農(nóng)業(yè)氣象學(xué)講稿

1、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)講稿緒論、大氣、輻射和溫度孫彥坤緒論一、 大氣與大氣科學(xué)大氣(Atmosphere)指包圍地球的空氣的總體。大氣科學(xué)(Atmospheric science)是研究大氣各種現(xiàn)象及其演變規(guī)律的科學(xué)。農(nóng)業(yè)氣象學(xué)(Agrometeorology)是大氣科學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)之間的交叉學(xué)科。二、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣象的關(guān)系1 大氣提供了農(nóng)業(yè)生物的重要生存環(huán)境和物質(zhì)、能量基礎(chǔ)2 大氣提供了可工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用的氣候資源3 氣象條件影響農(nóng)業(yè)設(shè)施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的全過(guò)程4 大氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的宏觀生態(tài)環(huán)境和其它自然資源的影響5 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)大氣活動(dòng)的影響三、 農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的研究對(duì)象與任務(wù)1 農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)2 農(nóng)業(yè)氣象信息服

2、務(wù)3 農(nóng)業(yè)氣候資源開發(fā)、利用與保護(hù)4 農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境建設(shè)5 農(nóng)業(yè)小氣候利用與調(diào)節(jié)6 農(nóng)業(yè)氣象基礎(chǔ)理論研究四、 農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的發(fā)展歷史1 古代的農(nóng)業(yè)氣象知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)2 農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展3 我國(guó)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的發(fā)展五、 中國(guó)21世紀(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象的需求與發(fā)展前景第一章 大 氣地球表層是由大氣圈、水圈、土壤圈、生物圈及巖石圈組成。大氣是指包圍在地球表面的空氣層，整個(gè)空氣層稱為大氣圈。地球大氣是隨著地球的形成而逐步演變的，經(jīng)過(guò)幾十億年的不斷更新，才變?yōu)榻裉斓臓顟B(tài)。一般認(rèn)為今天的地球大氣是經(jīng)過(guò)原生大氣、次生大氣和現(xiàn)代大氣三個(gè)階段演變而成的。 原生大氣：在地球凝聚誕生的早期，氫、氦、氖等氣態(tài)物質(zhì)組成了早

3、期的原生大氣層。原生大氣壽命很短，在地球形成后不久就消失了，這是因?yàn)楸粡?qiáng)烈的太陽(yáng)輻射向外不斷散射的粒子流形成的太陽(yáng)風(fēng)吹得無(wú)影無(wú)蹤了；再一個(gè)原因是地球剛形成時(shí)，質(zhì)量還不大，引力較小，加上內(nèi)部放射性物質(zhì)衰變和物質(zhì)熔化引起能量轉(zhuǎn)換和增溫，使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氫、氦等低分子量的氣體便逃逸到宇宙空間去了。一般認(rèn)為早期地球上曾有一階段不存在大氣圈。次生大氣：地球剛形成時(shí)，溫度比較低，并無(wú)分層結(jié)構(gòu)。后來(lái)由于地球的重力收縮和放射性衰變致熱等，才使地球內(nèi)部溫度升高，出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，在重力作用下，物質(zhì)開始分離，地球內(nèi)部較輕的物質(zhì)逐漸上升，外部一些較重的物質(zhì)逐漸下沉，形成一個(gè)密度較大的地核。后來(lái)地球溫度不斷下降，地球冷

4、凝成固體。這時(shí)內(nèi)部高溫促使火山頻頻爆發(fā)，產(chǎn)生出二氧化碳、甲烷、氮、水汽、硫化氫和氨等具有較重分子量的氣體，在地球引力的作用下逐漸積蓄在地球周圍，形成了圍繞地球的次生大氣。地球的水圈，也正是在這個(gè)階段由水汽凝結(jié)降落而形成的。大約在地球形成1015億年，巖石圈、大氣圈和水圈已經(jīng)演化成形?，F(xiàn)代大氣：在地?zé)帷⑻?yáng)能的作用下，簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物和甲烷等化合生成氨基酸、核苷酸等有機(jī)物并逐步演化為蛋白質(zhì)。大約在35億年前，海洋中形成了簡(jiǎn)單的原始生物（細(xì)菌），屬于厭氧型的生物，并逐漸演化產(chǎn)生葉綠素，進(jìn)行光合作用，這就是水體中出現(xiàn)的最早自養(yǎng)生物藻類。隨著紫外線的光解和光合反應(yīng)，大量的氧生成了，使地球上開始了生命活動(dòng)的

5、歷程。此時(shí)海洋有效地阻擋了致命的紫外線輻射，使原始生命在海洋中繁衍起來(lái)。最后高空氧逐漸增多，在光解作用下產(chǎn)生了臭氧層，它使透過(guò)大氣的紫外線大為減少，促使植物進(jìn)入海洋上層，又增加了光合反應(yīng)的機(jī)會(huì)，更促進(jìn)植物生命的大大發(fā)展。隨著這種相互間的協(xié)調(diào)和增益過(guò)程，直到4億年前，生命終于跨過(guò)了漫長(zhǎng)的歲月，從海洋登上了陸地。大氣也演變成今天的樣子?？梢?，生命也正是在大氣的參與和保護(hù)下，通過(guò)以光合作用為主的復(fù)雜的過(guò)程而形成的。第一節(jié) 大氣的組成和垂直結(jié)構(gòu)一、大氣的組成現(xiàn)代大氣是由一些永久氣體、水汽、霧滴、冰晶和塵埃等混合組成的，這種混合物一般分為三類：干潔大氣、水汽和氣溶膠粒子。1干潔大氣 不含水汽和氣溶膠粒子

6、的混合空氣稱為干潔大氣。（1）氮和氧（2）臭氧（3）二氧化碳2大氣中的水汽3氣溶膠粒子 氣溶膠是指大氣中處于懸浮狀態(tài)的土壤、肥料、濃煙、鹽等的小顆粒，火山和宇宙塵埃、微生物、植物孢子和花粉、小水滴、冰晶等。二、大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣總質(zhì)量約為5.3×1015t，其中有50%集中在離地5.5km以下的層次內(nèi)，在離地361000km的大氣層只占大氣總質(zhì)量的1%。根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，同時(shí)考慮到大氣的垂直運(yùn)動(dòng)等情況，可將大氣從地面到大氣上界分為5層。即：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。1 對(duì)流層對(duì)流層是靠近地表的大氣最底層。它的厚度隨緯度和季節(jié)的不同而有變化。就緯度而言，低緯度

7、平均為1718km，中緯度為1012km，高緯度只有89km。就季節(jié)而言，夏季厚、冬季薄。對(duì)流層的厚度同整個(gè)大氣層相比，雖然十分薄，不及整個(gè)大氣層厚度的1%。但由于地球引力，使大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部的水汽都集中在這一層。云、霧、雨、雪、風(fēng)等主要大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層中，它是天氣變化最為復(fù)雜的層次，因而也是對(duì)人類生產(chǎn)、生活影響最大的一層。對(duì)流層的主要特征：（1）溫隨高度增加而降低。（2）空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。（3）氣象要素水平分布不均勻。2平流層平流層位于對(duì)流層頂?shù)骄嗟孛婕s5055km的高度。平流層是地球大氣中臭氧集中的地方，尤其在2025km高度上臭氧濃度最大，所以這個(gè)層又稱臭氧層。平流

