《气象学》课程笔记

《气象学》课程笔记
第一章绪论
一、农业气象学的基本概念
1. 定义：农业气象学是研究农业与大气环境相互关系的一门学科，它涉及到气象学、农业科学、生态学和环境科学等多个领域。

农业气象学的核心任务是研究大气环境对农业生产、农产品品质及农业生态环境的影响，以及农业生产活动对大气环境的反馈作用。

2. 研究内容：
（1）农业气象条件对作物生长发育、产量和品质的影响：研究温度、降水、光照、风等气象因素对作物生长周期的影响，以及如何通过调控这些因素来优化农业生产。

（2）农业气象灾害的成因、规律及防御措施：分析干旱、洪涝、霜冻、高温热浪等气象灾害的成因，探讨其发生规律，并提出相应的防御和减灾措施。

（3）农业生态环境的气象问题：研究农业活动对气候变化的贡献，以及气候变化对农业生态环境的影响。

（4）农业气候资源分析与农业气候区划：评估不同地区的农业气候资源，进行农业气候区划，为农业生产布局提供依据。

（5）农业小气候及其调控技术：研究农田小气候的形成机制，探讨如何通过农业技术措施改善农田小气候，促进作物生长。

二、农业气象学的研究方法
1. 观察法：
- 实地观测：通过气象站、农田试验站等设施，对农业气象要素进行长期观测。

- 调查研究：对农业生产过程中的气象问题进行调查研究，收集一手资料。

2. 实验法：
- 田间试验：在自然条件下，通过设置不同的处理，研究农业气象因素对作物的影响。

- 人工气候室试验：在人工控制的环境下，模拟不同的气象条件，研究
作物生长响应。

3. 数值模拟法：
- 气象模型：利用气象模型模拟大气环流，预测天气变化。

- 农业模型：结合作物生长模型和气象模型，预测作物产量和品质。

4. 统计分析法：
- 相关分析：分析农业气象数据之间的相关性，找出影响作物生长的关键因素。

- 回归分析：建立农业气象要素与作物产量、品质之间的数学模型。

5. 遥感与GIS技术：
- 遥感监测：利用遥感图像监测农业气象灾害、作物长势等。

- GIS分析：通过地理信息系统分析农业气象资源的空间分布及变化规律。

三、农业气象学在农业生产中的应用
1. 作物气象：
- 作物布局：根据农业气候区划，合理规划作物种植区域。

- 品种选择：选择适应当地气候条件的作物品种。

- 栽培技术：制定科学的栽培管理措施，以适应气象条件的变化。

2. 灾害防御：
- 灾害预警：利用气象预报，提前预警可能发生的农业气象灾害。

- 防御措施：采取灌溉、排水、覆盖、抗寒等手段，减轻灾害影响。

3. 农业气候资源利用：
- 气候资源评估：评估光、热、水等农业气候资源的时空分布。

- 气候资源优化：提出气候资源的合理利用方案，提高农业生产效率。

4. 农业生态环境保护：
- 生态农业：研究生态农业模式，减少农业活动对大气环境的负面影响。

- 环境监测：监测农业活动对大气环境的影响，提出改善措施。

5. 农业小气候调控：
- 小气候改善：通过调整作物布局、灌溉、施肥等措施，改善农田小气候。

- 生长环境优化：利用小气候原理，为作物创造最佳生长环境。

四、农业气象学的发展趋势
1. 全球气候变化对农业影响的研究：
- 气候变化趋势：研究全球气候变化趋势及其对农业生产的影响。

- 适应性研究：探讨农业生产如何适应气候变化。

2. 农业气象灾害风险评价与防控：
- 风险评估：建立农业气象灾害风险评估体系。

- 防控技术：研发新的农业气象灾害防控技术。

3. 农业气象信息技术：
- 数据集成：整合多源数据，提高农业气象信息精度。

- 智能决策：利用大数据和人工智能技术，为农业生产提供智能决策支持。

4. 农业气象模型与模拟：
- 模型开发：开发更加精确的农业气象模型。

- 模拟应用：将模型应用于农业生产实际，提高预报准确率。

5. 农业生态环境保护与修复：
- 生态修复：研究农业生态环境的修复技术。

- 持续发展：探索农业与生态环境协调发展的途径。

第二章大气概述
一、大气的组成
1. 气体成分：
- 氮气（N2）：占大气体积的78.08%，是大气中含量最多的气体。

氮气在农业中是植物蛋白质合成的重要元素，但植物通常无法直接利用大气中的氮气，需要通过固氮作用或氮肥来获取。

- 氧气（O2）：占大气体积的20.95%，对生物的呼吸作用和燃烧过程至关重要。

植物通过光合作用释放氧气，而动物和人类则依赖氧气进行呼吸。

- 氩气（Ar）：占大气体积的0.93%，是一种惰性气体，对农业直接影响较小。

- 二氧化碳（CO2）：占大气体积的0.04%，是植物光合作用的原料，对
温室效应和全球气候变化有重要影响。

- 其他气体：包括氖（Ne）、氦（He）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）等，含量较少，但对大气化学和气候变化有重要作用。

