气象学知识点总结河北农业大学.docx
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气象学知识点总结河北农业大学
《气象学与农业气象学基础》
绪论
第一节气象学与农业气象学
第二节大气的组成
第三节大气的结构
第一章辐射
第一节辐射的一般知识
第二节太阳辐射的基本概念
第三节太阳辐射在大气中的减弱
第四节到达地面的太阳辐射
第五节地面有效辐射
第六节地面净辐射
第七节太阳辐射与农业生产
第二章温度
第一节土壤温度
第二节水层温度
第三节空气温度
第四节温度与农业生产的关系
第三章大气中的水分
第一节空气湿度
第二节蒸发
第三节水汽凝结
第四节降水
第五节人工影响天气
第六节水分循环和水分平衡
第七节水分与农业生产
第四章气压与风
第一节气压和气压场
第二节空气的水平运动——风
第三节大气环流
第四节地方性风
第五节风与农业
第五章天气与天气预报
第一节天气系统
第二节天气预报
第六章农业气象灾害
第一节农业气象灾書概述
第二节由水分条件异常引起的气象灾害
第三节由温度异常引起的气象灾害
第四节由光照异常引起的气象灾害
第五节由气流异君导致的气象灾害
第七章气候与农业气候资源
第一节气候的形成
第二节气候带和气候型
第三节气候变迁
第四节中国气候特征和中国农业气候特点
第五节中国农业气候资源
第六节农业气候生产潜力分析
第七节气候要素的一般表示方法
第八节季节与物候
第八章小气候
第一节小气候形成的物理基础
第二节农业小气候环境的改善
第三节农田小气候
第四节设施农业小气候
第五节农田防护林小气候
绪 论
第一节气象学与农业气象学
一、气象学概念、研究内容与气象要素
1气象学(概念:
研究大气中各种物理过程和物理现象形成原因及其变化规律的科学。
)
物理过程:
物质和能量的输送与转化过程,如大气的増热与冷却,水分的蒸发与凝结等;
物理现象:
风、云、雨、雪、、冷、暖、干、湿、雷电、霜、露等。
2研究内容
(1)物理气象学。
它从物理学方面来研究大气中的过程和现象,揭露这些过程和现象发展的物理规律。
(2)天气学。
在一定地区和一定时间内,由各项气象要素一定的结合所决定的大气状态,称为天气。
研究天气
过程发生发展的规律,并运用这些规律预报未来天气的学科,就是天气学。
(3)气候学。
气候是在一较长时间阶段中大气的统计状态,它一般用气候要素的统计量表示。
研究气候形成和变化的规律、综合分析与评价各地气候资源及其与人类关系的学科,就是气候学。
(4)微气象学。
微气象学是研究大气层及其它微小环境内空气的物理现象、物理过程及其规律的科学,是物理气象学的一个分支。
二、气象要素(概念:
表示大气状况和天气现象的各种物理量统称为气象要素。
)
1.主要的气象要素有:
气压、温度、湿度、降水、蒸发、风、云、能见度、日照、辐射以及各种天气现象。
三、农业气象要素学的定义、任务及研究方法
1.农业气象学概念:
研究气象条件与农业生产相互作用及其规律的一门学科。
2.农业气象要素:
在气象要素中和农业生产相关的称农业气象要素,包括:
辐射、温度、湿度、风、降水等。
3.农业气象的研究内容:
(1)农业气象探测:
包括一起研制、站网设置、观测和监测方法等。
(2)农业气候资源的开发、利用和保护
(3)农业小气候利用与调节
(4)农业气象减灾与生态环境建设
(5)农业气象信息服务:
气象预报与气象情报
(6)农业气象基础理论研究
(7)应对气候变化的农业对策
4.农业气象学的任务:
(1)农业气象监测。
(2)农业气象预报与情报(3)农业气候分区、区划、规划与展望
(4)农业气象措施、手段的研究(5)农业气象指标、规律、机制与模式的研究
5.研究方法:
通过调查、观测、试验等结合完成。
6.平行观测法:
(1)生长发育状况和产量构成
