第一章太陽輻射第一節(jié)晝夜和季節(jié)第二節(jié)太陽輻射

第三節(jié)地面輻射和大氣輻射

第四節(jié)太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求深刻理解和熟練掌握的重點內(nèi)容：太陽輻射強度和太陽常數(shù)概念太陽高度角變化規(guī)律大氣對太陽輻射的減弱到達(dá)地面的太陽輻射強度及影響因素地面輻射差額有關(guān)概念、公式及變化規(guī)律光照與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求一般理解和掌握的內(nèi)容：輻射及其特性太陽輻射光譜、輻射波譜與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)光能利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難點：太陽高度角、太陽方位角和晝長的計算推導(dǎo)太陽直接輻射強度公式日照時間與作物引種返回第一章第一節(jié)晝夜和季節(jié)

一、晝夜1、晝夜的形成

地球在自轉(zhuǎn)的過程中，總是有半個球面向著太陽，表現(xiàn)為白晝，稱為晝半球，另外半個球面背對著太陽，表現(xiàn)為黑夜，稱為夜半球。地球不停的自轉(zhuǎn)，就形成了晝夜交替的現(xiàn)象，如圖1—1為晝夜形成示意圖。

圖1-1晝夜的形成2、晝夜長短的變化

地球在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的過程中，由于地軸和地球公轉(zhuǎn)軌道面保持66o33ˊ的傾角，使得晨昏線和地軸不在一個平面上（春秋分除外），又由于地球和太陽的相對位置經(jīng)常發(fā)生變化，而地軸方向保持不變，使晨昏線也經(jīng)常發(fā)生變化，進(jìn)而形成了晝夜長短的變化。3、日照時間可照時數(shù)（晝長）實照時數(shù)日照百分率光照時間從日出到日落太陽可能照射的晝長時間。它以小時為單位。它是地面上用日照計實際測量的日照時數(shù)。受云層和遮蔽物的影響，由于散射輻射強度幾乎達(dá)不到日照計感應(yīng)強度，所以日照時數(shù)幾乎可以說明太陽直接輻射的時數(shù)多少，即晴朗時數(shù)多少。它是實照時數(shù)與可照時數(shù)的百分比。它的大小說明晴陰狀況，日照百分率大說明晴天多?？烧諘r數(shù)（晝長）是日出至日沒的時數(shù)，實際上，就民用和作物光合作用所需光照而言，在日出前和日落后，太陽光線在地平線以下0°-6°時，光通過大氣散射到地表產(chǎn)生一定光照度，這種光分別稱曙光和暮光，所以光照時間=可照時間+曙暮光時間二、季節(jié)（一）季節(jié)的形成

1、日照時間的長短日照時間越長，地面接受的太陽能量越多，而日照時間的長短，隨太陽直射地球的位置和緯度的變化而變化。

一年中，太陽直射地球的地理緯度變動于南北緯23o27ˊ之間，南北緯23o27ˊ的緯線，分別稱為南回歸線和北回歸線。如圖1—2為晝夜長短的季節(jié)變化示意圖。

北半球晝長變化規(guī)律：

①相同緯度，晝長隨季節(jié)變化，冬短夏長，春秋介于二者間；②夏季晝長隨緯度升高而增長，冬季晝長隨緯度升高而縮短，春、秋分則不隨緯度升高而變。夏至日

太陽直射北回歸線，北半球晝長夜短，緯度愈高，白晝愈長，在北極圈內(nèi)（66.5°N）為24h白晝，稱極晝現(xiàn)象；南半球則相反。此時，北半球為夏季，南半球為冬季。冬至日太陽直射南回歸線，北半球晝短夜長，緯度愈高，白晝愈短，在北極圈內(nèi)為24h黑夜，稱極夜現(xiàn)象；南半球則相反。此時北半球為冬季，南半球為夏季。

