节气、四季和日照时间

一、 日地关系

二、节气：24节气不但反映出一年中冷、暖、雨、雪动态及四季气候的变化，而且还和农业生产紧密结合，是天文、气候与农业生产的最成功的结合。

春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连
秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒
每月两节日期定，前后相差一两天
上半年在六廿一，下半年在八廿三

反映气温： 小暑 大暑 处暑 白露 寒露 霜降 小寒 大寒
反映天文： 春分 秋分 夏至 冬至
反映作物生长发育： 小满 芒种
反映自然现象： 惊蛰 清明
反映降水： 雨水 谷雨 小雪 大雪

三、太阳高度角和方位角

1.太阳高度角（h⊙）: 指太阳光线与水平面的交角。

sin h⊙ ＝sinφ·sinδ＋cosφ·cosδ·cosω

ω(时角): 以当地真太阳时正午为零度，下午为正，上午为负，每小时15°。

φ: 地理纬度; δ:太阳赤纬 ;ω:时角



正午时刻（ω＝0）太阳高度角的表达式：

h⊙＝90°―φ＋δ（太阳在天顶以南）

h⊙＝90°＋φ―δ（太阳在天顶以北）
当计算出h⊙＞90°时，则取其补角。


正午太阳高度角变化规律：


在南北回归线上（φ＝23.5°）：正午h⊙每年有一次最大值和一次最小值。
在赤道上（φ＝0°）：正午h⊙每年有两次最大值和两次最小值。
在赤道与南、北回归线之间:正午h⊙每年有两次最大值和一次最小值。
在北回归线以北与南回归线以南地区:正午h⊙每年有一次最大值和一次最小值，并且在一年中任何时刻，太阳高度均小于90°，太阳永远不会升至天顶。

2 .方位角（A）: 指阳光在水平面上投影和当地子午线间的夹角。


cosA=- sinδ·secφ

A(方位角): 取正南为零度，以西为正，以东为负。



北半球各地日出、日没时方位角变化规律：
春秋分日（δ=0°）:太阳从正东方升起，在正西方落入地平线下；
从春分到秋分的夏半年内（δ：0°→+23.5°→0°）:太阳从东偏北方升起，在西偏北方落入地平线下；
从秋分到春分的冬半年内(δ：0°→-23.5°→0°):太阳从东偏南方升起，在西偏南方落入地平线下，越接近冬至日，日出日落的方位越偏南。

四、可照时间
可照时间: 由日出至日没太阳可能照射的时间间隔
实照时数:一天中太阳直接照射地面的实际时数
曙暮光时间:太阳在地平线以下0-18°的一 段时间。
光照时间：可照时间 + 曙暮光时间

北半球可照时间随季节和纬度的变化规律为：
δ=0°: 昼夜平分，昼长不随纬度而变化；
δ：0°→-23.5°→0°:白昼短于黑夜，而且纬度越高，白昼越短，冬至日白昼达一年中的最短。在北极圈内可出现有夜无昼现象，称为极夜；
δ：0°→+23.5°→0°:白昼长于黑夜，而且纬度越高，白昼越长，夏至日白昼达一年中的最长。在北极圈内可出现有昼无夜现象，称为极昼；
赤道上，终年昼夜平分，中高纬度地区，随纬度增高，一年中昼长变化越大；低纬度地区终年昼长变化较小。

第二节 辐射的基本定律


一、辐射的一般知识

辐 射: 能量或物质微粒从辐射体向空间各方向发送的过程。
辐射能：通过辐射传输的能量。
电磁波：10exp(-10)微米～几千米

气象学：0.15～120μm
可见光：0.39～0.76μm

紫外线指数：度量太阳紫外线影响人类皮肤的程度.