(2)主要气象要素、农田小气候要素、农业气象灾害的观测和田间管理工作的记载。
7.在平行观测的普遍原则和指导下,还采用下列方法:
(1)地理播种法。
(2)地理移置法或小气候栽种法。
(3)分期播种法。
(4)地理分期播种法。
(5)人工气候实验法。
(6)气候分析法。
四、我国气象及气象学的发展简史
第二节大气的组成
一、大气的组成
大气(按成分)分类:
干洁空气、水汽、气溶胶粒子
(一)干洁空气组成(25km以下)(%)
氮(N2)
78.09
氦(He)
0.0005
氧(O2)
20.95
臭氧(O3)
0.00006
氩(Ar)
0.93
氢(H2)
0.00005
二氧化碳(CO2)
0.03(可变)
氪(Kr)
微量
氖(Ne)
0.0018
氙(Xe)
微量
1.氮和氧
氮:
①地球上生命体的基本成分,植物不能直接吸收大气中的氮。
②闪电③根瘤菌的固氮作用
氧:
维持人类及动植物的生命活动,参与大气中的各种化学变化
2.臭氧(臭氧是蓝色、有刺激性的微量气体,是平流层大气关键组成成分。
大气中90%臭氧集中在距地表10-50km高度,分布厚度约10-15km。
)
1)臭氧层作用:
①吸收太阳紫外辐射,少许的紫外线杀灭病菌。
②对高层大气有明显的增温作用,使50km高度附近形成一暖区。
2)臭氧层形成机理:
①高层大气中的臭氧(波长小于242nm的紫外线)。
O2+hv→O+OO2+O→O3
大气中90%的臭氧是以这种方式形成的。
O3是不稳定分子,来自太阳的短于1140nm射线照射又使O3分解,产生O2分子和游离O原子。
②低层大气中的臭氧主要通过有机物氧化和雷暴闪电作用形成。
3)臭氧分布:
近地面空气层含量很少;5-10km高度开始增加;20-25km达最大浓度,形成明显的臭氧层;至55km逐渐消失。
3.二氧化碳
(1)二氧化碳的源:
生物的呼吸、有机物的分解、各种燃烧过程以及海洋的释放等。
二氧化碳的汇:
植物的光合作用和海洋的吸收等。
(2)二氧化碳的变化
日变化:
主要与植物光合作用的日变化密切相关。
白天,其浓度降低,日落前达最低值;晚上,CO2浓度不断增大,到日出前后达最大值。
年变化:
从春季到夏季CO2浓度逐渐降低,到秋季达最低值;从秋季到冬季CO2浓度逐渐升高;到春季达最大值。
(3)二氧化碳的作用:
能强烈吸收和放射长波辐射(红外线),使之不能射出大气层以外。
(二)水汽
1.主要集中在:
低层大气,随高度升高减少,在1.5~2km,为地面1/2;到5km,减少到地面的1/10。
2.含量:
随时间、地点也不同。
沙漠或寒冷干燥的陆面上:
接近零;热带洋面上空:
(按体积)高达40%。
3.水汽作用:
能强烈吸收地面长波辐射,和二氧化碳一起对地面保温起着重要作用。
(三)气溶胶粒子(定义:
悬浮在大气中的这些固态或液态的粒子)
1.包括:
水滴、冰晶、燃烧产生的烟粒、植物花粉、微生物等。
2.多集中在:
大气底层。
3.含量:
随时间、地点、高度而异。
随高度增加迅速减少。
城市>农村,陆地>海洋,冬季>夏季。
4.产生:
大气气溶胶可以作为颗粒物(初生源)直接被排放出来,也可以由气态前体物通过化学反应(如光化学反应)间接形成于大气中(次生源)。
5.气溶胶粒子的作用:
①减弱太阳辐射与地面辐射,影响地面和空气温度;
②沉降在叶片上的固体颗粒可强烈吸收太阳辐射,产生高温,灼伤叶片,还对叶片遮光,堵塞气孔,影响光合作用正常进行;
③降低大气透明度,影响大气能见度;
④充当水汽凝结核,对云、雾及降人体有害;
⑤参与大气的许多化学反应过程,如NO水的形成有重要意义。
⑥有些是污染物质,如烟中的烟黑是致癌物质,粉尘中大量铬、镉、铅等。
6.大气气溶胶空气污染与气候效应
直接作用:
反射太阳辐射(如硫酸盐气溶胶反射强),增加行星反照率,使大气和地表冷却。
但是,黑炭气溶胶(汽车尾气、煤、石油等燃烧、生物焚烧)对太阳辐射有较强吸收,可加热大气层。