春分日和秋分日

太陽直射赤道，全球各緯度均晝夜平分，各為12h，北半球分別為春、秋季。2、太陽高度角的大小

太陽高度角（h⊙）：太陽平行光線與水平面之間的夾角。h⊙=0°時最小，h⊙=90°時最大。（見右圖）

太陽高度角（h⊙）的變化：

一天中，早晨和傍晚，h⊙最小，水平面上得到太陽能少；正午，h⊙大，水平面上得到的太陽能多。

北半球：一年中，冬至h⊙最小，夏至最大。所以，太陽輻射能夏季大，冬季小。（二）二十四節(jié)氣

二十四節(jié)氣是根據(jù)地球在繞太陽公轉(zhuǎn)軌道上所處的位置而確定的，反映了地球上冷暖變化與太陽位置的關(guān)系，如圖1－3，地球公轉(zhuǎn)與二十四節(jié)氣劃分。

圖1－3地球公轉(zhuǎn)與二十四節(jié)氣劃分（二）二十四節(jié)氣地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周要轉(zhuǎn)360度，期間地球要自轉(zhuǎn)365圈，歷時365天。把地球公轉(zhuǎn)一周等分為二十四等份，第一等份為15度，大約歷時15天，這15天為一個節(jié)氣。春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連。秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。

上半年來六廿一，下半年來八廿三。

每年兩節(jié)日期定，最多相差一兩天。第二節(jié)太陽輻射一、有關(guān)輻射的基本知識1、輻射的概念

物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式稱輻射，傳遞交換的能量稱輻射能。2、物體對輻射能的吸收、反射和透射

投射到物體上的輻射，并不能全部被物體所吸收，而是一部分被它反射，一部分可能透過該物體。如圖1—4為物體對輻射的收、反射和投射的示意圖。(Q)(Qa)(Qr)(Qt)物體對輻射吸收、反射和透射的能力，各以吸收率、反射率和透射率來表示：吸收率（a）a=Qa/Q反射率（r）r=Qr/Q透射率（t）

t=Qt/Qa+r+t=1(1-3)圖1—4物體對輻射的吸收、反射和投射二、太陽輻射

太陽是一個極其熾熱的氣態(tài)球體，中心溫度為2000萬度，表面溫度高達(dá)6000°K，在這樣的高溫下，太陽時刻不停地把巨大的能量向四周放射能量，稱為太陽輻射。（一）太陽輻射光譜太陽輻射光譜：太陽輻射能隨波長的分布曲線稱之。圖中實線是大氣上界的太陽輻射光譜，太陽輻射能絕大部分集中在波長150—4000nm之間，占太陽輻射總能量的99%。

可見光區(qū)（400—760nm）能量占總能量的50%，具有光效應(yīng)，是人類肉眼可見光譜區(qū)，也是植物光合作用的有效光譜區(qū)?？梢姽饪砂床ㄩL由長至短分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光。太陽輻射的最大波長λm=475nm，相當(dāng)于青藍(lán)光區(qū)波長。紫外線區(qū)（λ<400nm）能量占總能量的7%，具有化學(xué)效應(yīng)，全部到達(dá)地面有毀滅生物的作用，幸大氣中O3層吸收而到達(dá)地面的極少，它具有殺菌消毒，促進(jìn)種子萌發(fā)的作用。

紅外線區(qū)（λ>760nm）能量占總能量的43%，具有熱效應(yīng)，起著加熱地面、大氣、動、植物等物體的作用。（二）太陽輻照度1、太陽輻照度太陽輻照度是反映太陽輻射強弱程度的物理量。它指單位時間內(nèi)垂直投射到單位面積上的太陽輻射能量，其單位為J/m2。

當(dāng)太陽和地球處于日地平均距離時，在地球大氣上界垂直于太陽光的平面上的太陽輻照度成為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)并不是一個恒定的常數(shù)。（二）太陽輻照度

