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: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0.1～120 μm,即紫外线、可见光和红外线波段。

•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•黑体的辐照度（E）与其表面绝对温度（T）的四次方成正比。

• E= σ T4 σ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= δσT4 δ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/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。

§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<0.1μm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。

•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，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。

•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8～12 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。

•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。

§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•只有伸长作用，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。

•2、光补偿点：植物的光合作用与呼吸作用达到相等时的光照强度。

•作物群体的光饱和点与补偿点比单叶指标高，它不是一个常数，随着CO2含量、温度、土壤水分等因素而变化。

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。