度随纬度和季节的不同而有变化：低纬度平均为17～18km，中纬度地区为10～12km，高纬度只有8～9km。夏季厚、冬季薄。特点：（1）气温随高度升高而降低。垂直递减率为：r=0.65℃/100m。（2）空气具有强烈的对流运动。易形成云和降水（雨、雪等）。（3）温度、湿度等气象要素水平分布不均匀。主要是受地形影响所致。（二）平流层从对流层顶到55km的气层。主要特点：1、垂直气流显著减弱，气流多呈水平运动，故叫平流层。2、集中了大气中大部分O33、下部气温随高度变化小，上部气温随高度升高而显著增加。4、水汽和尘埃很少，大气能见度好。适合飞机航行。（三）中间层从平流层顶到距地面85km的高度。主要特点：1、温度随高度升高而迅速降低，其顶部可下降到-83℃。2、气流有强烈的垂直运动，故又称高空对流层。（四）热层（暖层）从中间层顶到距地面约700km的气层。特点：1、气温随高度升高而迅速升高（因吸收短波紫外线）。2、空气分子处于高度电离状态。（五）外大气层（散逸层）从热层顶以上的大气层。特点：受地球引力小，高速空气分子常逃到太空，宇宙空间粒子也常进入该层。第二章辐射§1辐射的基本知识•一、概念•辐射：物体以电磁波或粒子的形式向外放射能量的现象。•通过辐射传递的能量叫辐射能。•辐射通量密度（辐照度）：单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能量。单位：W/m²（瓦/米²）二、辐射光谱•气象学研究的辐射波谱范围是0.1～120μm,即紫外线、可见光和红外线波段。•太阳辐射波长范围在0.15～4μm，地面和大气辐射波长在3～120μm，因此常把太阳辐射称为短波辐射，地球和大气辐射称为长波辐射，以4μm为分界线。•辐射的传播不需要中间介质。三、基本定律•1、斯蒂芬-波尔兹曼定律•黑体的辐照度（E）与其表面绝对温度（T）的四次方成正比。•E=T4是斯蒂芬-波尔兹曼常数•黑体：将投射到其表面上各种波长辐射能全部吸收的物体。•E=T4是灰体常数，在0.80～0.99之间。•两个公式都表明：物体温度越高，其辐射强度越强。2、维恩位移定律•黑体辐射光谱的极大值所对应的波长λmax与其绝对温度T成反比。•λmax=C/TC为常数，是2897。•表明：物体温度越高，它所辐射的具有最大能量的波长越短。§2太阳辐射一、太阳辐射光谱和太阳常数1、太阳辐射光谱•(1)定义：太阳辐射能随波长的分布。•2、太阳常数•当日地处于平均距离时，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量叫太阳常数。•世界气象组织推荐取值1367w/㎡。二、太阳辐射在大气中的减弱•太阳辐射在大气层中主要通过大气的吸收、散射和反射三种形式减弱。1、吸收作用•大气对太阳辐射的吸收具有较强的选择性，只吸收能量较小的紫外线、红外线，对可见光吸收很少。大约有14%的太阳辐射被大气吸收变为热能。•通过臭氧、氧气吸收紫外线，二氧化碳、水汽、尘埃、云滴等吸收红外线。2、散射作用•（1）分子散射•空气分子和直径0.1m的质点的散射作用叫分子散射。•波长愈短的辐射，被散射愈多。•在可见光中，蓝、紫光的波长最短，故被散射的也最多，红、橙光被散射的较少。（2）粗粒散射•大气中水滴、冰晶、尘埃、烟粒等质点的直径较大时，对所有的入射光都散射，使天空呈灰白色。•厚云层平均反射率为50%-55%。因反射作用使约25%太阳辐射返回空间。•大气对太阳辐射的减弱，反射最多，散射其次，吸收最少。三、到达地面的太阳辐射1、直接辐射Rsb：以平行光的形式投射到地面上的太阳辐射。•影响因素：主要与太阳高度角h、大气质量数m和大气透明系数a有关，还与纬度有关。（1）太阳高度角(h)•定义：太阳平行光线与水平面之间的夹角。•它与当地的地理纬度φ，赤纬δ，以及观测时的时刻（以时角ω表示）有关，某一时刻h求算式为：•sinh=sinφ.sinδ+cosφ.cosδ.cosω对于ω，规定：正午为0，下午为正，上午为负，ω=15º（t-12），因此一天中正午时太阳高度角最大,此时ω=0，则h=90º-φ+δ，当δ=φ时，h=90º太阳赤纬（δ）：太阳光垂直照射地球的位置，以当地地理纬度来表示。•一年中赤纬在±23.5°之间变动，即南北回归线之间变动。直接辐射Rsb随太阳高度角的增大而增大。（2）大气质量数m•定义：太阳辐射穿过大气的路径与大气垂直厚度之比，简称大气量，用m表示。•太阳光垂直照射时，m=1；斜穿大气层时，m1，m大小仅表示太阳倾斜入射时大气光学路径为垂直入射时的倍数。•太阳高度角越大，大气量越小。•直接辐射Rsb随大气质量数的增大而减小。