農(nóng)林氣象學(xué) 第一章輻射

1、2021-11-2612021-11-2621.1.熟悉輻射的基本概念、輻射的基本特征量、輻射的基本熟悉輻射的基本概念、輻射的基本特征量、輻射的基本定律；定律；2.2.掌握太陽(yáng)高度角、可照時(shí)間、太陽(yáng)輻射光譜、太陽(yáng)常數(shù)掌握太陽(yáng)高度角、可照時(shí)間、太陽(yáng)輻射光譜、太陽(yáng)常數(shù)的概念；的概念；3.3.熟悉大氣對(duì)輻射的吸收、輻射在大氣中的減弱規(guī)律、輻熟悉大氣對(duì)輻射的吸收、輻射在大氣中的減弱規(guī)律、輻射的日變化和年變化規(guī)律；射的日變化和年變化規(guī)律；4.4.理解和掌握日照時(shí)間長(zhǎng)短的概念及變化規(guī)律；理解和掌握日照時(shí)間長(zhǎng)短的概念及變化規(guī)律；5.5.了解光合有效輻射、地面有效輻射的概念；了解光合有效輻射、地面有效輻射的概

2、念；6.6.掌握光合作用強(qiáng)度、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、植物光周期掌握光合作用強(qiáng)度、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、植物光周期現(xiàn)象的概念及它們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用現(xiàn)象的概念及它們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。2021-11-263 第一節(jié)第一節(jié) 輻射的一般知識(shí)輻射的一般知識(shí) (Basic knowledge of radiation)一、輻射的概念一、輻射的概念(concept of radiation)(concept of radiation)1.1.定義：定義： 輻射：物體以電磁波或粒子的形式放射或輸送能量的過(guò)程。輻射：物體以電磁波或粒子的形式放射或輸送能量的過(guò)程。 輻射能：輻射能：放射或輸送放射或輸送輻射有兩個(gè)基本

3、屬性輻射有兩個(gè)基本屬性 輻射的波動(dòng)性：輻射的波動(dòng)性： 電磁波的波長(zhǎng)（電磁波的波長(zhǎng)（）、頻率（）、頻率（）和傳播速率）和傳播速率()()有如下關(guān)有如下關(guān) 系：系： = 3 = 3 10108 8msms-1-12021-11-264l lc=l l波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系2021-11-2652021-11-266 輻射的粒子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、輻射的粒子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、能量和動(dòng)量的微粒子組成，這些微粒稱為粒子（量子）。能量和動(dòng)量的微粒子組成，這些微粒稱為粒子（量子）。n粒子（量子）的概念：微觀世界的某些物理量不能連續(xù)變粒子（量子）的概念：微觀世界

4、的某些物理量不能連續(xù)變化而只能以某一最小單位的整數(shù)倍發(fā)生變化，這些最小單位化而只能以某一最小單位的整數(shù)倍發(fā)生變化，這些最小單位就稱為該量的粒子（就稱為該量的粒子（量子）量子）。如電子。如電子。 這些粒子或量子每一個(gè)所具有的能量為：這些粒子或量子每一個(gè)所具有的能量為： E Eh h，或或 E = h C /E = h C / -34-34 植物光合作用的研究常植物光合作用的研究常利利用輻射的粒子性。用輻射的粒子性。2021-11-2672 2. .表征輻射的物理量表征輻射的物理量） 輻射通量（輻射通量（F F） ： 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)任一表面的輻射能。定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)任一表面的輻射能。 單

5、位：?jiǎn)挝唬篔sJs1 1或或W W（2 2）輻射通量密度（輻射通量密度（E E） 定義：?jiǎn)挝幻娣e上的輻射通量。定義：?jiǎn)挝幻娣e上的輻射通量。 單位：?jiǎn)挝唬?Js Js1 1mm-2-2或或WmWm-2-2。dsdSdFdF2021-11-268 光通量光通量定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)某一表面的可見(jiàn)光能量。定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)某一表面的可見(jiàn)光能量。單位：流明（單位：流明（lmlm） 光通量密度光通量密度定義：?jiǎn)挝幻娣e上的光通量。定義：?jiǎn)挝幻娣e上的光通量。單位：流明單位：流明/ /米米2 2（lmmlmm-2-2） 光照度光照度( (照度）照度）定義：?jiǎn)挝幻娣e上接收的光通量。定義：?jiǎn)挝幻娣e上接收的光通量。單位