8、層的特征：（1）氣溫隨高度的上升而升高。（2）空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主。（3）水汽含量極少，大多數(shù)時(shí)間天氣晴朗。3中間層中間層是從平流層頂?shù)骄嗟孛?5 km的高度。這一層的特征是氣溫隨高度的增加迅速降低，氣流有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，故又稱高空對(duì)流層。其頂部的氣溫可降至-113-83 。其原因是這一層中幾乎沒(méi)有臭氧存在，但能直接吸收波長(zhǎng)更短太陽(yáng)輻射的氮和氧又大部分被其上層大氣（熱層）吸收了。層內(nèi)的二氧化碳、水汽等更稀少，幾乎沒(méi)有云層出現(xiàn)。僅在7590km高度有時(shí)能見到一種薄而帶銀白色的夜光云，但機(jī)會(huì)很少。這種夜光云有人認(rèn)為是由極細(xì)微的塵埃組成。在此層的6090km高度上，有一個(gè)只在白天出現(xiàn)的電離層叫D層。4

9、熱層熱層又稱暖層，位于中間層頂以上。該層氣溫隨高度增加而迅速增高，這是由于波長(zhǎng)小于0.175m的太陽(yáng)紫外輻射都被該層的大氣（主要是原子氧）吸收的緣故。熱層沒(méi)有明顯的頂部，通常認(rèn)為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉(zhuǎn)為等溫時(shí)為其上限。有人觀測(cè)熱層頂部約在250500km，也有人認(rèn)為可達(dá)800km。熱層的主要特征：（1）氣溫隨高度的增加迅速升高。（2）空氣處于高度電離狀態(tài)。據(jù)探測(cè)，暖層中各高度上的空氣電離的程度是不均勻的。其中最強(qiáng)的有兩層，即E層和F層。E層約位于90130km，F(xiàn)層約位于160350km。F層在白天還可分為F1和F2兩區(qū)。據(jù)研究高層大氣（60km以上）由于受到太陽(yáng)的強(qiáng)烈輻射，迫使氣體

10、原子電離，產(chǎn)生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)，并可反射無(wú)線電波。從這一特征來(lái)說(shuō)，這種高層大氣又可稱為電離層，正是由于高層大氣中電離層的存在，人們才可以收聽到很遠(yuǎn)地方的無(wú)線電臺(tái)的廣播。此外，在高緯地區(qū)的晴夜，熱層中可以出現(xiàn)彩色的極光。這可能是由于太陽(yáng)發(fā)出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發(fā)后發(fā)出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場(chǎng)的作用下，向南北兩極移動(dòng)，所以極光常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)的上空。5散逸層這是大氣的最高層，又稱外層，是大氣圈與星際空間的過(guò)渡帶。這一層中氣溫隨高度的增加很少變化。由于溫度高，空氣粒子運(yùn)動(dòng)速度很快，又因距地心很遠(yuǎn)，受地心引力很小，所以大氣粒子?？缮⒁葜列?/p>

11、際空間。同時(shí)也有宇宙空間的氣體分子闖入大氣，二者可保持動(dòng)態(tài)平衡。第二節(jié) 大氣污染由于人類活動(dòng)或自然過(guò)程，使排放到大氣中的物質(zhì)的濃度及持續(xù)時(shí)間足以對(duì)人類及動(dòng)植物的健康、設(shè)施或環(huán)境產(chǎn)生不利影響，破壞了生態(tài)系統(tǒng)和人類及動(dòng)植物的生活生存條件的現(xiàn)象，稱為大氣污染。據(jù)世界觀察研究所發(fā)布的世界環(huán)境狀況報(bào)告指出：世界環(huán)境正在惡化，大氣污染已成為全球十大環(huán)境問(wèn)題之一。環(huán)境專家已測(cè)出260余種危害人體的揮發(fā)性有機(jī)物。如果讓這種趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，自然界將失去供養(yǎng)人類的能力。引起大氣環(huán)境污染的物質(zhì)主要來(lái)自兩方面：一是自然界各種自然過(guò)程如火山爆發(fā)、森林大火等產(chǎn)生的，即“自然源”；二是人類生產(chǎn)和生活過(guò)程產(chǎn)生的，即“人工源”。

12、引起大氣污染廣泛而嚴(yán)重的主要是“人工源”，因此人們所指的污染源通常指的是“人工源”。一、 大氣污染源1工業(yè)污染源 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大氣污染物是大氣中污染物的主要來(lái)源，這類排放源的特點(diǎn)是大而集中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工業(yè)企業(yè)的煙塵和SO2排放量占全國(guó)總排放量的84%。2交通運(yùn)輸污染源 汽車、火車、輪船、飛機(jī)等交通運(yùn)輸工具與工廠相比，具有小型、分散、流動(dòng)等特點(diǎn)，但其數(shù)量寵大，污染物排放總量也相當(dāng)可觀。特別是對(duì)人體危害極大的一氧化碳和氮氧化物，交通運(yùn)輸?shù)呐欧帕空伎偱欧帕康囊话胍陨?。例如，美?guó)1970年統(tǒng)計(jì)全國(guó)排放一氧化碳1.47億t，其中交通運(yùn)輸排放量占76%。飛機(jī)排放的污染物，目前雖然還不算很大，但隨

13、著航空事業(yè)的發(fā)展，在平流層飛行的飛機(jī)將不斷增加，噴射的污染物會(huì)在平流層長(zhǎng)期滯留，并逐漸進(jìn)入臭氧層，從而將會(huì)對(duì)臭氧層產(chǎn)生不利影響。3農(nóng)業(yè)污染源 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因農(nóng)藥、化肥等使用不當(dāng)，也會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)品質(zhì)量也有不良影響。4生活污染源 生活污染源主要是指：家庭爐灶及取暖設(shè)備在燃燒過(guò)程中向大氣排放的污染物質(zhì)。由于其數(shù)量大、分散廣、排放高度低，使排放的污染物常彌漫于居住區(qū)周圍。污染物基本上是燃料（主要是煤）燃燒產(chǎn)生的煙塵、CO2、SO2等。特別是由于工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的城市人口集中，生活用煤產(chǎn)生的污染物數(shù)量相當(dāng)可觀，成為城市低空中大氣污染不可忽視的污染源。我國(guó)北方城市，冬季取暖用煤是

14、城市大氣污染的重要原因。二、大氣污染物大氣中除水汽在05%之間變化外，微小塵埃和微生物在大氣中逐年增多，特別是近百年來(lái)，大工業(yè)的興起、現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，把大量有害物質(zhì)排放到大氣中。它們可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的微粒，通常分為七大類：1含硫化合物 大氣中含硫化合物有：SO2、SO3、H2SO4、H2S、硫醇、亞硫酸鹽、硫酸鹽和有機(jī)硫化合物等。2含氮化合物大氣中含氮化合物有NH3、N2O、NO、NO2等，氮氧化合物是大氣中主要污染物之一，通常以NO、NO2危害最大。3碳氧化合物 大氣中碳氧化合物主要來(lái)源于燃料的燃燒，污染物主要包括CO和CO2。4碳?xì)浠衔?由碳元素和氫元素組成的化合物稱為碳?xì)浠衔?/p>

