第一章太陽輻射與農(nóng)業(yè)

太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

日地關系

到達地面的太陽輻射

輻射太陽輻射第一節(jié)節(jié)氣、季節(jié)及日照時間

一、晝夜及四季的形成

（一）日地關系

近日點：1月3日左右，相距1.45×108km；遠日點：

7月4日左右，相距1.55×108km，日地平均距離為1.50×108km。地球公轉(zhuǎn)一周，需365d5h48min46s，即為一年。在地球公轉(zhuǎn)軌道上，每隔15度劃定一個位置，并定為一個“節(jié)氣”名稱，全年分成24個節(jié)氣。自轉(zhuǎn)一周需23h56min4s，即為一晝夜。晝夜半球分界線叫晨昏線。晨昏線與緯圈交割，把緯圈分為兩段圓弧。即晝弧和夜弧。地軸與公轉(zhuǎn)軌道面（黃道面）保持66°33′的夾角。（指向北極星附近）。四季的形成晝長（可照時數(shù)）（二）太陽直射位置的變化

冬至日（12月22日）太陽直射南緯23°27′，春分日（3月21日）太陽直射赤道，夏至日（6月22日）直射北緯23°27′，秋分日（9月22日）再次直射赤道。赤緯δ的近似計算：δ=23.5sinN°(1-1)式中N°以度為單位，是距春分日或秋分日最近的總天數(shù)，春分日至秋分日取正值，否則取負值。例：1月20日，距春分日（3月21日）的總天數(shù)為60d，應取負值，故δ=23.5sin（－60o）＝－20.35o。（三）晝長的變化規(guī)律夏季晝長隨緯度升高而加長，冬季晝長隨緯度升高而縮短，春、秋分則不隨緯度升高而變。相同緯度，晝長冬短夏長，春秋介于二者之間。二、可照時數(shù)、實照時數(shù)和日照百分率

可照時數(shù)（晝長）定義：不受任何遮蔽時每天從日出到日落的總時數(shù)。單位：小時、分計算公式：可照時數(shù)=此時：cosω＝-tgφtgδ實照時數(shù)地面上用日照計實際測量的日照時數(shù)。日照百分率日照百分率＝—————×100%實照時數(shù)可照時數(shù)光照時間光照時間＝可照時數(shù)＋曙暮光時間一般曙暮光隨緯度升高而加長；夏季尤為顯著。曙暮光

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)生一定的光照強度，這種光稱為曙光和暮光。三、季節(jié)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（一）季節(jié)劃分我國古代以立春、立夏、立秋、立冬作為四季的開始，陽歷1至3月為春季，4至6月為夏季、7至9月為秋季、10至12月為冬季；西方國家以二分（春分、秋分）、二至（夏至、冬至）為四季的開始，以陽歷3至5月為春季、6至8月為夏季、9至11月為秋季、12月至次年2月為冬季。我國氣候?qū)W上用候平均氣溫大于22℃的時期為夏季，小于10℃的時期為冬季，10～22℃之間的時期為春季，22～10℃之間的時期為秋季。（二）二十四節(jié)氣與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)二十四節(jié)氣最初來自天文，將黃道分為二十四弧段，每段15°為一節(jié)。一節(jié)約15天，全年二十四節(jié)。“節(jié)氣”在古代中簡稱“氣”，按陰歷每月一般分為兩氣，前一氣為“節(jié)氣”，后一氣為“中氣”，后人把“節(jié)氣”和“中氣”統(tǒng)稱為“節(jié)氣”。立春、立夏、立秋、立冬表示春、夏、秋冬四季的開始。春分、夏至、秋分、冬至表示晝夜長短的轉(zhuǎn)折日。小暑、大暑、處暑，小寒、大寒反映溫度的高低。雨水、谷雨、小雪、大雪表示降水的季節(jié)。白露、寒露、霜降反映水汽凝結(jié)狀況和溫度下降過程。驚蟄、清明、小滿、芒種為反映物候現(xiàn)象的節(jié)氣，種田無定例，全靠看天氣。立春陽氣轉(zhuǎn)，雨水沿河邊。驚蟄烏鴉叫，春分滴水干。清明忙種粟，谷雨種大田。立夏鵝毛住，小滿雀來全。芒種大家樂，夏至不著棉。小暑不算熱，大暑在伏天。立秋忙打靛，處暑動刀鐮。白露賁割地，秋分無生田。寒露不算冷，霜降變了天。立冬先封天，小雪河封嚴。大雪交冬月，冬至數(shù)九天。小寒買辦忙，大寒要過年。二十四節(jié)氣農(nóng)諺歌物體以輻射的方式傳遞交換的能量。第二節(jié)輻射與太陽輻射㈠、輻射及其特性輻射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。輻射能特性波粒二象性一、輻射的一般知識波動性V＝λf波動性的反映電磁波譜名稱波長范圍紫外線100埃～0.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠紅外6.0微米～15微米超遠紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長范圍紫0.40～0.43微米藍0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍粒子性其中h＝6.626×10-34J·s，稱為普朗克常數(shù)。輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度