6、：?jiǎn)挝唬?lx lx，勒克斯，勒克斯，1 lx=1 lmm1 lx=1 lmm-2-22021-11-269 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 假設(shè)有一束能量為假設(shè)有一束能量為Q Q的入射光，的入射光，照射到某一物體表面，照射到某一物體表面，其中被物體吸收的能量為其中被物體吸收的能量為QaQa，反射的能量為，反射的能量為QrQr，透射，透射過(guò)物體的能量為過(guò)物體的能量為QtQt，則：，則：Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt。物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射2021-11-26102.2.關(guān)于關(guān)于a a、r r、t t的幾點(diǎn)討論的幾點(diǎn)討論na a 、r r

7、、t t是是0 01 1之間的無(wú)量綱量。若輻射不能透過(guò)物之間的無(wú)量綱量。若輻射不能透過(guò)物體，體，t t0 0，則，則a ar r1 1，吸收率越大，反射率越小，反，吸收率越大，反射率越小，反之亦然。之亦然。n物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。n吸收率等于吸收率等于1 1的物體為黑體。的物體為黑體。三、黑體輻射定律三、黑體輻射定律1.1.斯蒂芬斯蒂芬波爾茲曼定律波爾茲曼定律 2021-11-26112 2. .維恩位移定律維恩位移定律 定律：定律：黑體放射能力的最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)黑體放射能力的最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(max) (max) 與與其本身的絕對(duì)溫度

8、其本身的絕對(duì)溫度(T)(T)成反比。即：成反比。即： max maxT=CT=C如果波長(zhǎng)以如果波長(zhǎng)以m m為單位，則常數(shù)為單位，則常數(shù)C C28982898m Km K。意義：物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。意義：物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。定律：黑體的放射能力（定律：黑體的放射能力（ET）與它本身絕對(duì)溫度（）與它本身絕對(duì)溫度（T） 的四次方成正比。即：的四次方成正比。即： ET T 4 式中式中5.6710-8Wm-2K-4為斯蒂芬為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。2021-11-2612圖圖1.41.4不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系物體的溫度愈高，輻

9、射物體的溫度愈高，輻射能量最大值的波長(zhǎng)愈短，能量最大值的波長(zhǎng)愈短，即黑體輻射具有最大輻射即黑體輻射具有最大輻射能力的波長(zhǎng)隨溫度升高逐能力的波長(zhǎng)隨溫度升高逐漸向短波方向移動(dòng)。漸向短波方向移動(dòng)。2021-11-26132021-11-26142.2.太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)n定義：當(dāng)日、地間處于平均距離時(shí)定義：當(dāng)日、地間處于平均距離時(shí)( (約約1.4961.49610108 8km)km)，在大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的平面上單位面積、單位在大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的平面上單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所接收的太陽(yáng)輻射能，稱為太陽(yáng)常數(shù)。用時(shí)間內(nèi)所接收的太陽(yáng)輻射能，稱為太陽(yáng)常數(shù)。用S S0 0表表示。其值為示。其值為136

10、713677 Wm7 Wm-2-2 我國(guó)采用的太陽(yáng)常數(shù)值為我國(guó)采用的太陽(yáng)常數(shù)值為1367 Wm1367 Wm-2-2 。影響太。影響太陽(yáng)常數(shù)的因子有日地距離、太陽(yáng)黑子數(shù)等。陽(yáng)常數(shù)的因子有日地距離、太陽(yáng)黑子數(shù)等。2021-11-26152021-11-2616 近日距：近日距：1月月3日，日，1.47 108km 遠(yuǎn)日距：遠(yuǎn)日距：7月月4日，日，1.52108km1.1.地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓, ,公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一年。公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一年。2.2.地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng): :繞地軸旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周為一天。繞地軸旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周為一天。3.3.地軸與