15、。大氣中的碳?xì)浠衔锿ǔＪ侵缚蓳]發(fā)的碳?xì)浠衔?，又稱烴類。它們主要是烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等，其中CH4和C20H12是主要污染物。5含鹵素化合物 大氣中以氣態(tài)存在的含鹵素化合物大致可分為三類：鹵代烴、其它含氯化合物和氟化物。6光化學(xué)氧化劑 光化學(xué)氧化劑是由天然源和人工源排放的氮氧化物和碳?xì)浠镌陉?yáng)光照射下，發(fā)生光化反應(yīng)生成的。它主要包括：臭氧（O3）、過(guò)氧乙酰硝酸酯（PAN）、二氧化氮（NO2）、醛類、過(guò)氧化氫（H2O2）等能危害人類和動(dòng)植物，具有刺激性（如引起眼睛酸、痛、流淚等）、氧化性的物質(zhì)，其中臭氧和PAN是最主要的。7顆粒物 顆粒物是氣溶膠、總懸浮顆粒物（TSP）、飄塵、降塵、可吸

16、入顆粒物的統(tǒng)稱。大氣中除了包含有各種氣體成分外，還懸浮有各種不同尺度的液態(tài)和固態(tài)的微粒。這種氣體和粒子共存的體系稱為氣溶膠。將大氣中的氣溶膠稱為大氣氣溶膠粒子。大氣中的煙、塵乃至懸浮的微生物，花粉等皆可為大氣氣溶膠粒子，其粒徑在0.002100m之間?？倯腋☆w粒物（TSP）是指用標(biāo)準(zhǔn)大容量采樣器在濾膜上收集到的粒子總質(zhì)量。是我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的質(zhì)量指標(biāo)，其粒徑絕大多數(shù)小于100m，多數(shù)為10m以下。按顆粒物自然沉降特性分為降塵和飄塵，降塵是指粒徑大于10m的微粒，飄塵是指粒徑小于10m的微粒?？晌腩w粒物是指粒徑小于10m的粒子。粒徑越小，在大氣中停留時(shí)間越長(zhǎng)，被吸入人體的幾率越高。粒徑大

17、的顆粒易被鼻腔和咽喉所阻擋而沉積于上呼吸道，而粒經(jīng)小的顆?？蛇M(jìn)入呼吸道深部。粒經(jīng)大于2m的粒子大部分留在了上呼吸道；小于2m的粒子可以一直到達(dá)肺部無(wú)纖毛區(qū)，對(duì)人體健康造成極大危害，因此目前可吸入顆粒物已取代總懸浮顆粒物成為大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)之一。三、大氣污染的影響大氣污染給人類和自然界帶來(lái)了極大的危害，其危害除了前面在“污染源”和“污染物”中提到的對(duì)人類健康等方面的危害外，還涉及到許多其它方面。1對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行需要一定質(zhì)量的大氣為基本條件。各種來(lái)源的污染物輸入大氣，使大氣質(zhì)量發(fā)生相應(yīng)變化。如果大氣污染物濃度超過(guò)了農(nóng)業(yè)的允許水平，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將造成不良影響。如農(nóng)作物減產(chǎn)

18、，產(chǎn)品品質(zhì)下降，價(jià)值降低等。常見的危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的污染物，按其毒副作用過(guò)程的不同，大體可分為氧化類、還原類或酸性類、堿性類或有機(jī)類、無(wú)機(jī)類等幾大類。氧化類：臭氧、過(guò)氧乙酰硝酸酯（PAN）、NO2、Cl2等。還原類：SO2 、H2S、CO、甲醛等。酸性類：HF、HCl、HCN、SO3、SiF4等。堿性類：NH3等。有機(jī)類：C2H4、甲醇、苯、酚等。無(wú)機(jī)類：重金屬及其氧化物、粉塵、煙塵、塵土等。各類大氣污染物對(duì)植物不僅毒副作用的過(guò)程不同，而且毒性強(qiáng)弱也有很大差別,可分為從強(qiáng)到弱的A、B、C三級(jí)。如A級(jí)有HF、SiF4、C2H4、PAN等，B級(jí)有SOX、NOX、硫酸煙霧、硝酸煙霧等，C級(jí)有甲醛、H2S

19、、CO、NH3、HCN等。一般而言，就全世界范圍來(lái)看，對(duì)植物影響最大的大氣污染物主要是：SO2、O3、PAN、Cl2、HF、C2H4和NOX等。大氣污染物對(duì)植物的危害除了與污染物的濃度和接觸時(shí)間有關(guān)外，還與植物本身對(duì)污染物的抗性有關(guān)。一般把對(duì)某種大氣污染物抗性最小的即最敏感的植物作為此種污染物的指標(biāo)植物。如SO2的指標(biāo)植物是紫苜蓿，氟化物和臭氧的指標(biāo)物分別是唐菖蒲和煙草等。當(dāng)然，大氣污染物對(duì)植物是否造成危害及嚴(yán)重程度還與所處環(huán)境有關(guān)，如與氣溫、光照、水分、風(fēng)向、風(fēng)速、逆溫、地形地貌等影響污染物擴(kuò)散的環(huán)境因素有關(guān)。2對(duì)全球氣候的影響人類每年向大氣中排放數(shù)億噸的污染物，在一定程度上改變了低層大氣的

20、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，影響了地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的收支狀況，對(duì)天氣、氣候產(chǎn)生影響。（1） 酸雨酸雨是指pH5.6時(shí)的降水。空中降水本來(lái)是中性的，而酸雨含酸量一般超過(guò)正常含量幾十倍，最低時(shí)pH值可達(dá)1.5。酸雨主要是由于大量的二氧化硫，在潮濕而污濁的空氣中，與水膜接觸后形成亞硫酸水溶液，進(jìn)一步被大氣中的金屬離子催化氧化成硫酸而形成酸雨。它的毒性比SO2和氮氧化物大好多倍，被稱為“天空中的死神”。酸雨的危害概況：歐洲大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)近20年連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，歐洲雨水的酸度每年增加10%，很多西北歐國(guó)家的酸雨pH值多為4.04.5，日本的降雨pH也已達(dá)4.34.4。我國(guó)酸雨也日趨加重，1982年全國(guó)普查，酸雨面積

21、約占國(guó)土面積的6.8%，酸雨城市主要出現(xiàn)在長(zhǎng)江以南。重慶酸雨的pH值達(dá)4.04，廣州市的酸雨pH值最低為3.69（1984年），貴陽(yáng)為4.07。酸雨的危害是多方面的：首先，它使河流、湖泊酸化。挪威南部有1.3萬(wàn)km2的湖面無(wú)魚，北歐和北美有2000個(gè)左右湖泊的物種絕跡。其次是危害植物生長(zhǎng)，雙子葉作物受害大于單子葉作物，尤其是根類作物，pH值在2.03.0可引起葉片傷害。1989年歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有0.5億km2的森林由于酸雨的危害出現(xiàn)枯萎。第三，降低土壤肥力，使土壤酸化。瑞典一些森林土壤的pH值降低了0.30.7，北歐和北美在半個(gè)世紀(jì)前已發(fā)現(xiàn)土壤酸化。第四，嚴(yán)重腐