例如，甲烷是一种强效温室气体，而臭氧在对流层中对植物有害。

2. 液体和固体成分：
- 水汽：大气中的水汽含量变化较大，对天气和气候有显著影响。

水汽是云和降水形成的基础，对农作物的蒸腾和土壤湿度有直接影响。

- 微粒：包括尘埃、花粉、海盐晶体等，可以影响大气能见度和辐射传输。

这些微粒还可以作为凝结核，影响降水的形成。

二、大气的结构
1. 大气层划分：
- 对流层：最低层，高度约为0-12公里，集中了大部分的水汽和天气现象。

对流层的温度随高度增加而下降，因为地面是大气的主要热源。

- 平流层：位于对流层之上，高度约为12-50公里，臭氧层主要分布在这一层。

平流层的温度随高度增加而上升，因为臭氧吸收太阳紫外线产生热量。

- 中间层：位于平流层之上，高度约为50-85公里，温度随高度增加而下降。

中间层的空气非常稀薄，对农业影响较小。

- 热层（热成层）：位于中间层之上，高度约为85-600公里，温度随高度增加而上升。

热层的空气密度极低，对农业无直接影响。

- 外层大气（外逸层）：最外层，高度超过600公里，气体极为稀薄，几乎与太空环境相接。

2. 大气层的特性：
- 温度变化：对流层的温度下降率约为每上升100米降低0.65°C。

平流层的温度上升是因为臭氧吸收紫外线。

- 压力变化：大气压力随高度增加而减小，这是因为随着高度增加，大气柱的重量减少。

- 密度变化：大气密度随高度增加而减小，因为压力和温度都随高度降低。

三、大气的基本特性
1. 稀薄性：大气相对于地球表面来说是稀薄的，其密度随高度增加而减小，这对飞行器和气象探测器的设计有重要意义。

2. 混合性：大气中的气体成分混合均匀，但水汽和微粒分布不均，这导致了不同地区和不同高度的气候差异。

3. 压力：大气压力是气体分子撞击地面产生的力，随高度增加而减小，这对农作物的生长和发育有影响。

4. 温度：大气温度受太阳辐射、地球表面热量交换和大气本身的物理特性影响，是决定天气和气候的关键因素。

5. 折射：大气层密度的不均匀会导致光线折射，影响天文观测和遥感技术的准确性。

四、大气静力学基础
1. 大气压力：
- 定义：单位面积上垂直于该面积的大气柱的重量。

- 测量：使用气压计测量大气压力，单位为百帕（hPa）或毫巴（mb）。

2. 大气压力随高度的变化：
- 压力递减率：在理想情况下，大气压力随高度增加而呈指数递减，这被称为气压递减率或气压高度公式。

3. 重力位势：
- 位势高度：考虑地球自转和大气压力的影响，定义的一种高度度量，用于天气预报和气象分析。

五、大气与农业
1. 气象条件对作物生长的影响：
- 温度：影响作物的生长发育速度和生育期。

不同作物对温度的适应性不同，因此温度是决定作物种植区域的关键因素。

- 降水：影响作物的水分供应和土壤湿度。

降水不足会导致干旱，过多则可能导致洪涝和病害。

- 光照：影响作物的光合作用和能量转换。

光照不足会影响作物的生长发育，而过度光照可能导致日灼和光合作用效率降低。

- 风速：影响作物的蒸腾作用和形态建成。

适当的风速有助于作物散热
和减少病虫害，但强风可能造成作物倒伏或损伤。

2. 气象灾害对农业的影响：
- 干旱：导致作物减产或死亡。

干旱会严重影响土壤水分，降低土壤肥力，影响作物根系对水分和养分的吸收。

- 洪涝：造成作物浸泡，影响根系呼吸和土壤结构，可能导致作物死亡或减产。

- 霜冻：损害作物幼嫩部分，影响产量和品质。

霜冻通常发生在春末或秋初，对农作物的花期和果实形成期影响尤为严重。

- 高温热浪：导致作物生长受阻，甚至死亡。

高温会加速土壤水分蒸发，增加作物蒸腾作用，导致水分胁迫。

3. 气象因素对农业生产的综合影响：
- 气候变化：全球气候变化导致极端天气事件增多，对农业生产造成不稳定影响。

- 气象预报：准确的气象预报有助于农民合理安排农事活动，如播种、施肥、灌溉和收获。

- 气象服务：农业气象服务为农民提供作物生长期间的气象信息，帮助农民做出最佳管理决策。

第三章辐射
一、辐射的基本知识
1. 辐射的定义：
辐射是指能量以电磁波的形式传播的过程。

在地球-大气系统中，辐射是能量交换的主要方式之一，它对气候、天气和生态系统都有着深远的影响。

2. 辐射的类型：
- 太阳辐射：来自太阳的辐射，包括可见光、紫外线和红外线。

太阳辐射是地球上所有生命活动的能量源泉。

- 地球辐射：地球表面向外太空发出的辐射，主要是红外线。

地球辐射反映了地球的热状态。

3. 辐射的波长和频率：
- 波长：辐射波长的范围很广，从紫外线的短波长（0.1-0.4微米）到红
外线的长波长（0.7-100微米）。

- 频率：辐射的频率与波长成反比，频率越高，波长越短。

不同波长的辐射具有不同的能量和穿透能力。

二、日地关系及季节形成
1. 日地距离对辐射的影响：
- 地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的，因此日地距离会发生变化，但这对太阳辐射总量的影响相对较小，因为太阳辐射强度的变化主要受太阳高度角的影响。

