氣象學第一二章複習資料
第一章 大氣
一、大氣組成
主要是幹潔大氣、水汽、氣溶膠粒子。
1、 幹潔大氣:
幹潔大氣中對人類影響較大的成分是N2，O2，O3和CO2。
（1）N2和O2:它們是大氣的主要組成部分，但N2利用率低。O2是維持人類及動植物生命活動的氣體。
（2）O3:含量很低，集中在20-25km的高空，形成臭氧層。可強烈吸收對生物有害的紫外線。
(3)CO2：是植物生命活動離不了的氣體，可吸收地面輻射，對氣溫影響較大。
2、水汽：主要集中在低層大氣中。低緯度地區多於高緯度地區；下層多於上層；夏季多於冬季。含量很少，但是天氣變化的重要角色，雲、霧、雨、雪的形成都與之有關。
3、氣溶膠粒子：懸浮於空氣中的固體粒子。包括水滴、冰晶、煙粒、塵埃等。
可充當水汽凝結物，利於雲、雨的形成；還可以吸收一部分輻射，對地溫、氣溫有一定影響。
二、 大氣垂直結構
從下到上有五層：對流層、平流層、中間層、熱層、外大氣層（散逸層）。
大氣底界：即地球的表面。
大氣上界：即大氣的頂界。
有2種劃分方法：根據極光出現的高度估計，在1000—1100km；據人造衛星探測，約在3000km。
（一）對流層
是靠近地表的大氣最低層。其厚度隨緯度和季節的不同而有變化：低緯度平均為17～18km，中緯度地區為10～12km，高緯度只有8～9km。夏季厚、冬季薄。
特點：
（1）氣溫隨高度升高而降低。 垂直遞減率為：r= 0.65℃/100m。
（2）空氣具有強烈的對流運動。易形成雲和降水（雨、雪等）。
（3）溫度、溼度等氣象要素水平分佈不均勻。主要是受地形影響所致。
（二）平流層
從對流層頂到55km的氣層。主要特點：
1、垂直氣流顯著減弱，氣流多呈水平運動，故叫平流層。
2、集中了大氣中大部分O3
3、下部氣溫隨高度變化小，上部氣溫隨高度升高而顯著增加。
4、水汽和塵埃很少，大氣能見度好。適合飛機航行。
（三）中間層
從平流層頂到距地面85km 的高度。
主要特點：
1、溫度隨高度升高而迅速降低，其頂部可下降到-83℃。
2、氣流有強烈的垂直運動，故又稱高空對流層。
（四）熱層（暖層）
從中間層頂到距地面約700km 的氣層。
特點：
1、氣溫隨高度升高而迅速升高（因吸收短波紫外線）。
2、空氣分子處於高度電離狀態。
（五）外大氣層（散逸層）
從熱層頂以上的大氣層。
特點：受地球引力小，高速空氣分子常逃到太空，宇宙空間粒子也常進入該層。
第二章 輻射
1 輻射的基本知識
一、概念
輻射：物體以電磁波或粒子的形式向外放射能量的現象。
透過輻射傳遞的能量叫輻射能。
輻射通量密度（輻照度）：單位時間、單位面積上發射或吸收的輻射能量。單位：W/m（瓦/米）
二、輻射光譜
氣象學研究的輻射波譜範圍是0.1～120 μm,
太陽輻射波長範圍在0.15～4 μm，地面和大氣輻射波長在3～120 μm，因此常把太陽輻射稱為短波輻射，地球和大氣輻射稱為長波輻射，以4 μm為分界線。
輻射的傳播不需要中間介質。
三、基本定律
1、斯蒂芬-波爾茲曼定律 E）與其表面絕對溫度（T）的四次方成正比。 E= T E=T4是斯蒂芬-波爾茲曼常數 黑體：將投射到其表面上各種波長輻射能全部吸收的物體。 4 ?是灰體常數，在0.80～0.99之間。
兩個公式都表明：物體溫度越高，其輻射強度越強。
2、維恩位移定律
黑體輻射光譜的極大值所對應的波長λ與其絕對溫度T成反比。
λ=C/T C為常數，是2897。
表明：物體溫度越高，它所輻射的具有最大能量的波長越短。 maxmax
2 太陽輻射
一、太陽輻射光譜和太陽常數
1、太陽輻射光譜
(1)定義：太陽輻射能隨波長的分佈。
2、太陽常數