11、地球公轉(zhuǎn)軌道面的交角為地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面的交角為66.566.5, ,且地球在公且地球在公 轉(zhuǎn)過(guò)程中，地軸方向保持不變轉(zhuǎn)過(guò)程中，地軸方向保持不變. . 公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽(yáng)位于一個(gè)焦點(diǎn)上，公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽(yáng)位于一個(gè)焦點(diǎn)上，日地平均距離日地平均距離1.4951.49510108 8kmkm。2021-11-2617圖圖1.5 1.5 地球自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)示意圖地球自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)示意圖2021-11-2618( (二）時(shí)間及計(jì)量二）時(shí)間及計(jì)量1.1.真太陽(yáng)時(shí)真太陽(yáng)時(shí)n定義：視太陽(yáng)中心連續(xù)兩次對(duì)準(zhǔn)某一經(jīng)線的時(shí)間間隔定義：視太陽(yáng)中心連續(xù)兩次對(duì)準(zhǔn)某一經(jīng)線的時(shí)間間隔, , 稱為一

12、個(gè)真太陽(yáng)日，一個(gè)真太陽(yáng)日等分為稱為一個(gè)真太陽(yáng)日，一個(gè)真太陽(yáng)日等分為2424份，每一份，每一份為一個(gè)真太陽(yáng)時(shí)。份為一個(gè)真太陽(yáng)時(shí)。規(guī)定以子夜為零時(shí)作為一天的開(kāi)始，正午為真太陽(yáng)時(shí)規(guī)定以子夜為零時(shí)作為一天的開(kāi)始，正午為真太陽(yáng)時(shí)1212時(shí)。時(shí)。 2021-11-2619a a 真太陽(yáng)時(shí)時(shí)角：太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌道平面上，視太陽(yáng)真太陽(yáng)時(shí)時(shí)角：太陽(yáng)周日視運(yùn)動(dòng)軌道平面上，視太陽(yáng)中心所在位置和正午太陽(yáng)位置間的角距。中心所在位置和正午太陽(yáng)位置間的角距。b b 時(shí)角計(jì)算：時(shí)角計(jì)算：規(guī)定自正午位置量起，下午和前半夜為正，規(guī)定自正午位置量起，下午和前半夜為正，上午和后半夜為負(fù)。與以小時(shí)為單位的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系上午和后半夜為負(fù)。

13、與以小時(shí)為單位的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：如下： 121218h 18h 0 09090 18 180h 0h 9090180180 0 06h 6h 1801809090 6 612h 12h 90900 02021-11-2620 t t真真1515/ /小時(shí)小時(shí)1801802021-11-2621c c 時(shí)差：真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的差值。用時(shí)差：真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的差值。用n n表示：表示： n nt t真真t t平平n 平太陽(yáng)時(shí)的表示方法：以小時(shí)表示，現(xiàn)在人們使用的平太陽(yáng)時(shí)的表示方法：以小時(shí)表示，現(xiàn)在人們使用的時(shí)間都是某種平太陽(yáng)時(shí)。時(shí)間都是某種平太陽(yáng)時(shí)。地方時(shí)地方時(shí): :某地的平太陽(yáng)時(shí)稱為該地的

14、地方平均太陽(yáng)時(shí)，簡(jiǎn)某地的平太陽(yáng)時(shí)稱為該地的地方平均太陽(yáng)時(shí)，簡(jiǎn)稱地方時(shí)。稱地方時(shí)。同一經(jīng)線上，地方時(shí)相同，徑度相差同一經(jīng)線上，地方時(shí)相同，徑度相差1515，地方時(shí)相差，地方時(shí)相差1 1小時(shí)。小時(shí)。3.3.世界時(shí)和世界時(shí)和北京時(shí)北京時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：某時(shí)區(qū)中央徑線的地方時(shí)稱為該時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)：某時(shí)區(qū)中央徑線的地方時(shí)稱為該時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。2021-11-2622世界時(shí)：世界時(shí)：0 0時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為統(tǒng)一的世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱為時(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為統(tǒng)一的世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，稱為 世界時(shí)。世界時(shí)。 我國(guó)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，為北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，簡(jiǎn)稱北京時(shí)。我國(guó)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，為北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，簡(jiǎn)稱北京時(shí)。北京時(shí)：東徑北京時(shí)：東徑120120