22、蝕城市建筑物、機(jī)器、橋梁和藝術(shù)品。（2） 溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)是指大氣吸收地面長(zhǎng)波輻射之后，也同時(shí)向宇宙和地面發(fā)射輻射，對(duì)地面起保暖增溫作用。大氣中能夠強(qiáng)烈吸收地面長(zhǎng)波輻射，從而起溫室效應(yīng)的氣體稱為溫室氣體，它們主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化碳、氟里昂以及水汽等；除水汽以外，其它溫室氣體在自然大氣中含量都極少（氟里昂還是人類制造出來(lái)的），因此，人為釋放如不加以限制，便容易引起全球大氣迅速變暖。根據(jù)對(duì)南極和格陵蘭冰蓋中密封氣泡的CO2濃度測(cè)定，工業(yè)革命以前CO2濃度一直是比較穩(wěn)定的，大約是280×10-6左右，如按現(xiàn)在CO2濃度增長(zhǎng)速度（年增長(zhǎng)率大于1.0×10-6,有的年甚

23、至增長(zhǎng)了1.5×10-6），大約到2100年前后可達(dá)到560×-6，即比工業(yè)革命前增加了一倍。氣溫也將上升1.03.5，升溫將主要集中在高緯度地區(qū)，南北兩極的冰將加快融化。（3） 臭氧層遭破壞臭氧主要分布在平流層的1050km的范圍內(nèi)，尤其在1530km高度上臭氧濃度較大。目前由于人類制造出來(lái)的氯氟烴化合物，正在大量破壞臭氧層中的臭氧分子，使兩極地區(qū)臭氧層明顯變薄，南極上空春季甚至出現(xiàn)臭氧空洞（臭氧濃度只有正常值的1/3左右），紫外線大量通過(guò)大氣層，使人患皮膚癌和白內(nèi)障的機(jī)會(huì)增大。此外紫外線還能嚴(yán)重傷害植物，降低海洋生物的繁殖能力。目前已知影響臭氧層的化學(xué)反應(yīng)物大約有一萬(wàn)種

24、。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，廣泛用于各種霧化劑、除臭劑和制冷劑的氟里昂（CFCl3和CF2Cl2），對(duì)臭氧層的破壞特別嚴(yán)重， Cl和O3發(fā)生反應(yīng)后，可以重新產(chǎn)生Cl，使O3不斷分解。因此大氣上層只要出現(xiàn)少量的Cl原子，就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。此外還有氮氧化物也能和臭氧發(fā)生反應(yīng)使臭氧分解。四、大氣污染的防治1 合理布局工業(yè)，減少污染物排放2 改進(jìn)燃燒方法和燃料構(gòu)成3 采用區(qū)域采暖集中供熱4 減少交通廢氣污染5 合理使用農(nóng)藥和化肥6 造林綠化第二節(jié) 大氣與農(nóng)業(yè)在大氣中，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大的氣體成分有二氧化碳、氮、氧、臭氧、水汽等。這里主要介紹一下二氧化碳對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。CO2是植物光合作用制造有機(jī)物的主要原料；植物

25、在光合作用過(guò)程中吸收CO2，又通過(guò)呼吸作用釋放出CO2 。地球上，每年參與光合作用的CO2大約有1100億t?？茖W(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)光合作用在低光強(qiáng)下受光的限制，而在高光強(qiáng)下卻要受CO2的限制。如果田間CO2濃度過(guò)低時(shí)將對(duì)作物的光合作用產(chǎn)生不利影響。在光合作用旺盛時(shí)，農(nóng)田植被群體中常出現(xiàn)CO2不足的問(wèn)題。農(nóng)田中CO2的來(lái)源主要是大氣和土壤。作物光合作用所需的CO2主要靠大氣供給。一、 CO2濃度變化對(duì)農(nóng)作物的影響1CO2濃度增高對(duì)不同類型植物的影響光合作用固定C元素的途徑有C3、C4和景天科酸代謝型。增加CO2濃度，C3類植物無(wú)論在弱光還是強(qiáng)光下，光合作用均能得到促進(jìn)，因此森林底層受蔭蔽的植物，群體

26、過(guò)密的作物都能增加產(chǎn)量。2CO2濃度增高對(duì)植物光合率與生產(chǎn)力的影響增加CO2濃度，從長(zhǎng)期來(lái)看可以延遲葉片衰老，使葉片有較長(zhǎng)的時(shí)間維持活躍的光合作用，這對(duì)增產(chǎn)是有利的。3CO2濃度增高對(duì)植物水分利用率的影響植物每獲得1個(gè)分子的CO2，葉片將通過(guò)同一擴(kuò)散路徑，失去幾百個(gè)分子的水，光合作用吸收CO2同蒸騰失去水分的比值稱為光合水分利用率。增加CO2濃度可減少小麥蒸騰約80%，玉米、高粱約68%。對(duì)14種作物的398次觀測(cè)表明，平均減少蒸騰36%。一方面減少用水，另一方面增加光合率，結(jié)果使水分利用率相應(yīng)地也提高了。二、CO2增加后對(duì)農(nóng)業(yè)計(jì)劃與措施的調(diào)整1作物類型的調(diào)整根據(jù)專家研究，增加大氣中CO2濃度

27、，塊莖是受益最大的，其次是籽粒。因此，作物類型將要做相應(yīng)改變。增加CO2濃度，C4植物受益較少，所以C4植物如玉米、高粱、甘蔗等的地位將可能相應(yīng)下降。2育種的考慮培育抗倒伏、不分孽過(guò)多的作物（如小麥）品種等，因?yàn)樵黾覥O2后作物的生物量將增加，易發(fā)生倒伏現(xiàn)象。3耕作措施的考慮（1）因增加CO2而促進(jìn)了早期生長(zhǎng)，將更早地耗盡土壤中的水分，故在耕作措施上應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整。（2）由于CO2充分，水分利用率高，作物的種植密度可以相應(yīng)提高。（3）CO2后作物對(duì)肥料的要求更高，故應(yīng)增加肥料的供應(yīng)。4作物的分布區(qū)域CO2濃度的增加，使水分利用率提高，作物生長(zhǎng)所需水量將減少，因此在缺水或缺少灌溉的地區(qū)，可以種植一

28、些原來(lái)不能種植的作物，并能獲得高產(chǎn)。增加CO2濃度將增加植物的耐鹽性。因?yàn)镃O2濃度高可使作物多固定C元素，以增加碳水化物的供應(yīng)，從而緩解鹽害，使某些植物在中等鹽漬地區(qū)能比原來(lái)長(zhǎng)得快些，在原來(lái)不能生長(zhǎng)的鹽漬地能夠生存下來(lái)。換言之，增加CO2濃度，可使植物略向多鹽的地區(qū)擴(kuò)展。如果某地含鹽量逐年增加，則該植物能在該地區(qū)多種植幾年。第二章 輻 射第一節(jié) 輻射的基本知識(shí)一、輻射與輻射能1輻射輻射是以電磁波形式傳遞能量的一種方式。自然界中的一切物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)不停地以電磁波的形式向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。以輻射方式傳遞的能量稱為輻射能，簡(jiǎn)稱輻射。輻射是能量傳播方式之一，