輻射通量及單位：定義：單位時間通過任意面積上的輻射能量。單位：J·s-1或W

輻射通量密度（E）及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強度、輻射能力或放射能力。

光通量、光通量密度、照度光通量及單位定義：表征輻射通量而產(chǎn)生光感覺的量。單位：流明（lm）光通量密度及單位定義：單位面積上的光通量。單位：流明/米2（lm·m-2）照度及單位定義：單位面積上接受的光通量。單位：lx，音譯為勒克斯，1lx=1lm·m-2

物體對輻射的吸收、反射和透射

概念吸收率(a)：a=Qa/Q

反射率(r)：r=Qr/Q

透射率(d)：d=Qd/Q

入射反射吸收透射

a、r、d的變化黑體：對于投射到該物體上所有波長的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對黑體。故有：a＝１，r＝d＝０?；殷w：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不隨波長而變化的物體。

斯蒂芬—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

定律黑體的總放射能力（ET）與它本身絕對溫度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。

意義物體溫度愈高，其放射能力愈強。

㈡、輻射的基本定律λm＝C/T

或λmT=C

如果波長以nm為單位，則常數(shù)C＝2,897×103nm·K,于是(3-6)式為：維恩(Wien)位移定律

定律絕對黑體的放射能力最大值對應的波長(λm)

與其本身的絕對溫度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K不同溫度下黑體輻射強度與溫度的關系

意義物體的溫度愈高，放射能量最大值的波長愈短，隨著物體溫度不斷增高，最大輻射波長由長向短位移。太陽輻射是短波輻射，人、地面和大氣輻射是長波輻射。二、太陽輻射㈠、太陽輻射強度和太陽常數(shù)太陽輻射強度（太陽輻射通量密度）

太陽輻射強度及單位定義：單位時間內(nèi)投射到單位面積上的太陽輻射能量。單位：W·m-2

太陽常數(shù)（S0）

太陽常數(shù)及變化范圍定義：當?shù)厍蛭挥谌盏仄骄嚯x時(約為1.496×108km)，

在地球大氣上界投射到垂直于太陽光線平面上的太陽輻射強度。變化范圍：1325W·m-2

～1457W·m-2

我國采用的太陽常數(shù)值為1382

W·m-2

。

太陽光量常數(shù)及范圍定義：大氣上界，太陽輻射產(chǎn)生的平均光照強度。范圍：1.35×105～1.4×105lx

定義Sm′＝Sm·＝Sm·sinh㈡、太陽高度角、太陽方位角和晝長太陽高度角（h）太陽光線與地表水平面之間的夾角。(0°≤h≤90°)

水平面上太陽輻射的計算

Sm和Sm′與h的關系圖

水平面上得到的太陽輻射能隨著h的增加而增加。

h的計算公式sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosω式中：φ為觀測點緯度，δ為赤緯，ω是時角。

δ的計算

δ的含義：太陽直射點緯度(即太陽直射光線與赤道平面之間的夾角)。計算公式：

δ＝23.5sinN°說明：式中N°以度為單位，是距春分日或秋分日最近的總天數(shù)。春分日至秋分日取正值，否則，取負值。

特殊日期δ的值：春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0°

夏至日(22/6)：δ＝23.5°

冬至日(22/12)：δ＝-23.5°（23.5°S）

ω的確定ω是用角度表示的時間，每15°為一小時正午：ω＝0；

上午：ω＜0；

下午：ω＞0，。

正午時刻h的計算公式h正午＝90°-φ+δ太陽方位角（A）

定義太陽光線在水平面上的投影和當?shù)刈游缇€的夾角。

計算公式式中A值：正南：A=0

正南以西：A>0

正南以東：A<0

日出日沒時（h=0）

特殊時刻A的計算公式

北半球A的季節(jié)變化

除北極外，一年中只有春分日和秋分日，日出正東日沒正西。夏半年內(nèi)，日出東偏北方向，日沒西偏北方向；且愈近夏至日，日出日沒方位愈偏北。冬半年內(nèi)，日出東偏南方向，日沒西偏南方向；且愈近冬至日，日出日沒方位愈偏南。