15、的地方時(shí)或東八區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。的地方時(shí)或東八區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。北京時(shí)和世界時(shí)的換算關(guān)系如下：北京時(shí)和世界時(shí)的換算關(guān)系如下： 北京時(shí)世界時(shí)北京時(shí)世界時(shí)8 8北京時(shí)、地方時(shí)、時(shí)角之間的換算關(guān)系：北京時(shí)、地方時(shí)、時(shí)角之間的換算關(guān)系： t t平平t t北北+ +（當(dāng)?shù)貜蕉龋ó?dāng)?shù)貜蕉? -120120）4 4分分/ /度度t t真真t t平平n nt t真真1515/ /小時(shí)小時(shí)1801802021-11-2623三、太陽(yáng)高度角和方位角三、太陽(yáng)高度角和方位角（一）、太陽(yáng)高度角（一）、太陽(yáng)高度角（h h）1.定義定義: :太陽(yáng)平行光線與地表水平面之間的夾角太陽(yáng)平行光線與地表水平面之間的夾角。 水平面上得到的太水平面

16、上得到的太陽(yáng)輻射能隨著陽(yáng)輻射能隨著h的增的增加而增加。加而增加。圖圖1.6 1.6 太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度2021-11-26242.2.任意時(shí)刻及正午時(shí)刻太陽(yáng)高度角的計(jì)算任意時(shí)刻及正午時(shí)刻太陽(yáng)高度角的計(jì)算任意時(shí)刻任意時(shí)刻h h的計(jì)算的計(jì)算 式中：式中：為觀測(cè)點(diǎn)緯度，為觀測(cè)點(diǎn)緯度，為赤緯，為赤緯，是時(shí)角。是時(shí)角。 含義：含義：太陽(yáng)直射點(diǎn)的地理緯度太陽(yáng)直射點(diǎn)的地理緯度. .2021-11-2625正午時(shí)刻正午時(shí)刻h的計(jì)算的計(jì)算：計(jì)算楊陵（計(jì)算楊陵（34203420 N,10804N,10804 E E）夏至日和冬至日）夏至日和冬至日正午時(shí)刻的太陽(yáng)高度角？正午時(shí)刻的太陽(yáng)高

17、度角？ 解：解： 根據(jù)公式根據(jù)公式 h h 9090， 夏至日夏至日+23.5+23.5，冬至日，冬至日-23.5-23.5 夏至日夏至日h=90h=903420342023.5=791023.5=7910 冬至日冬至日h=90h=9034203420 -23.5=3210-23.5=3210 注意：當(dāng)計(jì)算所得注意：當(dāng)計(jì)算所得h為鈍角時(shí)，取其補(bǔ)角為太陽(yáng)高度角。為鈍角時(shí)，取其補(bǔ)角為太陽(yáng)高度角。2021-11-2626太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化 表表1.1.1 1 太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化緯度緯度(N(N) )春分日春分日夏至日夏至日秋

18、分日秋分日冬至日冬至日90900 0232327270 023232727666630302323272746465454232327270 050504040636327274040161633334040505073732323505026263333232327276666333390906666333343430606202070708686333370704646333310108080767633338080565633330 09090606033339090666633332021-11-26271.1.定義定義：太陽(yáng)平行光線在水平地面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€太陽(yáng)平行光線在水平地面

19、上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€ 之間的夾角。之間的夾角。2.2.計(jì)算公式：計(jì)算公式：coscoshsinsinsinhcosA2021-11-26282021-11-26292021-11-2630 2021-11-2631 。 2021-11-26321.吸收作用吸收作用特點(diǎn)：選擇性吸收特點(diǎn)：選擇性吸收 2021-11-2633大氣各成分的吸收波段大氣各成分的吸收波段2021-11-2634散射作用散射作用 2021-11-2635。 2021-11-26362021-11-26372021-11-26382021-11-2639 u u 2021-11-26401.大氣量大氣量(m)(m) 定義：定