间接作用:
改变云物理过程(通过凝结核或冰晶核),从而改变云的辐射特征、云量和云的生命期。
气溶胶越多,云的生命期延长,云分散,降水可能性减低、反射率增强。
二、大气污染问题
1、大气污染概念:
因人类的生产和生活活动使某些物质(如粉尘微粒、各种硫化物、氮化物、氧化物、卤化物、有机化合物等)进入大气,使大气的化学、物理、生物等方面的特性改变,从而影响人们的生活、工作,危害人体健康,影响或危害各种生物的生存,直接或间接地损害设备、建筑物等的现象。
2、污染物:
烟尘、总悬浮颗粒物(飘尘)(PM10或PM2.5)、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、挥发性有机化合物等。
3.我国目前规定空气质量必须依据的污染物有三项:
二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和可吸入颗粒物(PM10)。
4.API空气污染指数AQI空气质量指数
5.大气污染对全球气候的影响
①酸雨(指PH<5.6的降水。
)②温室效应:
③臭氧层的破坏。
(酸雨毒性比SO2、NOx大好多倍,被称为“天空中的死神”。
其形成与大气中酸性物质的浓度及其转化条件、气象条件、地形有关。
酸雨可发生在发源地内,也可随风移动到几千里以外。
)
6.大气污染防治
①工业合理布局与减排;②煤烟型污染防治;③减少交通污染;④合理使用农药和化肥;⑤绿色植被和覆盖。
第三节大气的结构
一、大气的垂直范围
二、大气的垂直分层
散逸层
800km
热层(暖层)
85km
中间层
55km
平流层
7-18km上层:
6km-对流层顶
对流层中层:
2-6km近地面层:
接近地面的50-100m以下气层
地面下层(摩擦层):
地表向上延伸1-2km
(一)对流层贴地气层:
2m以下贴近地面的薄层
1.厚度:
低纬度地区17~18km,中纬度地区10~12km,高纬度地区8~9km。
2.按照温度和空气特点可分为
上层:
6km-对流层顶。
特点:
气温常年0℃以下,此层水汽少。
中层:
2~6km。
特点:
受地表摩擦力的影响很小,空气的垂直运动比下层小,云雨降水主要发生在此层。
下层:
自地表向上延伸1~2km。
特点:
受地面影响大,空气的对流和湍流运动很强。
3.主要特点:
①温度随高度升高而降低。
平均每升高100m,气温约下降0.65℃。
②有强烈的对流运动和不规则的乱流运动。
③气象要素水平分布不均匀。
4.对流层是气象研究的重点的原因:
①对流层集中了3/4的大气质量和几乎所有的水汽;②大气中主要天气现象如云、雾、雨等都形成在此层;③人类活动都在此层。
(二)平流层
(1)下层气温随高度几乎不变,到30~35km高度处基本保持在-55℃左右,上部温度随高度升高而显著增高,到平流层顶气温一般为-3℃以上。
(2)空气以水平运动为主,无明显的垂直运动。
(3)水汽和尘埃含量极少,晴朗少云,大气透明度好,气流比较平稳,适宜于飞机航行。
(三)中间层
1)气温随高度增高而迅速下降,其顶部气温可降至-83℃以下。
2)高空对流层。
3)空气中分子较少,原子相对较多。
(四)热成层
1)温度随高度上升而迅速增高。
2)空气处于高度电离状态,称“电离层”。
3)高纬度地区的晴夜可出现极光,这可能是太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。
这些高速带电粒子在地球磁场作用下向南北两极移动。
(五)散逸层
1)气温随高度升高变化缓慢或基本不变;
2)气温很高,空气粒子速度快;
3)距地球远,空气受地心引力小。
思考题
1.什么是气象学和农业气象学?
2.何谓气象要素?
有哪些主要的气象要素?
3.大气是由哪些成分组成的?
4.什么是干洁大气?