2. 地轴倾斜与季节变化：
- 地轴与地球公转轨道平面的倾斜角度约为23.5度，这一倾斜导致太阳直射点在南北回归线之间移动，从而形成四季更替。

- 不同纬度在不同季节接收到的太阳辐射量不同，导致季节性气候变化。

3. 昼夜长短与季节：
- 地轴倾斜还导致不同纬度地区的昼夜长短随季节变化，这对地表的能量平衡和生物活动有重要影响。

三、太阳辐射及其在大气中的减弱
1. 太阳辐射的组成：
- 可见光：约占太阳辐射总能量的50%，是植物光合作用的主要能量来源，也是人类视觉感知的主要部分。

- 紫外线：约占总能量的7%，对生物体有较强的穿透力和化学作用，过量紫外线可导致皮肤癌等健康问题。

- 红外线：约占总能量的43%，主要携带热能，对地球的温度分布有重要影响。

2. 大气对太阳辐射的吸收和散射：
- 吸收：大气中的气体（如水汽、臭氧、二氧化碳）和微粒会吸收特定波长的太阳辐射，转化为热能。

- 散射：大气分子和微粒会将太阳辐射散射到不同方向，导致天空亮度增加，这种现象在太阳接近地平线时尤为明显。

3. 辐射减弱的原因：
- 大气厚度：随着大气厚度的增加，辐射衰减越严重。

- 观测角度：太阳高度角较低时，辐射通过大气层的路径较长，减弱作用更明显。

- 气溶胶和云量：气溶胶颗粒和云层会吸收和散射太阳辐射，减少到达地面的辐射量。

四、到达地面的太阳辐射
1. 直接辐射：
- 指太阳辐射未经大气散射和吸收，直接到达地面的部分。

直接辐射的强度受太阳高度角、大气透明度和云量的影响。

2. 散射辐射：
- 指太阳辐射被大气散射后到达地面的部分。

散射辐射使得地面在阴天或太阳高度角较低时也能接收到一定的太阳辐射。

3. 总辐射：
- 直接辐射和散射辐射之和，是地面接收到的太阳辐射总量。

总辐射是影响地表温度和生物活动的重要因素。

五、地球辐射
1. 地球辐射的来源：
- 地球表面吸收太阳辐射后，转化为热能，再以红外线的形式向外辐射。

地球辐射是地球-大气系统热量平衡的重要组成部分。

2. 地球辐射的波长：
- 主要是红外线，波长范围在3μm到100μm之间，其中8μm到12μm的波长范围是地球辐射最强的部分。

3. 地球辐射的影响因素：
- 地表温度：温度越高，辐射强度越大。

- 地表特性：不同地表类型（如水体、植被、土壤）对辐射的吸收和反射能力不同，影响地表的辐射特性。

六、辐射与植物生活
1. 光合作用：
- 植物通过光合作用利用太阳辐射中的可见光能量合成有机物，是植物
生长发育和能量供应的基础。

2. 光周期反应：
- 植物的开花、休眠等生理活动受光周期的影响。

光周期反应是植物对昼夜长短变化的适应机制。

3. 辐射对植物生长的影响：
- 辐射强度和持续时间影响植物的生长速度、叶片结构和光合产物的积累。

- 过度或不足的辐射都可能对植物造成胁迫，影响其正常生长。

第四章温度
一、热传递方式与热特性
1. 热传递方式：
- 传导：热量通过物体内部粒子的碰撞传递。

传导是固体物质中最常见的热传递方式，例如金属的热传导率很高，是传导热量的良好材料。

- 对流：热量通过流体（气体或液体）的流动传递。

对流分为自然对流和强制对流，自然对流是由于流体密度差异引起的，而强制对流则是由于外力（如风扇、泵等）引起的。

- 辐射：热量通过电磁波的形式传递。

辐射是所有物体都会进行的一种热传递方式，不受介质限制，可以在真空中传播。

2. 热特性：
- 比热容：物质单位质量在单位温度变化下吸收或释放的热量。

比热容是衡量物质热稳定性的一个重要指标，水的比热容较大，因此具有较好的热调节能力。

- 热传导率：物质单位面积在单位时间内通过单位厚度的热量。