20、義：m m隨隨h h的變化的變化大氣量大氣量m m隨太陽(yáng)高度的增高而減小，隨太陽(yáng)高度的增高而減小，當(dāng)太陽(yáng)高度當(dāng)太陽(yáng)高度低時(shí)，低時(shí)，m m值的增大特別迅速。值的增大特別迅速。2021-11-2641hmcscsinh12021-11-2642大氣透明系數(shù)大氣透明系數(shù)透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量(m(m1)1)后的后的輻射通量密度輻射通量密度 (S(S1 1) )與與透過(guò)前的透過(guò)前的輻射通量密度輻射通量密度(S(S0 0) )之比，即：之比，即： 011SSSSPmm 2021-11-2643 2021-11-2644 。1.1.水平地面上的太陽(yáng)直接水平地面上的太陽(yáng)直接輻射輻照度（輻射輻照度（

21、SS）的大小）的大小2021-11-2645 。2021-11-26462021-11-26470102030405060708090太陽(yáng)高度角的日變化太陽(yáng)高度角的日變化時(shí)間時(shí)間太太陽(yáng)陽(yáng)高高度度角角太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角影響影響日變化的因子日變化的因子 太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)、海拔、緯度等。太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)、海拔、緯度等。2021-11-26481.1.散射輻射輻照度（散射輻射輻照度（D)D) 2021-11-26492.影響因子影響因子 3.3.散射輻射的日年變化散射輻射的日年變化2021-11-26501.1.概念概念 2021-11-2651 2021-11-2652 地面反射率

22、地面反射率 2021-11-26532021-11-2654 2021-11-2655n 計(jì)算太陽(yáng)直接輻射和散射輻射。分為三步：根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)直接輻射和散射輻射。分為三步：根據(jù)公式SSS S0 0P Pm msinhsinh，第一步計(jì)算，第一步計(jì)算sinhsinh，第二步計(jì)算地區(qū)質(zhì)量，第二步計(jì)算地區(qū)質(zhì)量m=1/sinh,m=1/sinh,第三步計(jì)算第三步計(jì)算SS2021-11-2656 計(jì)算坡面的太陽(yáng)直接輻射通量密度計(jì)算坡面的太陽(yáng)直接輻射通量密度S S坡坡S S0 0P Pm msin.sin.其中其中為太陽(yáng)光線與坡面的夾角，為太陽(yáng)光線與坡面的夾角，為坡度，計(jì)算與水平面的為坡度，計(jì)算與水平面

23、的過(guò)程類似，但在計(jì)算過(guò)程類似，但在計(jì)算m m后，應(yīng)確定夾角后，應(yīng)確定夾角，對(duì)于南坡，對(duì)于南坡h+h+，北坡北坡h-h-（如果北坡的坡度大于（如果北坡的坡度大于h,h,則無(wú)直射光，即北坡則無(wú)直射光，即北坡的直接輻射為的直接輻射為0 0）。）。2021-11-2657 3.03.080 80 m m ，最大放射能力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約最大放射能力對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為為10.0 10.0 m m 。二、大氣輻射二、大氣輻射2021-11-2658。 2021-11-2659 2021-11-2660 FrDSR)1)(晴天晴天FrDSR)1)(2021-11-2661 2021-11-2662 2021-11-2

24、6632021-11-2664 2021-11-26652021-11-2666 2021-11-26672021-11-26682021-11-26692.2.限制光能利用率的因素：限制光能利用率的因素： 作物生長(zhǎng)初期覆蓋度小、作物群作物生長(zhǎng)初期覆蓋度小、作物群體內(nèi)光分布不合理、光能轉(zhuǎn)化率低、中、高緯度地區(qū)農(nóng)業(yè)體內(nèi)光分布不合理、光能轉(zhuǎn)化率低、中、高緯度地區(qū)農(nóng)業(yè)受冬季低溫的限制、光合作用受空氣中二氧化碳含量的限受冬季低溫的限制、光合作用受空氣中二氧化碳含量的限制、作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏、自然災(zāi)害（氣象與病蟲等）的制、作物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏、自然災(zāi)害（氣象與病蟲等）的影響、不良的水分供應(yīng)與大氣條件使氣孔關(guān)閉，影響二氧影響、不良的水分供應(yīng)與大氣條件使氣孔關(guān)閉，影響二氧化碳的有效性與植物的其它功能。化碳的有效性與植物的其它功能。3.