5.根据大气温度在垂直方向上的分布可将大气分为哪几层?
对流层的主要特征是什么?
6.大气成分中的二氧化碳、臭氧、水汽在气象学和生物学上有何意义?
第一章辐射
第一节辐射的一般知识
一、辐射的概念、性质及其表征的物理量。
1.辐射概念:
物体以电磁波或者粒子的形式放射和输送能量的方式。
辐射能概念:
以辐射的方式放射和输送的能量。
2.性质:
波粒二象性,辐射的传播过程表现为波动性,而与物质间相互作用时表现为粒子性。
辐射波动性在光学中具有广泛意义,而当研究问题进入分子或原子领域时,辐射粒子性则具有重要意义。
(1)辐射波动性
电磁波的波长λ、频率γ和传播速度V,三者之间的关系为:
V=λγ
电磁波波长单位:
微米μm埃Ǻ纳米nm
1μm=10-6m1Ǻ=10-10m1nm=10-9m
(2)辐射粒子性
辐射粒子学说认为,电磁辐射是由具有一定质量、能量和动量的微粒子(或称光量子)流组成,每个光量子的能量(E)与其频率或波长的关系式为:
h=6.626×10-34J·s,称为普朗克常数。
3.表征辐射特性的物理量
辐射通量:
单位时间内通过任意一表面的辐射能。
辐射通量密度:
单位面积上的辐射通量。
即单位时间内通过单位面积的辐射能。
光通量:
是表征辐射通量而产生光感觉的量,单位为流明(lm)。
光通量密度:
单位面积上的光通量,单位为流明·米-2(lm·m-2)。
光照度:
单位面积上接受的光通量,单位勒克斯lx
二、物体对辐射的吸收、反射和透射
1.吸收率(A)、反射率(a)和透射率(t)Q=Qa+Qt+QA
1=A+a+t
吸收率(A)、反射率(a)和透射率(t)都为0-1的无量纲量。
反射率(a)和透射率(t)可以测量。
2.绝对黑体:
如果某种物质对任何波长的辐射的吸收率都等于1,则这种物体就叫做绝对黑体。
灰体:
如果某种物质对任何波长的辐射的吸收率都为一个常数,而不随波长变化,则这种物质就叫做灰体。
三、黑体的放射能力与温度、波长的关系
(1)斯蒂芬-波尔兹曼定律:
黑体的放射能力(ET)与其表面的绝对温度(T)的四次方成正比
随着温度的升高,黑体对各波长的放射能力,都相应增强,因而其放射的总能量(曲线与坐标轴的面积)也显著增大。
ET=σT4σ=5.67×10-8W˙m-2˙K-4T=273.15+t(T是绝对温度)
(2)维恩(Wien)位移定律:
黑体放射能力最大值所对应的波长与绝对温度(T)成反比。
黑体表面温度愈高,其放射能量最大值的波长愈短,随着黑体温度的增高,具有最大放射能力的波长逐渐向短波方向移动(它所发出的光就由红橙色转为青蓝色)。
第二节太阳辐射的基本概念
一、太阳辐射光谱和太阳常数(S0)
太阳辐射波长范围很广,但其能量99%集中在0.15-4μm之间。
太阳辐射光谱:
太阳辐射色散分光后按波长大小排列的图案,称太阳辐射光谱。
太阳常数(S0):
在大气上界,当日地间处于平均距离时,垂直于太阳光线的平面上,单位面积、单位时间内所接受的太阳辐射能。
二、太阳高度角(h)
1.概念:
太阳平行光线与水平面的夹角。
2.计算公式:
sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω
φ为观测点地理纬度,北半球为正,南半球为负;
δ为太阳赤纬,北半球为正,南半球为负。
δ随观测日期变化,春分与秋分日δ=0°;夏至日δ=+23.5°;冬至日δ=-23.5°
ω是时角。
以当地真太阳时正午为零度,下午为正,上午为负,每一小时15°
即:
正午ω=0;上午ω<0;下午ω>0,每15°为一小时。
如上午9点,ω=-45°
3.正午时的太阳高度角:
h=90°-|φ-δ|
三、朗伯定律
S′·AB·AE=S·AC·AE
∴S′=S·AC/AB
即:
S′=S·sinh
S’=S*Sinh