當日地處於平均距離時，在被照亮的半個地球的大氣上界，垂直於太陽光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽輻射能量叫太陽常數。
世界氣象組織推薦取值
二、太陽輻射在大氣中的減弱
1、吸收作用
太陽輻射被大氣吸收變為熱能。
2、散射作用
（1）分子散射
空氣分子和直徑<0.1?m的質點的散射作用叫分子散射。
波長愈短的輻射，被散射愈多。
在可見光中，藍、紫光的波長最短，故被散射的也最多，紅、橙光被散射的較少。
（2）粗粒散射
50%-55%。因反射作用使約
大氣對太陽輻射的減弱，反射最多，散射其次，吸收最少。
三、到達地面的太陽輻射
1、直接輻射Rsb：以平行光的形式投射到地面上的太陽輻射。
影響因素：主要與太陽高度角h、大氣質量數m和大氣透明係數a有關，還與緯度有關。
（1）太陽高度角(h)
定義：太陽平行光線與水平面之間的夾角。
直接輻射Rsb隨太陽高度角的增大而增大。
（2）大氣質量數m
m表示。
太陽光垂直照射時，m=1；斜穿大氣層時，m>1，m大小僅表示太陽傾斜入射時大氣光學路徑為垂直入射時的倍數。 ? 太陽高度角越大，大氣量越小。
直接輻射Rsb隨大氣質量數的增大而減小。
（3）大氣透明係數a
定義：太陽光透過一個大氣量後的輻射度與透過前的輻射度之比。
一般a<1，受大氣中的水汽、雲滴、塵埃的多少影響。
直接輻射Rsb隨大氣透明係數的增大而增大。
變化規律：
晴天時太陽高度角影響大，陰天時大氣透明係數影響大。一天中，正午前後最大，日出、日落時最小；一年中，夏季最大，冬季最小。我國因夏季水汽多、雲量多，故最大值出現在春末夏初。相同天氣條件下，緯度越低，直接輻射Rsb越大。但是一年中直接輻射Rsb最大值不在赤道地區，而是在迴歸線附近。
2、散射輻射Rsd
散射輻射Rsd：經質點散射後，自天空各個方向投射到地面上的太陽輻射。
三、太陽總輻射及其影響因子
太陽總輻射：太陽直接輻射和天空散射輻射之和。即：Rs=Rsb+Rsd
影響太陽總輻射的因素有：太陽高度角、大氣透明係數、雲、海拔高度、地理緯度等。
1、太陽高度角h：Rs與h正相關，隨h的'增加而增加。
2、大氣透明係數P： Rs與P正相關，隨p的增大而增大。
3、雲：雲層厚時， Rs與雲負相關，隨雲量的增多而減小；雲薄時則相反。
4、海拔高度：Rs與海拔高度正相關，隨海拔高度的增加而增加。
四、地面對太陽輻射的反射
5、地理緯度： Rs隨地理緯度增加而減弱，但總輻射年總量最大值在20附近。
地面反射輻射：地面反射到大氣中的太陽輻射。
地面反射率α：指地面對太陽輻射的反射輻射與到達地面的太陽總輻射的比值。
影響α的主要因素有：顏色、土壤溼度、粗糙度、太陽高度角等。
3 地面和大氣輻射
一、地面和大氣輻射
地面輻射RLu ：即地面向外 發射的輻射。
大氣輻射：即大氣向外發射的輻射能量。
地球輻射：地面輻射和大氣輻射之和。
地面輻射與太陽輻射的不同：
1、太陽輻射只發生在白天，而地面輻射晝夜都有 。
2、太陽輻射主要波長集中在可見光內，而地面輻射主要波長在紅外、遠紅外區，大部分被大氣吸收，只有少量逃到太空中。
大氣對長波輻射吸收強烈，但對8～12 μm 處吸收率最小，透射率最大，這一波段叫“大氣天窗”。
地面輻射是低層大氣能量的主要來源。
大氣
雲量、空氣溼度等是影響大氣逆輻射的主要因素。
地面對大氣逆輻射也能反射，所以地面只能吸收大氣逆輻射中的一部分能量，被地面吸收的大氣逆輻射為δRLd（δ是吸收率）。
一般地δ很大，可以認為地面對大氣逆輻射的吸收率近於1。
大氣逆輻射能使地面獲得一部分能量，因此它對地面有保暖作用，叫大氣的保溫效應。