热传导率是衡量物质传导热量的能力，金属的热传导率较高，而空气的热传导率较低。

- 热对流率：流体在单位时间内通过单位面积的热量。

热对流率受流体的性质（如密度、粘度等）和流动条件（如速度、温度差等）的影响。

二、土壤温度
1. 土壤温度的变化：
- 土壤温度受季节、地理位置、植被覆盖和水分状况等因素的影响。

不
同地区的土壤温度变化规律不同，例如，热带地区的土壤温度变化较为平缓，而温带地区的土壤温度变化则较为明显。

- 土壤温度变化具有明显的日变化和季节变化规律。

白天，土壤受太阳辐射加热，温度升高；夜晚，土壤散热，温度降低。

季节变化则与气候和土壤类型有关。

2. 土壤温度的测量：
- 土壤温度计：用于测量土壤表层和深层温度。

土壤温度计通常为热电偶或电阻式温度传感器，可以直接插入土壤中进行测量。

- 土壤温度传感器：安装在土壤中，用于长期监测土壤温度变化。

土壤温度传感器可以实时监测土壤温度，为农业生产和科研提供数据支持。

三、水体温度
1. 水体温度的变化：
- 水体温度受季节、地理位置、水深和水质等因素的影响。

不同类型的水体（如河流、湖泊、海洋等）和不同深度的水体，其温度变化规律不同。

- 水体温度变化具有明显的日变化和季节变化规律。

白天，水体受太阳辐射加热，温度升高；夜晚，水体散热，温度降低。

季节变化则与气候和地理位置有关。

2. 水体温度的测量：
- 水温计：用于测量水体表层和深层温度。

水温计可以是机械式、电子式或光纤式，可以直接插入水体中进行测量。

- 水温传感器：安装在水体中，用于长期监测水体温度变化。

水温传感器可以实时监测水体温度，为渔业养殖、水环境监测等提供数据支持。

四、低层大气温度的变化
1. 低层大气温度分布：
- 对流层：温度随高度增加而降低。

对流层是地球大气层中温度随高度变化最明显的部分，其厚度约为0-12公里。

- 平流层：温度随高度增加而升高。

平流层位于对流层之上，其温度随高度增加而升高，主要原因是臭氧吸收太阳辐射中的紫外线而产生的热量。

2. 低层大气温度变化规律：
- 白天：地表受太阳辐射加热，温度升高，热量向上传递，形成热对流。

随着高度的增加，温度逐渐降低。

- 夜晚：地表散热，温度降低，热量向下传递，形成冷对流。

随着高度的增加，温度逐渐升高。

五、空气绝热变化及稳定度
1. 空气绝热变化：
- 绝热过程：空气在无外力作用下，温度和压力随高度变化的过程。

绝热过程是指空气在无热交换的情况下，温度随高度变化的规律。

- 绝热增热：空气上升过程中，由于气压降低，空气体积膨胀，密度减小，温度升高。

绝热增热是由于空气在上升过程中，压力减小，体积膨胀，从而导致温度升高。

- 绝热减热：空气下降过程中，由于气压增加，空气体积收缩，密度增大，温度降低。

绝热减热是由于空气在下降过程中，压力增加，体积收缩，从而导致温度降低。

2. 稳定度：
- 温度直减率：大气中温度随高度的变化率。

温度直减率是衡量大气稳定度的指标，温度直减率越大，大气越稳定；温度直减率越小，大气越不稳定。

- 稳定度等级：根据温度直减率判断大气稳定度，分为不稳定、中性、稳定三种。

不稳定大气是指温度直减率大于标准直减率的大气，中性大气是指温度直减率等于标准直减率的大气，稳定大气是指温度直减率小于标准直减率的大气。

六、温度和植物
1. 植物生长的温度范围：
- 不同植物对温度的适应性不同，有最低生长温度和最高生长温度。

温度低于最低生长温度时，植物无法正常生长；温度高于最高生长温度时，植物生长受到抑制，甚至死亡。

2. 温度对植物生长发育的影响：
- 温度影响植物的光合作用、呼吸作用、水分平衡等生理过程。

