气象学讲课课件

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:

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O3

3、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。

1

? 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0.1～120 μm,

? 太阳辐射波长范围在0.15～4 μm，地面和大气辐射波长在3～120 μm，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4 μm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 E）与其表面绝对温度（T）的四次方成正比。 E= ? T 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。 4 ?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λ与其绝对温度T成反比。

? λ=C/T C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。 maxmax

§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

二、太阳辐射在大气中的减弱

?

1、吸收作用

? ? 太阳辐射被大气吸收变为热能。

2、散射作用

? （1）分子散射

? 空气分子和直径<0.1?m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

? ? 50%-55%。因反射作用使约

? 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)

2

? 定义：太阳平行光线与水平面之间的夹角。

?

直接辐射Rsb随太阳高度角的增大而增大。

（2）大气质量数m

? m表示。

? 太阳光垂直照射时，m=1；斜穿大气层时，m>1，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a<1，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。

? 。

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

?

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。

四、地面对太阳辐射的反射 ? 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。

? 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 3

空中。

? 大气对长波辐射吸收强烈，但对8～12 μm 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。

? ?

? 大气

云量、空气湿度等是影响大气逆辐射的主要因素。

是吸收率）。 ? 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

? 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。

§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）λ>1000nm

? 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）1000-720nm

? 700-800nm近红外光对植物光周期及种子形成有重要作用，并控制开花与果实颜色。

? 一般红外线的热效应使植物体温升高，促进植物的蒸腾及物质运输；外界温度越低，红外线热效应越大。 ? 因此高原地区叶子温度高于气温3-5℃，可以补偿高原地区气温低这个不利因素。

2、可见光辐射

（3）720-610nμm

? 红橙光，被叶绿素强烈吸收，光合作用最强。表现出强的光周期作用。

? （4）610-510nm

? 绿光，叶片吸收很少，是弱活性带。

? （5）510-400nm

? 蓝紫光，被叶绿素强烈吸收，表现出次强的光合作用和成形作用。

3、紫外辐射

? （6）400-320nm

? 起成形及着色作用，使颜色变深，叶片变厚等。

? （7）320-290nm

? 对多数植物有害，可消毒土壤。

? （8）λ<290nm

? 可立即杀死植物，叫灭生性辐射。

二、光照度与植物

（一）光照强度对植物的影响

1、光饱和点：在一定的光照强度范围内，光合作用随光合强度的增加而增强，当光照强度增加到某一数值后，光合作用不再增加，此现象叫光饱和现象，这个光照强度就是光饱和点。

4

? 2

? CO含量、温度、土壤水分等因素而变化。 2

依据光照强度对植物可划分为：喜阳植物和喜荫植物。

最喜阳植物不存在光饱和现象，利于果实和种子的生长；喜荫植物在光强达到晴天的1/10时，光合作用就不增加，利于营养器官的生长。

? 喜阳植物有：水稻、小麦、玉米、棉花、荔枝、香蕉、椰子、桉树等。

? 喜荫植物有：茶叶、烟草、人参、龙眼、柑桔、田七、杉木等。

? 不同植物对光照要求不同，正确调节光照强度来提高对太阳能的利用，是作物栽培的重要课题之一。 ? “光呼吸”作用只在光合作用下发生，不产生能量，无益地消耗光合作用产生的有机物质。

? C3植物：光呼吸作用很强，大大降低降低光合效率，如水稻、小麦、棉花。油菜等。

? C4 植物：光呼吸作用很弱甚至没有，适宜条件下可高产。如玉米、高梁、甘蔗等。

（二）光照时间对作物的影响

? 1、光照时间＝可照时数＋曙暮光

? 可照时数：日出到日落太阳可能照射的时间长度，即昼长。

曙暮光时间：在日出和日落后，地平线下的太阳光线投射到太空中，经大气的散射、折射等投向地面的光，叫曙暮光。

? 2植物的光周期现象：

? （1）定义：昼夜交替、明暗变换及其时间长短对植物进入发育阶段（开花结实）的影响叫植物的光周期现象。

（2）分类：

? 短日照植物：在植物发育前期，要在较短的白昼（<12－14h）条件下，才能进入开花结实的植物。如：晚稻、玉米、棉花、大豆、茶树等多源于低纬度地区。

? 长日照植物 ：在植物发育前期，要在较长（>12－14h）白昼条件下，才能进入开花结实的植物。

? 例如：小麦、大麦、马铃薯、甜菜、豌豆、洋葱、白菜、油菜、胡萝卜、落叶松等原产高纬度的植物。 ? 中性植物：这类植物对日照长短不敏感。

? 例如：西红柿、四季豆、黄瓜、茄子、荞麦等。

（3）植物的感光性

? 定义：植物对日照时间长短的反应特性。

? 感光性强即反应敏感，感光性弱即反应迟钝。

第三章 温度

§1 空气温度

一、大气的热量传输

? 气温的非绝热变化：空气与外界有热量交换而引起的温度变化。

? 气温的绝热变化：空气与外界不发生热量交换，而是由外界压力的变化对空气做功，使空气体积变化而引起的温度变化。

1、气温的非绝热变化

? 包括分子传导、辐射、流体流动热交换、潜热交换。

（1）分子传导

? 分子传导：依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一个分子，而达到热量平衡的传热方式。

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（2）辐射

? 辐射是物体之间根据各自温度高低通过辐射交换热量的传热方式。

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