農(nóng)林氣象學 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.掌握太陽高度角、可照時間、太陽輻射光譜、太陽常數(shù)掌握太陽高度角、可照時間、太陽輻射光譜、太陽常數(shù)的概念；的概念；3.3.熟悉大氣對輻射的吸收、輻射在大氣中的減弱規(guī)律、輻熟悉大氣對輻射的吸收、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.理解和掌握日照時間長短的概念及變化規(guī)律；理解和掌握日照時間長短的概念及變化規(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.掌握光合作用強度、光補償點、光飽和點、植物光周期掌握光合作用強度、光補償點、光飽和點、植物光周期現(xiàn)象的概念及它們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用現(xiàn)象的概念及它們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用。2021-11-263 第一節(jié)第一節(jié) 輻射的一般知識輻射的一般知識 (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程。輻射：物體以電磁波或粒子的形式放射或輸送能量的過程。 輻射能：輻射能：放射或輸送放射或輸送輻射有兩個基本

3、屬性輻射有兩個基本屬性 輻射的波動性：輻射的波動性： 電磁波的波長（電磁波的波長（）、頻率（）、頻率（）和傳播速率）和傳播速率()()有如下關有如下關 系：系： = 3 = 3 10108 8msms-1-12021-11-264l lc=l l波長和頻率的關系波長和頻率的關系2021-11-2652021-11-266 輻射的粒子學說認為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、輻射的粒子學說認為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、能量和動量的微粒子組成，這些微粒稱為粒子（量子）。能量和動量的微粒子組成，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所具有的能量為：這些粒子或量子每一個所具有的能量為： 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：單位時間內(nèi)通過任一表面的輻射能。定義：單位時間內(nèi)通過任一表面的輻射能。 單

5、位：單位：JsJs1 1或或W W（2 2）輻射通量密度（輻射通量密度（E E） 定義：單位面積上的輻射通量。定義：單位面積上的輻射通量。 單位：單位： Js Js1 1mm-2-2或或WmWm-2-2。dsdSdFdF2021-11-268 光通量光通量定義：單位時間通過某一表面的可見光能量。定義：單位時間通過某一表面的可見光能量。單位：流明（單位：流明（lmlm） 光通量密度光通量密度定義：單位面積上的光通量。定義：單位面積上的光通量。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：單位面積上接收的光通量。定義：單位面積上接收的光通量。單位

6、：單位： 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 假設有一束能量為假設有一束能量為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，透射過物體的能量為過物體的能量為QtQt，則：，則：Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt。物體對輻射的吸收、反射和透射物體對輻射的吸收、反射和透射2021-11-26102.2.關于關于a a、r r、t t的幾點討論的幾點討論na a 、r r

7、、t t是是0 01 1之間的無量綱量。若輻射不能透過物之間的無量綱量。若輻射不能透過物體，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物體對輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。物體對輻射的吸收、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應的波長黑體放射能力的最大值對應的波長(max) (max) 與與其本身的絕對溫度

8、其本身的絕對溫度(T)(T)成反比。即：成反比。即： max maxT=CT=C如果波長以如果波長以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。意義：物體溫度愈高，其放射能力愈強。定律：黑體的放射能力（定律：黑體的放射能力（ET）與它本身絕對溫度（）與它本身絕對溫度（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度與溫度的關系不同溫度下黑體輻射強度與溫度的關系物體的溫度愈高，輻

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

10、713677 Wm7 Wm-2-2 我國采用的太陽常數(shù)值為我國采用的太陽常數(shù)值為1367 Wm1367 Wm-2-2 。影響太。影響太陽常數(shù)的因子有日地距離、太陽黑子數(shù)等。陽常數(shù)的因子有日地距離、太陽黑子數(shù)等。2021-11-26152021-11-2616 近日距：近日距：1月月3日，日，1.47 108km 遠日距：遠日距：7月月4日，日，1.52108km1.1.地球的公轉(zhuǎn)運動：地球的公轉(zhuǎn)運動： 公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓, ,公轉(zhuǎn)一周的時間為一年。公轉(zhuǎn)一周的時間為一年。2.2.地球的自轉(zhuǎn)運動地球的自轉(zhuǎn)運動: :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)過程中，地軸方向保持不變轉(zhuǎn)過程中，地軸方向保持不變. . 公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽位于一個焦點上，公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽位于一個焦點上，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)和繞太陽公轉(zhuǎn)示意圖地球自轉(zhuǎn)和繞太陽公轉(zhuǎn)示意圖2021-11-2618( (二）時間及計量二）時間及計量1.1.真太陽時真太陽時n定義：視太陽中心連續(xù)兩次對準某一經(jīng)線的時間間隔定義：視太陽中心連續(xù)兩次對準某一經(jīng)線的時間間隔, , 稱為一

12、個真太陽日，一個真太陽日等分為稱為一個真太陽日，一個真太陽日等分為2424份，每一份，每一份為一個真太陽時。份為一個真太陽時。規(guī)定以子夜為零時作為一天的開始，正午為真太陽時規(guī)定以子夜為零時作為一天的開始，正午為真太陽時1212時。時。 2021-11-2619a a 真太陽時時角：太陽周日視運動軌道平面上，視太陽真太陽時時角：太陽周日視運動軌道平面上，視太陽中心所在位置和正午太陽位置間的角距。中心所在位置和正午太陽位置間的角距。b b 時角計算：時角計算：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。與以小時為單位的時間對應關系上午和后半夜為負。