㈢、大氣對太陽輻射的減弱太陽輻射在大氣中的減弱

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見光水汽930~1500nm的紅外光（三個強吸收帶）600~700nm的可見光（三個弱吸收帶）減弱方式

主要的吸收成分

各成分的吸收波段

散射作用

散射

當太陽輻射通過大氣時，遇到大氣中的各種質(zhì)點，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。

分類

由入射輻射波長與散射質(zhì)點的相對大小r，將散射分為分子散射（雷萊散射）和漫射。

r>

時，分子散射。

r>

時，漫射。

雷萊分子散射定律

當大氣干潔，質(zhì)點半徑小于200nm時，散射值與入射光波長的四次方成反比。即：定律意義入射光波長愈短，散射能力愈強。

漫射當大氣混濁，質(zhì)點半徑＞10,000nm時，入射光的各種波長具有同等散射能力，散射系數(shù)不再隨波長改變，稱之為漫射。

反射作用

參與反射作用的物質(zhì)大氣中較大的塵粒和云滴、云層云的反射作用其反射能力隨云狀、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%。

減弱因素

大氣質(zhì)量(m)

定義太陽光通過大氣路徑的長度與大氣鉛直厚度之比。

m隨h的變化在各太陽高度時的大氣質(zhì)量h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4大氣質(zhì)量m隨太陽高度的增高而減小，當太陽高度低時，m值的增大特別迅速。不同太陽高度角下的大氣質(zhì)量

m的計算當h在30°～90°時,m可近似地表示為：

大氣透明系數(shù)(P)

定義

透過一個大氣質(zhì)量(m＝1)后的太陽輻射強度(S1)與透過前的太陽輻射強度(S0)之比，即：

影響因子海拔、水汽、微塵、云霧一、到達地面的太陽輻射強度到達地面的太陽總輻射由太陽直接輻射和天空輻射組成。

太陽直接輻射強度定義

單位時間內(nèi)以平行光形式投射到地表單位水平面積上的太陽輻射能。

計算公式S′＝Sm′＝S0Pmsinhds第三節(jié)、到達地面的太陽輻射

大氣透明系數(shù)(P)、大氣量(m)和太陽高度角（h）影響，此外，緯度、海拔、坡度坡向和云量有間接或直接的影響。

影響因子

天空散射輻射強度(D)定義

陽光被大氣散射后，單位時間內(nèi)以散射光形式到達地表單位水平面積上的太陽輻射能。dsD=S0(1-Pm)sinh

計算公式假設散射輻射的一半回到宇宙空間，另一半忽略大氣吸收。

計算公式的假定條件影響因子

主要受太陽高度角（h）、大氣透明度(P)和大氣量(m)影響，此外，緯度、海拔、云量有直接和間接的影響。

太陽總輻射強度及其影響因素

太陽總輻射強度

到達地面的太陽總輻射強度是太陽直接輻射強度和天空輻射強度的總和。Q=S′+D影響因子太陽高度角(h)

太陽總輻射與太陽高度呈正相關關系。大氣透明度(P)

大氣透明度差，到達地面的太陽直接輻射減少，故太陽總輻射減少。大氣質(zhì)量(m)

大氣質(zhì)量m愈大，到達地面的太陽總輻射愈少。緯度緯度愈高，太陽總輻射愈低。

海拔

海拔愈高，地面接受的太陽總輻射愈強。

坡度坡向北半球北回歸線(23.5°N)以北地區(qū)，緯度愈高，愈是表現(xiàn)出南坡向陽、北坡背陰，冬季比夏季顯著。云一般云愈厚，愈多，太陽直接輻射愈弱，散射輻射的比例增大。二、太陽輻射光譜

定義太陽輻射能隨波長的分布曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實線是大氣上界的太陽輻射光譜；虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。

幾個重要波段名稱波段(nm)占總能量的比例（%）效應作用可見光400—76050光效應植物光合作用紅外區(qū)>76043熱效應加熱地球、大氣和生物紫外區(qū)<4007化學效應殺菌消毒、促進種子萌發(fā)波譜隨h的變化太陽高度角降低，直接輻射光譜中，波長較長的部分逐漸增加，波長較短的部分逐漸減少。太陽直接輻射波譜隨h的變化輻射波譜（nm）太陽高度角（度）0.551020305090紫外線（295～400）00.41.02.02.73.24.7可見光（400～760）31.238.641.042.743.743.945.3其中:

紫光（400～440）00.60.82.63.84.55.4藍光（440～495）02.14.67.17.88.29.0綠光（495～565）1.72.75.98.38.89.29.2黃光（565～595）4.18.010.010.29.89.710.1紅光（595～760）25.425.219.714.513.512.211.5紅外線（＞760）68.861.058.055.353.552.950.0不同太陽高度時太陽直接輻射光譜中各部分的相對強度(總輻射量＝100％)散射輻射光譜隨太陽高度角、大氣透明系數(shù)和云量而變化。干潔空氣中，h降低，散射輻射中波長較短的部分逐漸減少，波長較長部分逐漸增多，而波長在400nm-600nm的可見光幾乎不隨h而變化。h（度）<400400～600>60035.953.340.81514.658.227.23020.456.123.54523.254.822.06024.654.221.29025.853.520.7不同太陽高度角時各散射光譜段的相對比率

當天空中有較多粗粒或全天有云時，散射輻射光譜中的長波部分能量增加，其最大輻射能力波長也向長波方向移動。

太陽散射輻射波譜隨h的變化碧空和陰天時散射光譜能量的分布

三、地面反射的太陽輻射

地面反射率

地面反射的太陽總輻射R與投射到地面的太陽總輻射Q的百分比。不同性質(zhì)下墊面的反射率種類反射率（%）種類反射率（%）干的新雪80~95棉花20~22一般雪面60~70甜菜18~25污穢雪面40~50馬鈴薯19~27干黑土14水稻田17~22濕黑土8牧草田15~25新耕地17針葉林10~15冬小麥16~23闊葉林15~20

深色土壤小于淺色土壤。

潮濕土壤小于干燥土壤。

新雪表面大于陳雪表面。地面晝夜不停的向外放射輻射能，稱為地面輻射(Ee)。

日變化㈡、大氣輻射大氣逆輻射(Ea)：大氣輻射中傳向地面的輻射。四、地面輻射差額㈠、地面輻射(Ee)定義波長范圍3,000nm～80,000nm，最大放射能力波長約為10,000nm。白天>夜間定義大氣輻射：大氣向外的輻射。7,000nm～120,000nm，最大放射能力波長約為15,000nm。

波長范圍㈢、地面有效輻射(E0)定義地面輻射與被地面吸收的大氣逆輻射之差。亦稱凈紅外輻射。計算公式E0＝Ee-δEa其中：δ為吸收率，δEa為被地面吸收的大氣逆輻射。影響因子

地面溫度

、空氣溫度、空氣濕度、云況、風力、海拔、地面狀況和植被等。溫室效應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，阻擋了地面向外的輻射，增強大氣逆輻射，對地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱為大氣溫室效應。大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如在陽光下?lián)瘟艘话褌悖瑴p弱了到達地面的太陽輻射，對地面有降溫作用，這種現(xiàn)象稱之為大氣陽傘效應。

陽傘效應

R＝(S′+

D

)(1

–r)

-E0

白天，R>0，靠近正午時B達到最大值。夜間，R<0，R=-E0。R由正變負的時間在日落前1小時；由負變正在日出后1小時。

影響因素㈣、地面輻射差額(R)定義在單位時間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻射之差，稱為地面輻射差額(R)。也稱地面凈輻射。

計算公式太陽輻射天氣狀況有云的情況下，會使B的絕對值減小。緯度緯度愈低，B保持正值的月份愈多。一、太陽輻射光譜對植物的影響不同光譜成分對植物的影響紅外輻射主要功能是產(chǎn)生熱效應波長大于1.00μm的輻射，被植物吸收轉(zhuǎn)化為熱能；波長為1.00～0.72μm的輻射，對植物伸長起作用可見光輻射光合作用的能源第四節(jié)、太陽輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)0.72～0.61μm的光可被葉綠素強烈吸收，光合作用最強并表現(xiàn)為強光周期作用。0.61～0.51μm的光，表現(xiàn)低光合作用與弱成形作用。0.51～0.40μm的光被葉綠素和黃色素較強烈吸收，表現(xiàn)次強的光合作用與成形作用。光合有效輻射紫外輻射0.40～0.32μm的紫外輻射起