29、也是太陽(yáng)能傳輸?shù)降厍虻奈┮煌緩?。電磁波可用波長(zhǎng)（）、頻率（）表示。波長(zhǎng)常采用單位m（微米）或nm（納米）；頻率單位為Hz（赫茲）。各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度（C）相等，稱為光速C=3×108m/s。電磁波的波長(zhǎng)、振動(dòng)頻率和傳播速度的關(guān)系為：(=c/)JY（2.1）從上式可看出，頻率高的電磁波的波長(zhǎng)較短，頻率低的電磁波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)。2 輻射能輻射的粒子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，電磁輻射是由許多具有一定質(zhì)量、能量和動(dòng)量的微粒組成。這些微粒稱為量子或光量子(quantum)。每個(gè)量子所具有的能量e（energy）與其頻率成正比，波長(zhǎng)成反比。它們之間的關(guān)系為：e=h 或 e=hc/ （2.2）式中h是

30、普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·s。由式中可看出, 波長(zhǎng)越短的光每個(gè)光量子所具有的能量越大，反之波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光每個(gè)光量子所具有的能量越小。 單個(gè)光量子所具有的能量非常小，量級(jí)是10-19，在實(shí)際應(yīng)用中非常不方便，因此愛因斯坦（Einstein）提出采用每mol（阿伏加德羅常數(shù)6.02×1023）的光量子為單位，用Ei表示。例如波長(zhǎng)0.4m和0.5m的一個(gè)愛因斯坦(Ei)所具有的能量，分別為299.2kJ和239.4kJ。在氣象學(xué)中，通常以焦?fàn)枺↗）作為輻射能的單位。自然界物體在單位時(shí)間、單位面積上發(fā)射或吸收的輻射能量稱輻射通量密度E(Energy)，單位是W

31、/2。3 物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射自然界中，不論何種物體，在向外發(fā)射輻射的同時(shí)，必然會(huì)接受到周圍物體向它投射過(guò)來(lái)的輻射。但投射到物體上的輻射并不能全部被吸收，其中一部分將被反射。如果物體是透明的，則還有一部分將透過(guò)物體。物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率a（absorptivity）；物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率r(reflectivity)；物體透過(guò)的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率t(transmissivity)。對(duì)均勻介質(zhì)而言，它們之間的關(guān)系為：a+r+t=1 （2.3）a，r，t是01之間無(wú)量綱數(shù)，分別表示物體對(duì)輻射吸收、反射和透射的能力。

32、同種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射有不同的吸收率、反射率和透射率，這種特性稱為物體對(duì)輻射吸收、反射和透射的選擇性。吸收率等于1的物體稱為黑體。如果某物體對(duì)所有波長(zhǎng)的輻射都能全部吸收，即a=1，則稱此物體為絕對(duì)黑體；如果只對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射全部吸收，即a=1，則此物體對(duì)該波長(zhǎng)為黑體。如果某物體的吸收率是小于1的常數(shù)，并且不隨波長(zhǎng)而改變，這種物體稱為灰體。自然界并不存在絕對(duì)黑體和絕對(duì)灰體，但為了研究方便，可將某些物體在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，近似地看作黑體或灰體，例如在814m波段內(nèi)，黑而潮濕的土壤具有大約0.970.99的吸收率，故可近似地把它看為黑體。應(yīng)當(dāng)注意，這里定義的黑體與一般所謂的黑顏色物體是有區(qū)別的。物

33、體的顏色只表明它反射太陽(yáng)短波輻射中可見光的性質(zhì)，所以不能根據(jù)物體的顏色來(lái)判斷它對(duì)非可見光的吸收率。我們說(shuō)太陽(yáng)近于黑體是因?yàn)樗鼘?duì)各種波長(zhǎng)的輻射吸收率均接近。而潔白的雪對(duì)紅外線的吸收遠(yuǎn)比一般的黑顏色物體更接近黑體。二、輻射光譜輻射能是通過(guò)電磁波的方式傳輸?shù)摹ｋ姶挪ǖ牟ㄩL(zhǎng)范圍很廣，從波長(zhǎng)10-10m的宇宙射線到波長(zhǎng)達(dá)幾千米的無(wú)線電波。肉眼看得見的是從紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各種顏色組成的光帶，其中紫光波長(zhǎng)最短，紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，其它各色光的波長(zhǎng)則依次介于其間。波長(zhǎng)短于紫色光波的有紫外線、X射線、射線等；波長(zhǎng)大于紅色光波的有紅外線和無(wú)線電波，這些射線雖然肉眼看不見，但可以用儀器測(cè)量出來(lái)氣象學(xué)所研究的僅

34、僅是整個(gè)輻射光譜中的一小部分，包括太陽(yáng)、大氣和地球表面的輻射，它的波長(zhǎng)范圍基本上在0.1120m,也就是紫外線，可見光和紅外線波段。太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍主要在0.54m, 地面和大氣的輻射波長(zhǎng)范圍在3120m。因此，氣象學(xué)中習(xí)慣把太陽(yáng)輻射稱為短波輻射，而把地球表面和大氣輻射稱為長(zhǎng)波輻射，并以4m為其分界線。輻射與分子傳導(dǎo)、對(duì)流等傳播方式不同，它不需要任何媒介物質(zhì)，可以在真空中進(jìn)行。三、輻射的基本定律1基爾霍夫（Kirchhoff）定律定律的表達(dá)式為：a= （2.4）式中是某物體的發(fā)射率。此定律表明：在一定溫度T下，物體對(duì)某波長(zhǎng)的吸收率a等于該物體在同溫度下對(duì)該波長(zhǎng)的發(fā)射率。即對(duì)不同物體，輻射能力

35、強(qiáng)的，其吸收能力也強(qiáng)；輻射能力弱的，其吸收能力也弱。黑體吸收能力最強(qiáng)，所以它也是最好的發(fā)射體。爾霍夫定律的意義在于它把物體的發(fā)射與吸收聯(lián)系起來(lái)了，只要知道某物體的吸收率就可以知道其發(fā)射率，反之亦然。2普朗克（Planck）定律1900年普朗克根據(jù)輻射過(guò)程具有量子特性的假設(shè)，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)相符合的普朗克公式，求出了黑體輻射能力與黑體溫度及波長(zhǎng)的關(guān)系，其公式為：EBSX(2hcexp(hc/KT)-1SX)JY（25）式中EB (Black)是絕對(duì)黑體發(fā)射的輻射通量密度，單位是W/m2；C是光速，C=3×108m/s；h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·s；K是

36、波爾茲曼（Boltzmann）常數(shù),K=1.38×10-23J/K，T指的是物體的絕對(duì)溫度，單位為K；exp為自然對(duì)數(shù)的底。理論上，任何溫度的絕對(duì)黑體都發(fā)射波長(zhǎng)0m的輻射，但溫度不同，輻射能力不同，輻射能集中的波段也不同。例如溫度為6000K的物體總輻射能力比288K大得多。而且6000K溫度的物體的輻射能量主要集中在0.174m波段內(nèi)，而288K溫度的物體的輻射能量主要集中在3.380m波段內(nèi)。 每一溫度下，黑體輻射都有一輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)，稱為這個(gè)溫度下發(fā)射的輻射峰值，并用max表示,即光譜曲線的極大值。物體溫度越高，其輻射峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)max越短。3斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan

37、-Boltzmann）定律絕對(duì)黑體的積分輻射能力與其絕對(duì)溫度的四次方成正比。ETB=4式中ETB是溫度為T的絕對(duì)黑體發(fā)射的輻射總能量；是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，=5.67×10-8W/(m4·k4)對(duì)于非黑體或稱灰體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，只要在公式的右邊增加物體的發(fā)射率，它們的輻射能力就可以確定了。公式可寫成：ET=T4 （2.6） 4維恩（Wein）位移定律黑體輻射極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比，這個(gè)定律同樣可以由普朗克公式通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)得到極大值。求導(dǎo)后的維恩位移公式表達(dá)式是：max=SX(2897TSX) （2.7）式中max是T（K）溫度下的輻射峰值，單位（m），2897是

38、常數(shù)，單位（m·K）。從式中可看出，物體溫度越高，發(fā)射的輻射峰值max越短，發(fā)出的光也越白。由維恩定律求出的溫度稱為顏色溫度。例如太陽(yáng)發(fā)射的輻射峰值的波長(zhǎng)約為0.475m，用維恩定律可計(jì)算出太陽(yáng)的顏色溫度為6100K，同樣已知地面、大氣和對(duì)流層頂大氣發(fā)射的輻射峰值分別是9.7m、11.6m和14.5m，用維恩定律算出的顏色溫度分別為300K、250K和200K。這與用普朗克定律計(jì)算的結(jié)果完全一致。溫度在38007600K之間的物體，其發(fā)射的輻射峰值波長(zhǎng)在可見光區(qū)，高于7600K時(shí)波長(zhǎng)位于紫外線區(qū)，低于3800K的位于紅外線區(qū)。第三節(jié) 太陽(yáng)輻射一、太陽(yáng)輻射光譜和太陽(yáng)常數(shù)1太陽(yáng)輻射光譜太

39、陽(yáng)輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射光譜大氣上界太陽(yáng)光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計(jì)算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似。因此可以把太陽(yáng)輻射看作黑體輻射。太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩位移定律可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射峰值的波長(zhǎng)max為0.475m，這個(gè)波長(zhǎng)在可見光的青光部分。太陽(yáng)輻射主要集中在可見光部分（0.40.76m），波長(zhǎng)大于可見光的紅外線（0.76m）和小于可見光的紫外線（0.4m的部分少。在全部輻射能中，波長(zhǎng)在0.154m之間的占99%以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽(yáng)輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外區(qū)

40、的太陽(yáng)輻射能很少，只占總量的約7%。2太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射通過(guò)星際空間到達(dá)地球表面。當(dāng)日地距離為平均值，在被照亮的半個(gè)地球的大氣上界，垂直于太陽(yáng)光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽(yáng)輻射能量稱為太陽(yáng)常數(shù)，用Rsc (Solar constant)表示，單位為（W/m2）。太陽(yáng)常數(shù)是一個(gè)非常重要的常數(shù)，一切有關(guān)研究太陽(yáng)輻射的問(wèn)題，都要以它為參數(shù)。關(guān)于太陽(yáng)常數(shù)的研究已有很長(zhǎng)歷史了，早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)通過(guò)各種觀測(cè)手段估計(jì)它的取值，認(rèn)為大約應(yīng)在13501400W/m2之間。太陽(yáng)常數(shù)雖然經(jīng)多年觀測(cè)，由于觀測(cè)設(shè)備、技術(shù)以及理論校正方法的不同，其數(shù)值常不一致。據(jù)研究，太陽(yáng)常數(shù)的變化具有周期性，這可能與太

41、陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期有關(guān)。在太陽(yáng)黑子最多的年份，紫外線部分某些波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度可為太陽(yáng)黑子最少年份的20倍。近年來(lái)，氣候?qū)W家指出，只要地球的長(zhǎng)期氣候發(fā)生1%的變化，就會(huì)引起太陽(yáng)常數(shù)的變化。目前已有許多無(wú)人或有人操作的空間實(shí)驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行直接觀測(cè)，并在宇宙空間實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)了名為“地球輻射平衡”的課題，其中一個(gè)重要項(xiàng)目就是對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將對(duì)進(jìn)一步了解大氣物理過(guò)程及全球氣候變遷的原因有很大幫助。1981年世界氣象組織推薦的太陽(yáng)常數(shù)值Rsc=1367±7（W/m2），通常采用1367W/m2。二、 太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層后到達(dá)地球表面。由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一

42、定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達(dá)地表面。與大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜相比較，通過(guò)大氣層后，太陽(yáng)總輻射能有明顯地減弱；波長(zhǎng)短的輻射能減弱得最為顯著；輻射能隨波長(zhǎng)的分布變得極不規(guī)則。產(chǎn)生這些變化有以下幾方面原因：1大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)地面時(shí)，要受到一定程度的減弱，這是因?yàn)榇髿庵心承┏煞志哂羞x擇吸收一定波長(zhǎng)輻射能的特性。大氣中吸收太陽(yáng)輻射的成分主要有水汽、液態(tài)水、二氧化碳、氧、臭氧及塵埃等固體雜質(zhì)等。太陽(yáng)輻射被吸收后變成了熱能，因而使太陽(yáng)輻射減弱。水汽吸收最強(qiáng)的波段是位于紅外區(qū)的0.932.85m,據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射因水汽的吸收可減弱約4%15%。氧只對(duì)波

43、長(zhǎng)小于0.2m的紫外線吸收很強(qiáng)，在可見光區(qū)雖然也有吸收，但較弱。臭氧在大氣中的含量很少，但在紫外區(qū)和可見光區(qū)都有吸收帶，在0.20.3m波段的吸收帶很強(qiáng)，由于臭氧的吸收，使小于0.29m波段的太陽(yáng)輻射不能到達(dá)地面，因而保護(hù)了地球上的一切生物免遭紫外線過(guò)度輻射的傷害。臭氧在0.440.75m還有吸收，雖不強(qiáng)，但因這一波段正好位于太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，所以吸收的太陽(yáng)輻射量相當(dāng)多。二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比較弱，僅對(duì)紅外區(qū)2.7m和4.3m附近的輻射吸收較強(qiáng)，但該區(qū)域的太陽(yáng)輻射較弱，被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的影響可忽略。懸浮在大氣中的水滴、塵埃、污染物等雜質(zhì)，對(duì)太陽(yáng)輻射也有吸收作用，大氣中這些物質(zhì)含量