紫外线指数为1=25毫瓦/平方米
紫外线又分为：
UV-A:315 nm～ 400nm
UV-B :280nm ～ 315nm (对皮对肤的伤害最大)
UV-C :100nm ～ 280nm

二、辐射的度量单位

辐射通量（F）：单位时间内通过或到达任一表面的辐射能。单位：J·s-1或W。
辐射通量密度（E）：单位面积上的辐射通量。单位：W·m-2
光通量密度（E1）：单位面积上通过或到达的光通量　单位：Lm·m-2(流明·米-2)
辐照度：到达接受面的辐射通量密度。
照度：单位面积上接收的光通量称为。单位：lux(勒克斯) ;1lux=lLm·m-2。

三 、辐射的基本定律

斯蒂芬-波耳兹曼定律 ： 黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。

ET=σTexp4　　σ= 5.67×10-8 W·m-2·Kexp(-4)

维恩位移定律： 黑体辐射能力最大值所对应的波长（λmax）与绝对温度成反比


λmax = C/T
C = 2898μm·K.



第三节 太阳辐射及其在大气层中的削弱


一、 大气上界的太阳辐射


1.太阳辐射光谱



2.太阳常数(solar constant)：在大气上界，当日地间处于平均距离时，垂直于太阳入射光表面的太阳直接辐射照度。1981年世界气象组织推荐使用1367W·m-2


3.太阳光量常数：在大气上界，当日地间处于平均距离时，垂直于
太阳入射光表面的太阳可见光照度。其值为14万Lux.太阳辐射在大气中的削弱

二、大气对太阳辐射的吸收

N2:对太阳辐射几乎不吸收；

O2:吸收小于0.2um的紫外线；

03:主要吸收波长小于0.29um的紫外线,此外在0.6um和10um也有吸收；

H2O:在可见光区和红外光都有吸收,但吸收最强的在0.93-2.85um ；

CO2和尘埃:主要吸收红外线光谱区的辐射能。

结论：大气对太阳辐射的吸收多位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，

而对可见光光谱区的辐射能量吸收极微。



三、大气对太阳辐射的散射



分子散射: D散射质点 < 入入射辐射 （分子散射强度与其波长的四次方成反比）

粗粒散射: D散射质点 >> 入入射辐射 （漫射对各色光同等散射）



四、云层和尘埃对太阳辐射的反射

大气中的云层和较大颗粒的尘埃，能将太阳辐射中的一部分反射到宇宙空间去，其中云的反射作用最为显著。云的反射能力随云状、云的厚度不同而有明显不同平均反射率约为50～55%。

高云的反射率约为25%

中云约为50%

低云约为65%

总结: 在大气对太阳辐射的削弱作用中，以反射和散射作用大于吸收作用。以全球平均状况而言，进入大气的太阳辐射约有31%因反射和散射返回宇宙空间，24%被大气直接吸收，余下的45%可到达地面。

四、太阳辐射通过大气后减弱的一般规律

大气质量(m):表示太阳倾斜入射时，经过的大气路程为垂直入射时的倍数。光线垂直到达海平面时所穿过的大气厚度定为一个大气质量数(m=1)。

h⊙>30°时：

h⊙<30°时：



大气质量数随太阳高度的变化

h⊙
90°
60°
50°
40°
30°
20°
10°
5°
3°
1°
0°

m
1.0
1.2
1.3
1.6
2.0
2.9
5.6
10.4
15.4
27.0
35.4


第四节 到达地面的太阳辐射


一、太阳直接辐射

S'：水平面上所得来自日盘的太阳直接辐射，或称太阳直接辐射的垂直分量
S：指地表垂直于日光来向单位面积上接受来自日盘的太阳辐射
光谱特征：
随大气质量增加，长波光比例增加
随海拔高度增加，短波光比例增加

二、散射辐射（D）
水平地面上接收到的来自半球形天空不包括太阳直接辐射的短波辐射。又称天空辐射。
影响因素：

D随P增大而减小
D随h⊙增高而增大
地面反射率越大，D越强
海拔高度增高，空气干洁程度增加，D减少
D随总云量增加而迅速增大但若云层过厚，D也随之减少

散射辐射光谱特征:

散射辐射能量主要集中在小于1um的波谱范围, 晴天最大能量出现在0.45 um处, 阴天出现在0.48um处
随太阳高度角的增加,散射辐射的紫外线含量也增加,但可见光能量 (0.4-0.6um) 不随太阳高度角的改变而有大的变化