“大氣溫室效應”：由於大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外地輻射，增強了大氣逆輻射，對地面有保溫和增溫作用，這種現象叫大氣溫室效應。
4 輻射與農業
一、光合有效輻射
光合有效輻射（PAR）：太陽輻射中對植物光合作用有效的光譜成分。
光合有效輻射波長範圍：0.4－0.7μm
葉綠素主要吸收藍紫光和紅橙光，而對黃綠光吸收較少。
在太陽輻射光譜中，紅外光有熱效應，藍紫光利於光合作用，紫外線影響植物形態和品質。其作用分述如下：
1、紅外輻射
（1）λ>1000nm
? 可轉化為熱能，影響植物體溫和蒸騰作用，不參與光化學反應過程。
（2）1000-720nm
? 700-800nm近紅外光對植物光週期及種子形成有重要作用，並控制開花與果實顏色。
? 一般紅外線的熱效應使植物體溫升高，促進植物的蒸騰及物質運輸；外界溫度越低，紅外線熱效應越大。 ? 因此高原地區葉子溫度高於氣溫3-5℃，可以補償高原地區氣溫低這個不利因素。
2、可見光輻射
（3）720-610nμm
紅橙光，被葉綠素強烈吸收，光合作用最強。表現出強的光週期作用。
（4）610-510nm
綠光，葉片吸收很少，是弱活性帶。
（5）510-400nm
藍紫光，被葉綠素強烈吸收，表現出次強的光合作用和成形作用。
3、紫外輻射
（6）400-320nm
起成形及著色作用，使顏色變深，葉片變厚等。
（7）320-290nm
對多數植物有害，可消毒土壤。
（8）λ<290nm
可立即殺死植物，叫滅生性輻射。
二、光照度與植物
（一）光照強度對植物的影響
1、光飽和點：在一定的光照強度範圍內，光合作用隨光合強度的增加而增強，當光照強度增加到某一數值後，光合作用不再增加，此現象叫光飽和現象，這個光照強度就是光飽和點。
CO含量、溫度、土壤水分等因素而變化。
依據光照強度對植物可劃分為：喜陽植物和喜蔭植物。
最喜陽植物不存在光飽和現象，利於果實和種子的生長；喜蔭植物在光強達到晴天的1/10時，光合作用就不增加，利於營養器官的生長。
喜陽植物有：水稻、小麥、玉米、棉花、荔枝、香蕉、椰子、桉樹等。
喜蔭植物有：茶葉、菸草、人參、龍眼、柑桔、田七、杉木等。
不同植物對光照要求不同，正確調節光照強度來提高對太陽能的利用，是作物栽培的重要課題之一。
“光呼吸”作用只在光合作用下發生，不產生能量，無益地消耗光合作用產生的有機物質。
C3植物：光呼吸作用很強，大大降低降低光合效率，如水稻、小麥、棉花。油菜等。
C4 植物：光呼吸作用很弱甚至沒有，適宜條件下可高產。如玉米、高梁、甘蔗等。
（二）光照時間對作物的影響
1、光照時間＝可照時數＋曙暮光
可照時數：日出到日落太陽可能照射的時間長度，即晝長。
曙暮光時間：在日出和日落後，地平線下的太陽光線投射到太空中，經大氣的散射、折射等投向地面的光，叫曙暮光。
2植物的光週期現象：
（1）定義：晝夜交替、明暗變換及其時間長短對植物進入發育階段（開花結實）的影響叫植物的光週期現象。
（2）分類：
短日照植物：在植物發育前期，要在較短的白晝（<12－14h）條件下，才能進入開花結實的植物。如：晚稻、玉米、棉花、大豆、茶樹等多源於低緯度地區。
長日照植物 ：在植物發育前期，要在較長（>12－14h）白晝條件下，才能進入開花結實的植物。
例如：小麥、大麥、馬鈴薯、甜菜、豌豆、洋蔥、白菜、油菜、胡蘿蔔、落葉松等原產高緯度的植物。
中性植物：這類植物對日照長短不敏感。
例如：西紅柿、四季豆、黃瓜、茄子、蕎麥等。
（3）植物的感光性
定義：植物對日照時間長短的反應特性。
感光性強即反應敏感，感光性弱即反應遲鈍。