44、越高，對(duì)太陽(yáng)輻射吸收越多，如在工業(yè)區(qū)、森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、沙塵暴等，太陽(yáng)輻射都有明顯減弱?？傊髿鈱?duì)太陽(yáng)輻射的吸收，在平流層以上主要是氧和臭氧對(duì)紫外輻射的吸收，平流層至地面主要是水汽對(duì)紅外輻射的吸收。被大氣成分吸收的這部分太陽(yáng)輻射，將轉(zhuǎn)化為熱能而不再到達(dá)地面。由于大氣成分的吸收多位于太陽(yáng)輻射光譜兩端，而對(duì)可見光部分吸收較少，因此可以說(shuō)大氣對(duì)可見光幾乎是透明的。2大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣時(shí)將遇到空氣分子、塵粒、云霧滴等質(zhì)點(diǎn)，都要產(chǎn)生散射現(xiàn)象。散射不像吸收那樣是把輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽皇歉淖冚椛涞姆较?，使太?yáng)輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播，使原來(lái)傳播方向上的太陽(yáng)輻射減弱。如果太陽(yáng)輻射遇

45、到的散射質(zhì)點(diǎn)的直徑比入射輻射的波長(zhǎng)要短（如空氣分子），則對(duì)入射輻射中波長(zhǎng)較短的輻射的散射強(qiáng)，也即輻射波長(zhǎng)愈短，散射愈強(qiáng)；而對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射散射弱。對(duì)于一定大小的分子來(lái)說(shuō)，散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比。這種散射是有選擇性的，稱為分子散射，也叫雷利（Rayleigh）散射。若將紅光（0.70m）的散射系數(shù)定為1.0，則紫光（0.44m）的散射系數(shù)為紅光的6.4倍。當(dāng)大氣中的水汽、塵粒等雜質(zhì)較少時(shí)，主要是空氣分子散射，太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光被散射得多，所以晴朗的天空呈蔚藍(lán)色。日出、日落時(shí)，因光線通過(guò)大氣路程長(zhǎng)，可見光中波長(zhǎng)較短的光被散射殆盡，所以看上去太陽(yáng)呈桔紅色。當(dāng)太陽(yáng)輻射遇到的散射質(zhì)點(diǎn)的直徑

46、是比入射的波長(zhǎng)大的粗粒質(zhì)點(diǎn)，輻射雖然也被散射，但這種散射是沒(méi)有選擇性的，即輻射的各種波長(zhǎng)都同樣地被散射。這種散射稱粗粒散射，也稱米(Mie)散射。例如當(dāng)空氣中污染較嚴(yán)重或存在較多的霧?；驂m埃等雜質(zhì)時(shí)，一定范圍的長(zhǎng)短波都同樣地被散射，使天空呈灰白色。3大氣云層及顆粒物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射大氣中的云層和較大顆粒物能將部分太陽(yáng)輻射反射回宇宙空間。其中云的反射能力最強(qiáng)。云的反射能力隨云狀、云量和厚度的不同而不同。一般情況下云的平均反射率為0.500.55。如果按地球平均云量為5計(jì)算，太陽(yáng)輻射就有近25%被云反射回空間，因此云的反射作用對(duì)太陽(yáng)輻射影響很大。上述提到的大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減三種方式中，以反射作用

47、最為重要，尤其以云層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射最為明顯，散射作用次之，吸收作用相對(duì)最小。三、 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射由兩部分組成：一是太陽(yáng)以平行光的形式直接投射到地面上的，稱為太陽(yáng)直接輻射，用Rsb(Direct beam solar radiation)表示；另一個(gè)是經(jīng)過(guò)散射后到達(dá)地面的，稱為散射輻射，用Rsd (Diffuse solar radiation)表示，兩者之和就是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射，用Rs（Solar radiation）表示，Rs=Rsb+Rsd。1直接輻射太陽(yáng)以平行光形式投射到地面的直接輻射Rsb是地球表面獲得太陽(yáng)輻射最主要來(lái)源。它的強(qiáng)弱由下式表示：Rsb=am&#

48、183;Rsc·sinh （2.8）式中Rsc是太陽(yáng)常數(shù)1367W/m2, h是太陽(yáng)高度角，a是大氣透明系數(shù)，m是大氣質(zhì)量數(shù)。從式中可以看出，太陽(yáng)直接輻射與太陽(yáng)高度角、大氣質(zhì)量數(shù)和大氣透明系數(shù)有關(guān)。（1）太陽(yáng)高度角太陽(yáng)平行光線與水平面之間的夾角稱為太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)直接輻射隨太陽(yáng)高度角的增大而增大。一方面是由于太陽(yáng)高度角(h)愈小時(shí)，等量的太陽(yáng)輻射能散布的面積愈大，則單位面積上接受到的能量就愈少，另一方面，因?yàn)樘?yáng)高度角愈小時(shí)，太陽(yáng)光穿過(guò)的大氣層就愈厚，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用就愈強(qiáng)。所以到達(dá)地面上的輻射就愈少。太陽(yáng)高度角的計(jì)算式為：h=arcsinsinsin+coscoscos 1

49、5°(t-12) （2.9）式中是當(dāng)?shù)氐木暥?；是太?yáng)赤緯（也稱太陽(yáng)傾角），可根據(jù)天文年歷查到，見附錄2；t是地方時(shí)，按24 h計(jì)算每小時(shí)15°。例如：北京(40°)6月22日(夏至23.4°)下午1點(diǎn)半(t=13.5)的太陽(yáng)高度角：harcsinsin 40°sin 23.4°+cos 40°cos 23.4°cos 15°(13.5-12)65°（2）大氣質(zhì)量數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，海平面氣壓為1013hPa，氣溫為0時(shí)，太陽(yáng)光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積空氣柱的質(zhì)量稱為一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)m。不同

50、太陽(yáng)高度角，陽(yáng)光經(jīng)過(guò)的大氣質(zhì)量數(shù)也不同，當(dāng)太陽(yáng)高度角很小時(shí)，m值很大，隨著太陽(yáng)高度角的增大，m值很快減少。太陽(yáng)在地平面時(shí)所通過(guò)的m值比在天頂時(shí)大35.4倍。在計(jì)算大氣質(zhì)量數(shù)時(shí)需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：（a）地球是一個(gè)彎曲的表面，所以地球大氣上界是一條曲線。（b）光線在大氣中傳播的路徑也是一條曲線，這是由于大氣密度隨高度而遞減，光線穿過(guò)不同密度的介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射而形成的。（c）空氣密度在水平方向上也是不均勻的。為解決上述困難，要作如下假設(shè)：（a）光線在大氣中傳播的路徑是一條直線。（b）大氣上界的表面設(shè)為平面。（c）水平方向上的密度是均一的。常用的大氣質(zhì)量數(shù)計(jì)算式為：m= P/P0sinh （2.10）

51、式中P/P0代表觀測(cè)地氣壓與經(jīng)過(guò)緯度訂正的海平面氣壓之比，h是太陽(yáng)高度角。（3）大氣透明度太陽(yáng)輻射從大氣上界進(jìn)入大氣層后還要受大氣透明度的影響。大氣透明度的特征量用透明系數(shù)a表示。它是指透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)后的輻射強(qiáng)度與透過(guò)前的輻射強(qiáng)度之比。也就是當(dāng)太陽(yáng)位于天頂時(shí)，在大氣上界的太陽(yáng)輻射通量密度即太陽(yáng)常數(shù)Rsc與到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量密度Rs之比值。a=Rs/Rsca值表明輻射通過(guò)大氣后的削弱程度。實(shí)際上，不同波長(zhǎng)的削弱也不相同，a僅表征對(duì)各種波長(zhǎng)的平均削弱情況。大氣透明系數(shù)與大氣中的水汽、水汽凝結(jié)物、塵埃雜質(zhì)等有關(guān)。這些物質(zhì)越多，大氣透明程度越差，透明系數(shù)越小。因而太陽(yáng)輻射受到的減弱越強(qiáng)，地面獲