第三节太阳辐射在大气中的减弱
大气辐射在通过大气到达地面的过程中受到削弱,这种削弱主要是大气对太阳辐射的吸收、散射、反射作用造成的。
(反射>散射>吸收,尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显,另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分;散射作用次之,形成了到达地面的散射辐射;吸收作用相对最小。
)
一、大气对太阳辐射的吸收
1、氮和氧:
它们对太阳辐射的吸收很少。
氧只对波长小于0.2μm的紫外线吸收能力很强,在可见光区虽有吸收带,但吸收能力较弱。
2、臭氧:
在大气中含量虽少,但对短波辐射(太阳辐射能量)的吸收很强。
在0.2—0.3μm有一强吸收带
3、水汽:
在可见光区和红外区都有不少吸收带,但吸收最强的是在红外区,在0.93—2.85μm之间的几个吸收带。
太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4%—15%。
(二氧化碳、悬浮在大气中的水滴,杂质)
二、大气对太阳辐射的散射
1.散射概念:
大气辐射通过大气时,遇到大气中的各种质点,太阳辐射能的一部分则以电磁波的形式从这些质点向四面八方传播开,这种现象称为散射。
2.散射能力与散射质点的大小有关:
①分子散射(散射质点的直径小于入射辐射的波长):
辐射波长愈短,愈容易被散射。
其关系为:
散射能力与波长4次方成反比,这种散射是有选择性的。
②粗粒散射(漫射):
太阳辐射遇到直径比波长大的质点,各种波长同样被散射,即散射是没有选择性的。
4.为什么晴朗天空呈蔚蓝色?
晴朗的天空,大气中的水汽、尘粒等杂质较少,主要是空气分子散射,因此晴朗天空呈蔚蓝色。
5.为什么天空中有云或杂质较多时呈乳白色?
当大气中水滴、灰尘等杂质较多时,大气的散射以漫射为主,天空呈乳白色。
6.为什么早晚的太阳呈红橙色?
三、大气对太阳辐射的反射(最强)
1.发生反射的物质:
云层(最强)和颗粒较大的尘埃.
云的反射能力随云状和云的厚度而不同。
云层越厚,云量越多,反射作用越大。
2.反射对各种波长没有选择性,所以反射光呈白色。
四、太阳辐射透过大气层时减弱的一般规律
1.大气(质)量:
m=csch=1/sinh
当h>30°时,m可根据上式计算,较精确;当h<30°时,计算会有一定误差。
2.大气透明系数
(1)概念:
太阳辐射透过一个大气质量后的辐照度与透过前的辐照度之比。
Pm=Sm/Sm-1
(2)对于不同波长的辐射,大气透明系数也不同,P短波光
在一天中,下午透明系数小,在一年内,夏季透明系数小。
P高纬度>P低纬度,P高空>P低空。
一般说,干空气的平均透明系数为0.8-0.9。
3.大气减弱太阳辐射的一般规律——布给-朗伯定律
太阳辐射透过大气层后的减弱与大气透明系数和大气质量的关系:
Sm=S0Pm
Sm为透过m个大气质量后垂直于太阳光线的平面上的太阳辐射通量密度;
S0为太阳常数;
P为大气透明系数。
第四节到达地面的太阳辐射
太阳直接辐射:
太阳以平行光线的形式直接投射到地面上
太阳辐射大气削弱投射到地面上的辐射—总辐射的辐射
散射辐射(天空辐射):
自天空各个方向投射到地面的辐射
一、太阳直接辐射
1.表示:
到达地面上的太阳直接辐射通量密度(S’)
2.影响因子:
大气透明系数(P)、大气量(m)、太阳高度角(h)、纬度、海拔、坡向、坡度和云量。
①大气透明系数:
大透明系数越大时,太阳辐射被削弱的越少,因此太阳直接辐射越强。
②海拔:
随海拔高度的增加而增大。
海拔高度增加,大气路径减短,空气中水代及尘埃含量相对减少,因而太阳直接辐射增大。
③纬度:
北半球冬半年:
直接辐射也随纬度增高而减小(因太阳高度角和太阳可照时间随纬度的增高而减小)夏半年直接辐射仍然不大(虽然可照时间随纬度的增高而增长,在极地地区还有永昼现象,但高纬度地区太阳高度角比较小),加上云和透明系数的影响,全年直接辐射的最大值出现在回归线附近。
3.变化(取决于太阳高度的变化):
日变化:
晴朗无云的天气条件下,一天中,太阳直接辐射在上午随太阳高度角的增大而增弭
正午达最大值,下午随太阳高度角的减小而减弱(如图1-9)。
曲线的偏对称(午前略小于午后),是因该地区上午大气较混浊(常有轻雾)而造成的。
年变化:
一年中直接辐射夏季最大,冬季最小,
二、散射辐射(天空辐射)
1、影响因子:
太阳高度(主要)、大气透明度(P)、大气量(m)、纬度、海拔、云量。
①太阳高度:
随太阳高度的增加,散射辐射增大。
因为太阳高度增高,太阳直接辐射增强,因而被散射的能量也随之增强。
②大气透明度:
大气透明度差,散射质点多,散射辐射增强。
③云:
有云时,能增加散射辐射。
因水滴和冰晶是很强的散射质点。
但当云很厚时,直接辐射削弱得多,散射辐射反而比晴天时还低。
④下垫面反射率:
下垫面反射率越大,散射辐射越强。
⑤海拔:
随海拔高度的增加而减小,但在全天有云时,却随海拔高度的增加而增加。
2、变化:
①日变化:
基本上与太阳高度角的日变化一致,中午附近达最大值,但不全对称,这是因为上下午的大气透明系数和云况不同。
②年变化:
年变化基本上决定于正午太阳高度、云量和昼长的年变化,最大值总是出现在夏季。
三、总辐射(Q)Q=S′+D
总辐射=太阳直接辐射+散射辐射(比重大)
1.影响因子:
①太阳高度角(h):
随其增加而近于线性增加。
②大气透明度(P);③大气质量(m);④海拔;⑤坡度坡向;
⑥纬度:
纬度越低总辐射量越大,
春秋分:
最大值出现在赤道上
夏至(冬至)日:
最大值分别出现在北(南)纬30°附近
⑦云量:
云量不多时总辐射可能比碧空大;云量较多时总辐射完全由散射辐射(天空辐射)构成,小于晴天。
四、地面对太阳辐射的反射
被地面吸收
1.到达地面的总辐射
返回大气或宇宙空间(地面反射作用)
2.地球表面平均反射率:
5%
3.反射率影响因素:
①下垫面颜色:
深色土<浅色土;
②土壤湿度:
潮湿土<干燥土;
下垫面反射率③表面粗糙度:
粗糙土<平滑土;
④太阳高度角:
太阳高度角增大,入射角减小,太阳辐射中短波部分增大,反射率减小。
植被反射率:
植被种类、生长发育状况、颜色、郁闭程度
水面反射率:
波浪、太阳高度角
第五节地面有效辐射
一、地面辐射
1.地面辐射概念:
地面吸收太阳辐射,同时按其本身的温度向外放射辐射,称为地面辐射。
(地表温度约300K)
2.地面辐射能力影响因素:
①地面温度:
地面温度越高,地面辐射越强;
②地面性质:
(长波辐射可以把新雪面视为黑体)
3.地面辐射能量:
在3~80μm之间,能量最大波长在10μm处,主要集中在红外光谱区,具有热效应。
二、大气辐射:
1.概念:
大气主要吸收地面辐射,同时按其本身的温度放出辐射,称为大气辐射。
(对流层大气平均温度250K)
2.大气辐射能量:
大部分集中在4~120μm,最大辐射能力的波长为11.6μm。
3.大气逆辐射(Ea):
大气辐射中投向地面的辐射。
三、地面有效辐射
1.概念:
地面放射的辐射(Eg)与地面吸收的大气逆辐射(Ea)之差称为地面有效辐射。
F=Eg-Ea
F表明在长波辐射交换过程中,地面能量的得失:
2.大小:
①Eg>Ea,即放射热量>吸收,F为正;
②Eg 通常情况下,地面温度>大气温度,Eg>Ea,F为正值; 当近地气层有强逆温和空气湿度很大时,F可能为负值。
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