2、光照度

光照度是表示物體被光照射明亮程度的物理量。它指單位時間內(nèi)垂直投射到單位面積上的對正常人眼能產(chǎn)生光亮感覺的太陽輻射能量，其單位為Lx（勒克斯）。（三）大氣對太陽輻射的減弱若以大氣上界得到的太陽輻射能為100%的話，經(jīng)過大氣層后，大氣吸收了14%，大氣散射和云層、地面反射共返回宇宙空間43%，能直達(dá)和散射到達(dá)地面且被地面吸收的僅43%?？梢姶髿鉁p弱太陽輻射是強烈的。大氣對太陽輻射的減弱方式吸收作用散射作用反射作用大氣的某些成分，具有選擇吸收某些波長的太陽輻射的特性，其中最主要的有O2、O3、水汽和CO2等。O2、O3：強烈吸收波長<200nm的紫外線；水汽：主要吸收紅光及紅外線；CO2及微塵雜質(zhì)：吸收紅外線。

大氣對可見光譜區(qū)吸收極少。分子散射當(dāng)直徑比太陽輻射波長小的質(zhì)粒所產(chǎn)生的散射。分子散射具有選擇性，波長越短，被散射的越強；而波長較長的輻射，則被散射的較弱。粗粒散射

當(dāng)直徑比太陽輻射波長小的質(zhì)粒所產(chǎn)生的散射。粗粒散射沒有選擇性，對各種波長幾乎具有同等散射能力，散射系數(shù)不再隨波長改變，稱之為漫射。大氣中較大的塵粒、云滴、云層能反射太陽輻射到宇宙空間去，其中云層反射作用最顯著。云的反射能力隨云狀、云量和云厚而不同。云量愈多，云層愈厚，反射愈強。云層平均反射率為50-55%。大氣對太陽輻射的減弱因素大氣層的厚度

?大氣透明程度

太陽輻射穿過大氣的路程越長，它被減弱得越多；反之路徑越短，被將減弱得越少。太陽輻射穿過大氣層的厚度與太陽高度角有關(guān)。太陽高度角越大，太陽輻射穿過大氣層的路程越短，反之越長。用大氣透明系數(shù)表示。與大氣的密度、水汽含量以及塵埃雜質(zhì)大小及含量有關(guān)，這些物質(zhì)越多，大氣透明程度越差，因而太陽輻射受到的減弱越強。大氣上界h(四)到達(dá)地面的太陽輻射強度

1、到達(dá)地面的太陽輻射的組成經(jīng)過大氣減弱后投射到地面的太陽輻射由兩部分組成，即太陽直接輻射和散射輻射。直接輻射是指以平行光線的形式直接投射到地面的太陽輻射。直接輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的直接輻射，用Sˊ表示。散射輻射是指經(jīng)散射后，由天空投射到地面的太陽輻射。散射輻射照度是指單位面積，在單位時間內(nèi)所接受的散射輻射，用D表示。直接輻射與散射輻射之和，稱為總輻射。直接輻射照度與散射輻射照度之和稱為總輻照度（Q）。即Q=S'+D（1-4）

2、影響太陽總輻照度的因素

主要是太陽高度角和大氣透明系數(shù)。(1)太陽高度角當(dāng)太陽高度角增大時，直接輻射和散射輻射都增大，因而總輻射也增大。又由于太陽高度角有日、年變化和隨緯度的變化，因此總輻射也有日、年變化和空間水平變化。

（2)大氣透明度

當(dāng)大氣透明系數(shù)增大時，直接輻射增大，但散射輻射減小，這時，輻射總量的變化就取決于直接輻射和散射輻射對總輻射貢獻(xiàn)的大小。一般來說，直接輻射大于散射輻射，變化也快，因此，多數(shù)情況下，當(dāng)大氣透明系數(shù)增大時，總輻射也增大。