13、與以小時為單位的時間對應關系如下：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/ /小時小時1801802021-11-2621c c 時差：真太陽時與平太陽時的差值。用時差：真太陽時與平太陽時的差值。用n n表示：表示： n nt t真真t t平平n 平太陽時的表示方法：以小時表示，現(xiàn)在人們使用的平太陽時的表示方法：以小時表示，現(xiàn)在人們使用的時間都是某種平太陽時。時間都是某種平太陽時。地方時地方時: :某地的平太陽時稱為該地的

14、地方平均太陽時，簡某地的平太陽時稱為該地的地方平均太陽時，簡稱地方時。稱地方時。同一經(jīng)線上，地方時相同，徑度相差同一經(jīng)線上，地方時相同，徑度相差1515，地方時相差，地方時相差1 1小時。小時。3.3.世界時和世界時和北京時北京時標準時：某時區(qū)中央徑線的地方時稱為該時區(qū)的標準時。標準時：某時區(qū)中央徑線的地方時稱為該時區(qū)的標準時。2021-11-2622世界時：世界時：0 0時區(qū)的標準時為統(tǒng)一的世界標準時間，稱為時區(qū)的標準時為統(tǒng)一的世界標準時間，稱為 世界時。世界時。 我國統(tǒng)一的時間標準，為北京標準時，簡稱北京時。我國統(tǒng)一的時間標準，為北京標準時，簡稱北京時。北京時：東徑北京時：東徑120120

15、的地方時或東八區(qū)的標準時。的地方時或東八區(qū)的標準時。北京時和世界時的換算關系如下：北京時和世界時的換算關系如下： 北京時世界時北京時世界時8 8北京時、地方時、時角之間的換算關系：北京時、地方時、時角之間的換算關系： t t平平t t北北+ +（當?shù)貜蕉龋ó數(shù)貜蕉? -120120）4 4分分/ /度度t t真真t t平平n nt t真真1515/ /小時小時1801802021-11-2623三、太陽高度角和方位角三、太陽高度角和方位角（一）、太陽高度角（一）、太陽高度角（h h）1.定義定義: :太陽平行光線與地表水平面之間的夾角太陽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、上得到的太陽輻射能隨著陽輻射能隨著h的增的增加而增加。加而增加。圖圖1.6 1.6 太陽高度角和太陽輻射強度太陽高度角和太陽輻射強度2021-11-26242.2.任意時刻及正午時刻太陽高度角的計算任意時刻及正午時刻太陽高度角的計算任意時刻任意時刻h h的計算的計算 式中：式中：為觀測點緯度，為觀測點緯度，為赤緯，為赤緯，是時角。是時角。 含義：含義：太陽直射點的地理緯度太陽直射點的地理緯度. .2021-11-2625正午時刻正午時刻h的計算的計算：計算楊陵（計算楊陵（34203420 N,10804N,10804 E E）夏至日和冬至日）夏至日和冬至日正午時刻的太陽高度角？正午時刻的太陽高

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：當計算所得注意：當計算所得h為鈍角時，取其補角為太陽高度角。為鈍角時，取其補角為太陽高度角。2021-11-2626太陽高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽高度角隨緯度和季節(jié)的變化 表表1.1.1 1 太陽高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽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：太陽平行光線在水平地面上的投影和當?shù)刈游缇€太陽平行光線在水平地面

19、上的投影和當?shù)刈游缇€ 之間的夾角。之間的夾角。2.2.計算公式：計算公式：coscoshsinsinsinhcosA2021-11-26282021-11-26292021-11-2630 2021-11-2631 。 2021-11-26321.吸收作用吸收作用特點：選擇性吸收特點：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隨太陽高度的增高而減小，隨太陽高度的增高而減小，當太陽高度當太陽高度低時，低時，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)透過一個大氣質(zhì)量透過一個大氣質(zhì)量(m(m1)1)后的后的輻射通量密度輻射通量密度 (S(S1 1) )與與透過前的透過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.水平地面上的太陽直接水平地面上的太陽直接輻射輻照度（輻射輻照度（

21、SS）的大?。┑拇笮?021-11-2645 。2021-11-26462021-11-26470102030405060708090太陽高度角的日變化太陽高度角的日變化時間時間太太陽陽高高度度角角太陽高度角太陽高度角影響影響日變化的因子日變化的因子 太陽高度角、大氣透明系數(shù)、海拔、緯度等。太陽高度角、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 計算太陽直接輻射和散射輻射。分為三步：根據(jù)公式計算太陽直接輻射和散射輻射。分為三步：根據(jù)公式SSS S0 0P Pm msinhsinh，第一步計算，第一步計算sinhsinh，第二步計算地區(qū)質(zhì)量，第二步計算地區(qū)質(zhì)量m=1/sinh,m=1/sinh,第三步計算第三步計算SS2021-11-2656 計算坡面的太陽直接輻射通量密度計算坡面的太陽直接輻射通量密度S S坡坡S S0 0P Pm msin.sin.其中其中為太陽光線與坡面的夾角，為太陽光線與坡面的夾角，為坡度，計算與水平面的為坡度，計算與水平面

23、的過程類似，但在計算過程類似，但在計算m m后，應確定夾角后，應確定夾角，對于南坡，對于南坡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,則無直射光，即北坡則無直射光，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 ，最大放射能力對應的波長約最大放射能力對應的波長約為為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： 作物生長初期覆蓋度小、作物群作物生長初期覆蓋度小、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、作物營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏、自然災害（氣象與病蟲等）的制、作物營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏、自然災害（氣象與病蟲等）的影響、不良的水分供應與大氣條件使氣孔關閉，影響二氧影響、不良的水分供應與大氣條件使氣孔關閉，影響二氧化碳的有效性與植物的其它功能?；嫉挠行耘c植物的其它功能。3.