52、得的太陽(yáng)輻射也越少。a是一個(gè)小于1的數(shù)，其取值是：當(dāng)天空特別晴朗，污染較少時(shí)a=0.9；當(dāng)污染特別嚴(yán)重，天空特別混濁時(shí)a=0.6；一般情況下a=0.84左右。由于太陽(yáng)直接輻射主要是由太陽(yáng)高度角決定的，所以有明顯的日變化、年變化和隨緯度的變化。一天中，無(wú)云的天氣條件下，一般是中午太陽(yáng)高度角最大，直接輻射最強(qiáng)；日出、日落時(shí)太陽(yáng)高度角最小，直接輻射最弱。一年中，對(duì)一個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，直接輻射夏季最大，冬季最小。但如果夏季，大氣中的水汽含量增加，云量增多，會(huì)使直接輻射減弱很多，使得直接輻射的最大月平均值出現(xiàn)在春末夏初季節(jié)。太陽(yáng)直接輻射還隨緯度而改變。一年中低緯地區(qū)比高緯的太陽(yáng)高度角大，所以獲得的直接輻射也多

53、，但全年直接輻射的最大值出現(xiàn)在回歸線附近，而不在赤道的原因是赤道上空云雨較多，太陽(yáng)被遮蔽時(shí)間長(zhǎng)。2散射輻射大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有散射作用，其中散射向地面的那部分稱為散射輻射Rsd，它的強(qiáng)弱由下式表示：Rsd=0.5Rsc(1-am)sinh （2.11）式中各項(xiàng)意義同前。散射輻射是一種短波輻射，其能量分布，比直接輻射更集中于波長(zhǎng)較短的光區(qū)。從上式可以看出，散射輻射的大小也與太陽(yáng)高度角、大氣透明度、大氣質(zhì)量數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)高度角增大時(shí)，直接輻射增加，散射輻射也增大。在太陽(yáng)高度角一定時(shí)，如果大氣透明度不好，散射質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射增強(qiáng)；而大氣透明度好，散射質(zhì)點(diǎn)少，散射輻射減弱。散射輻射的日、年變化也主要

54、取決于太陽(yáng)高度角的變化。一天中散射輻射的最大值出現(xiàn)在正午前后，一年中散射輻射的最大值出現(xiàn)在夏季。3總輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和稱為總輻射Rs，它的表達(dá)式如下：Rs=Rsb+Rsd=0.5Rsc(1+am)sinh) （2.12）總輻射的日變化與直接輻射的日變化基本一致。日出以前,地面上獲得的總輻射不多，只有散射輻射；日出以后，太陽(yáng)高度角不斷增大，當(dāng)太陽(yáng)高度角增到20°以前，散射輻射大于直接輻射，以后由于直接輻射增加得較快，使散射輻射在總輻射中所占比例逐漸減小；當(dāng)太陽(yáng)高度角達(dá)到50°左右，散射輻射只占總輻射的10%20%；到中午時(shí)，直接輻射和散射輻射均達(dá)最大值；

55、中午以后二者又按相反的次序變化。有云時(shí)總輻射一般會(huì)減少，因?yàn)檫@時(shí)直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多。只有當(dāng)云量不太多，太陽(yáng)視面無(wú)云，直接輻射沒(méi)受到影響，而散射輻射因云的增加而增大時(shí)，總輻射才比晴空時(shí)稍大?？傒椛涞哪曜兓c直接輻射的年變化基本一致，中高緯度地區(qū)，總輻射強(qiáng)度（指月平均值）夏季最大，冬季最?。怀嗟栏浇ň暥?20°左右），一年中有兩個(gè)最大值分別出現(xiàn)在春分和秋分?？傒椛潆S緯度的分布一般是，緯度愈低總輻射愈大。反之就愈小，但由于赤道附近云很多，對(duì)太陽(yáng)輻射削弱得也很多，所以，總輻射年總量最大值不是出現(xiàn)在赤道，而是出現(xiàn)在緯度20°附近。我國(guó)太陽(yáng)輻射年平均總量在380

56、15;107840×107J/(m2·a)范圍內(nèi)。一般西部多于東部，山區(qū)多于平原。四川盆地為低值區(qū)，最低值僅為310×J/(m2·a)。青藏高原為高值區(qū)，年平均總量達(dá)790×107J/(m2·a)，比同緯度東部地區(qū)幾乎高出一倍。四、 地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射不能完全被地面吸收，有一部分將被地面反射。地面反射輻射的大小與地面對(duì)太陽(yáng)輻射或稱短波輻射的反射率(Albedo)有關(guān)。短波輻射反射率主要與下墊面的顏色、濕度、粗糙度、不同植被、土壤性質(zhì)及太陽(yáng)高度角等因素有關(guān)。1顏色對(duì)反射率的影響顏色不同的各種下墊面，對(duì)太陽(yáng)輻射可見光

57、部分有選擇反射的作用。各種顏色表面的最強(qiáng)反射光譜，就是它本身顏色的波長(zhǎng)。白色表面具有最強(qiáng)的反射能力，黑色表面的反射能力較小，綠色植物對(duì)黃綠光的反射率大。2土壤濕度對(duì)反射率的影響反射率將隨土壤濕度的增大而減小。例如白沙土，隨著濕度的增加其反射率從40%降到18%，減少了22%。這是因?yàn)樗姆瓷渎时汝懨嫘〉木壒省Ｓ性囼?yàn)指出，地面反射率與土壤濕度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。3粗糙度對(duì)反射率的影響隨著下墊面粗糙度的增加，反射率明顯減小。這是由于太陽(yáng)輻射在起伏不平的粗糙地表面，有多次反射，另外太陽(yáng)輻射向上反射的面積相對(duì)變小，所以導(dǎo)致反射率變小。4太陽(yáng)高度角對(duì)反射率的影響當(dāng)太陽(yáng)高度角比較低時(shí)，無(wú)論何種表面，反射率都較大。隨著太陽(yáng)高度角的增大，反射率減小。一日中太陽(yáng)高度有規(guī)律的日變化，使地面反射率也有明顯的日變化，中午前后較小，早、晚較大。5幾種下墊面的反射率植被反射率的大小與植被種類、生長(zhǎng)發(fā)育狀況、顏色和郁閉程度有關(guān)。植物顏色愈深，反射率愈小，綠色植物在20%左右。植物苗期與裸地相差不多，反射率較大；生長(zhǎng)盛期反射率變小，多在20%左右；成熟期，莖葉枯黃，反射率又增大。 水面的反射率一般比陸面小，波浪和太陽(yáng)高度角對(duì)水面的反射率有很大的影響。一般太陽(yáng)高度角愈大，水面愈平靜，反射率愈小，例如當(dāng)太陽(yáng)高度角大于60°時(shí)，平靜水面的反射率小于2