(3)海拔高度：

當(dāng)海拔升高時，大氣透明系數(shù)增大，總輻射也增大。(4)云量：

云量增多，總輻射可能增大，也可能減小，分為以下三種情況：①當(dāng)天空烏云密布時，直接輻射為零（Sˊ=0），到達(dá)地面的輻照度以散射輻射（D）為主，但其值也減小，則這時的總輻射（Q）必定減小。②當(dāng)部分天空有云，且云遮住陽光，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射為零（Sˊ=0），而散射輻射（D）的增大量補償不了直接輻射（Sˊ）的減小量，則總輻射（Q）也減小。③當(dāng)部分天空有云，而且是沒有遮住陽光的中云和高云，這時，對該區(qū)域來講，直接輻射（Sˊ）沒有明顯減小，或減小不多，而散射輻射（D）卻有明顯增大，因此使得總輻射（Q）增大。3、太陽總輻照度的周期性變化（1）總輻照度的日變化一天中，總輻照度夜間為零，日出后逐漸增大，正午達(dá)到最大，午后又逐漸減小。

（2）總輻照度的年變化一年中，中、高緯度地區(qū)總輻照度夏季最大，冬季最小。赤道附近，一年中有兩個最大值，分別出現(xiàn)在春分和秋分。（3）光照度的變化晴天時，光照度由直射光和散射光兩部分組成；陰天時，只有散射光。4、太陽輻射總量在空間上的變化

一天內(nèi)，一般在中緯度地區(qū)，夏季太陽輻射日總量大，冬季太陽輻射日總量??；中高緯度不同地區(qū)太陽輻射日總量最大值可能出現(xiàn)在春季或秋季；在低緯度地區(qū)日總量的變化不大。一年中，太陽輻射年總量一般隨緯度的增高而減少。（五）地面對太陽輻射的反射和吸收1、地面的反射輻射:

到達(dá)地面的太陽總輻射中，有一部分被地面反射回到大氣中，稱為地面反射輻射。地面反射輻射占到達(dá)地面的總輻射的百分率，稱為地面反射率，以r表示。反射率主要與下墊面性質(zhì)有關(guān)。

下墊面：墊在空氣層下面的面。（五）地面對太陽輻射的反射和吸收2、地面對太陽輻射的吸收:

由于太陽輻射不能穿透地球，所以地面吸收率為1-r。

第三節(jié)地面輻射和大氣輻射一、地面輻射

地面輻射（Ee）：地面晝夜不停的向外放射輻射能，稱地面輻射。地面輻射的大部分為大氣所吸收，少量透過大氣向宇宙空間散逸，如果地面溫度按300K計算，地面輻射的波長范圍在3000—80000nm之間，最大放射能力的波長約為10000nm。地面輻射的波長全部在紅外光區(qū)，因此，地面輻射又稱為地面長波輻射和紅外熱輻射。

地面長波輻射通過大氣層時，大氣中的水汽、二氧化碳和水滴等吸收了絕大部分的地面輻射能，其中尤以水汽的吸收能力最強，據(jù)統(tǒng)計地面輻射的能量93%被大氣所吸收，僅有7%的能量散失在大氣層之外，而大氣對太陽輻射的吸收僅為大所上界的6%，可見大氣能量主要直接來自地面，而不是來自太陽，所以說地面輻射是低層大氣的主要熱源。二、大氣輻射和大氣逆輻射

大氣輻射：大氣向外放射的輻射稱之。大氣平均溫度比地面低，其輻射波長范圍為7000—12000nm，最大放射能力的波長為15000nm，也屬于紅外長波輻射。大氣輻射有一部分向上進(jìn)入宇宙空間，有一部分向下到達(dá)地面，這一部分因與地面輻射的方向相反，稱為大氣逆輻射（Ea）。大氣溫室效應(yīng)大氣能讓大部分的太陽輻射透過而到達(dá)地面，使地面獲得能量：卻把地面輻射幾乎全部吸收，阻止地面能量外泄；還以大氣逆輻射的形式把一部分能量傳回給地面，補償了地面以輻射的形式所損失的能量，這就使地面不至于過多地?fù)p失熱量，而對地面起到了保溫作用，這種作用稱為大氣熱效應(yīng)。因為大氣效應(yīng)