三、总辐射（Q）

指水平地面上接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和。

影响因素：

Q 一般随纬度增加而减小
晴天Q日变化和S' 日变化一致
阴天Q日变化和D日变化一致
有少量云时,Q会比没有云时略有增加, 否则随云量增大而减小。

四、太阳辐射日总量
五、下垫面对太阳辐射的反射（R）
影响因素：

颜色越浅，反射率越大
粗糙度越大，反射率越小
太阳高度角越大，反射率越小
土壤湿度越大，反射率越小


第五节 地球辐射和地面净辐射



一、地面辐射（Eg）

地球辐射能量95%集中在 3 ~ 120 um, 最大辐射能力所对应的波长在10 ~ 15 um

比辐射率：是指在同一温度下某物体的辐射能力与黑体辐射能力之比，在数值上等于吸收率。

二、大气逆辐射

大气逆辐射: 大气辐射朝向四面八方，其中一部分逸到宇宙中，大约有62～64%投向地面，投向地面的这部分大气辐射称为大气逆辐射。

大气对8～12μm波段的辐射吸收率较小，这一波段的地面辐射可以直射宇宙空间，称为“大气之窗”。

三、地面有效辐射

指地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，单位为W.m-2

影响因素：

大气湿度增加，有效辐射减小

地面温度增加，有效辐射增加

大气温度增加，有效辐射减小

CO2浓度增加，有效辐射减小

夜间有微风，有效辐射减小

海拔高度增加，效辐射增加

粗糙表面有效辐射较大，潮湿表面有效辐射也较大

四、地面辐射平衡

辐射平衡日变化特征：

辐射平衡最大值出现在正午以前，最小值出现在傍晚，一天有两次通过零点，一次在日出后，一次在日落前（太阳高度角约10~15度）。

辐射平衡年变化特征：

辐射平衡夏季为正，最大为6月，最小值在12月

辐射平衡随纬度变化特征：

纬度39为零,超过39小于零,小于39大于零



第六节 太阳辐射与农业生产的关系

太阳辐射对植物的影响： 热效应 光合效应 形态效应



一、太阳辐射光谱成分与植物生活

λ＞3.00μm(无线电波)：不明
1.0 ~ 3.0μm(远红外线): 可被植物吸收转为热能，影响植物体温和蒸腾
1.0～0.72μm(近红外线): 只对植物伸长和光周期起作用
0.72～0.61μm(红橙光) : 可被叶绿素强烈吸收，光合作用最强
0.61～0.51μm(黄绿光) : 低光合作用与弱成形作用
0.51～0.40μm(蓝紫光): 强的光合作用与成形作用
0.51～0.40μm(蓝紫光): 强的光合作用与成形作用
0.40～0.32μm(紫外辐射) : 起成形和着色作用,使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等
0.32～0.28μm(紫外线):对大多数植物有害
λ＜0.28μm的远紫外辐射：可立即杀死植物


二、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。前苏联和东欧采用0.38~0.71um，西欧和美国采用0.40~0.70um。
PAR = 0.34 S′+ 0.57 D
我国采用:
PAR = 0.45 - 0.49 Q
我国光合有效辐射年总量分布趋势是西高东低，最高值在青藏高原,最低值在四川盆地和贵州高原。

三 、光能利用率

指单位面积作物光合产物中贮存的能量占该单位面积上所得到的光合有效辐射能量的百分比。
理论计算值:
一般可达6.0～8.0%，而实际生产中仅为0.5～1.0%，最大可达2%。


限制光能利用率的因素：

作物生长初期覆盖度小
作物群体内光分布不合理
光能转化率低
中、高纬度地区农业受冬季低温的限制
光合作用受空气中二氧化碳含量的限制
作物营养物质的缺乏
自然灾害（气象与病虫等）的影响
不良的水分供应与大气条件使气孔关闭，影响二氧化碳的有效性与植物的其它功能