（3）大气透明系数a•定义：太阳光通过一个大气量后的辐射度与通过前的辐射度之比。•一般a1，受大气中的水汽、云滴、尘埃的多少影响。•直接辐射Rsb随大气透明系数的增大而增大。变化规律：•晴天时太阳高度角影响大，阴天时大气透明系数影响大。一天中，正午前后最大，日出、日落时最小；一年中，夏季最大，冬季最小。我国因夏季水汽多、云量多，故最大值出现在春末夏初。相同天气条件下，纬度越低，直接辐射Rsb越大。但是一年中直接辐射Rsb最大值不在赤道地区，而是在回归线附近。2、散射辐射Rsd•散射辐射Rsd：经质点散射后，自天空各个方向投射到地面上的太阳辐射。•其强弱取决于太阳高度角h和大气透明系数a。三、太阳总辐射及其影响因子•太阳总辐射：太阳直接辐射和天空散射辐射之和。即：Rs=Rsb+Rsd•其中太阳直接辐射占主导地位，阴天或多云时，以天空散射辐射为主。影响太阳总辐射的因素有：太阳高度角、大气透明系数、云、海拔高度、地理纬度等。•1、太阳高度角h：Rs与h正相关，随h的增加而增加。•2、大气透明系数P：Rs与P正相关，随p的增大而增大。•3、云：云层厚时，Rs与云负相关，随云量的增多而减小；云薄时则相反。•4、海拔高度：Rs与海拔高度正相关，随海拔高度的增加而增加。•5、地理纬度：Rs随地理纬度增加而减弱，但总辐射年总量最大值在20º附近。四、地面对太阳辐射的反射•地面反射辐射：地面反射到大气中的太阳辐射。•地面反射率α：指地面对太阳辐射的反射辐射与到达地面的太阳总辐射的比值。•影响α的主要因素有：颜色、土壤湿度、粗糙度、太阳高度角等。§3地面和大气辐射一、地面和大气辐射•地面辐射RLu：即地面向外发射的辐射。•大气辐射：即大气向外发射的辐射能量。•地球辐射：地面辐射和大气辐射之和。•地面增温源于太阳辐射，大气增温源于地面辐射。地面辐射与太阳辐射的不同：1、太阳辐射只发生在白天，而地面辐射昼夜都有。2、太阳辐射主要波长集中在可见光内，而地面辐射主要波长在红外、远红外区，大部分被大气吸收，只有少量逃到太空中。•大气对长波辐射吸收强烈，但对8～12μm处吸收率最小，透射率最大，这一波段叫“大气天窗”。地面辐射是低层大气能量的主要来源。•因大气主要靠水汽吸收地面长波辐射，而水汽多集中于近地层，故地面辐射绝大部分在近地层被吸收。•大气逆辐射：投向地面的大气辐射。•云量、空气湿度等是影响大气逆辐射的主要因素。•地面对大气逆辐射也能反射，所以地面只能吸收大气逆辐射中的一部分能量，被地面吸收的大气逆辐射为δRLd（δ是吸收率）。•一般地δ很大，可以认为地面对大气逆辐射的吸收率近于1。•大气逆辐射能使地面获得一部分能量，因此它对地面有保暖作用，叫大气的保温效应。“大气温室效应”：由于大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外地辐射，增强了大气逆辐射，对地面有保温和增温作用，这种现象叫大气温室效应。“阳伞效应”：大气中微尘和二氧化碳的增加，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，这种现象称大气阳伞效应。二、地面净辐射Rn地面净辐射（地面辐射差额）：是单位时间内单位面积地表面所吸收的辐射与放出的辐射之差。•对地面来说，辐射能收入有：太阳总辐射，地面吸收的大气逆辐射。•辐射能支出有:地面反射辐射和地面辐射。•地面辐射平衡方程：•Rn=(Rsb+Rsd)(1-α)+RLd-RLu•Rn是地面净辐射，Rsb和Rsd分别是到达地面的太阳直接辐射和散射辐射，a是地面反射率，RLd是地面吸收的大气逆辐射，RLu是地面辐射。其变化规律与太阳高度角关系密切。•日变化：晴天时，白天地面吸收的多于放出的能量，Rn为正值，最大值在正午前后；夜晚Rn为负值，Rn正负值转换时间在日落前1h或日出后1h。阴天无规律。•年变化：夏季为正，冬季为负值。但受水汽和云的影响使Rn最大值不一定在盛夏。•华南地区秋季最大，春季最小。•Rn决定着空气温度、土壤湿度和露、雾、霜冻等天气的形成。•在生产上常改变Rn来改变温度、湿度等。特别是地温和气温。使人类及农业生物的生存环境更加有利。§4辐射与农业一、光合有效辐射•光合有效辐射（PAR）：太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分。•光合有效辐射波长范围：0.4－0.7μm•叶绿素主要吸收蓝紫光和红橙光，而对黄绿光吸收较少。在太阳辐射光谱中，红外光有热效应，蓝紫光利于光合作用，紫外线影响植物形态和品质。其作用分述如下：1、红外辐射（1）λ1.00μm•可转化为热能，影响植物体温和蒸腾作用，不参与光化学反应过程。（2）1.00-0.72μm•