光合作用是植物生长的重要过程，温度过高或过低都会影响光合作用的进行，从而影响
植物的生长和发育。

- 温度还影响植物的形态建成和生殖器官的形成。

温度过高或过低都会影响植物的生长发育，甚至导致植物死亡。

第五章水分
一、水的相态变化
1. 水的相态：
- 固态：冰
- 液态：水
- 气态：水蒸气
2. 相变过程：
- 凝固：液态水转化为固态冰，这是一个放热过程。

- 熔化：固态冰转化为液态水，这是一个吸热过程。

- 蒸发：液态水转化为气态水蒸气，这是一个吸热过程。

- 凝结：气态水蒸气转化为液态水，这是一个放热过程。

- 升华：固态冰直接转化为气态水蒸气，这是一个吸热过程。

- 凝华：气态水蒸气直接转化为固态冰，这是一个放热过程。

二、空气湿度及时空变化规律
1. 空气湿度：
- 绝对湿度：单位体积空气中所含水蒸气的质量，单位通常为克/立方米。

- 相对湿度：单位体积空气中所含水蒸气的质量与该温度下饱和水蒸气质量之比，通常以百分比表示。

2. 空气湿度的影响因素：
- 温度：温度越高，空气所能容纳的水蒸气量越大，相对湿度可能越低。

- 气压：气压越高，空气所能容纳的水蒸气量越大，相对湿度可能越高。

- 水汽来源：地表蒸发、植物蒸腾等。

3. 空气湿度的时空变化规律：
- 季节变化：夏季湿度较大，冬季湿度较小。

- 地域差异：沿海地区湿度较大，内陆地区湿度较小。

- 日变化：白天湿度较大，夜晚湿度较小。

三、蒸发和蒸腾
1. 蒸发：
- 定义：水分从液态或固态转化为气态的过程。

- 类型：水面蒸发、土壤蒸发、植物蒸腾等。

2. 蒸腾：
- 定义：植物通过叶片气孔释放水蒸气的过程。

- 影响因素：光照强度、温度、湿度、风速等。

四、水汽凝结与大气降水
1. 水汽凝结：
- 定义：水汽从气态转化为液态或固态的过程。

- 类型：露、霜、雾、云等。

2. 大气降水：
- 定义：大气中的水汽凝结后，以降水的形式落到地面。

- 类型：雨、雪、冰雹等。

五、水分循环和水量平衡
1. 水分循环：
- 定义：水在地球表面和大气中的循环过程。

- 途径：蒸发、凝结、降水、径流等。

2. 水量平衡：
- 定义：某一地区或生态系统在一定时间内水分收入与支出之间的平衡。

- 影响因素：降水量、蒸发量、径流量等。

六、水分与农业
1. 水分对作物生长的影响：
- 水分是作物生长的重要因素，影响作物的生长发育和产量。

- 水分过多或过少都会对作物生长产生不利影响。

2. 水分管理：
- 灌溉：根据作物需水量和土壤水分状况进行灌溉。

- 排水：及时排除土壤多余水分，防止作物根系缺氧。

- 保墒：采取措施减少土壤水分的蒸发和流失。

第六章气压场和风
一、气压场
1. 气压场的定义：
- 气压场是指地球表面各点的大气压力分布情况。

气压场的形成受到地球表面温度分布、大气质量分布以及地球自转等因素的影响。

2. 气压场的形成：
- 气压场的形成受多种因素影响，包括太阳辐射、地球自转、地球形状等。

太阳辐射导致地球表面温度分布不均匀，进而影响大气压力分布。

地球自转产生的科里奥利力也会影响大气压力场的形成。

3. 气压场的分布规律：
- 气压场的分布具有一定的规律性，主要表现为气压带和风带的形成。

地球表面温度分布不均匀导致气压带的形成，而地球自转产生的科里奥利力则导致风带的形成。

二、空气的水平运动—风
1. 风的定义：
- 风是指空气的水平运动，是地球表面气压场分布不均匀的结果。

风可以分为水平风和垂直风，水平风是本章的重点内容。

2. 风的形成：
- 风的形成受气压场的分布和地球自转的影响。

气压场的不均匀分布导致风的形成，而地球自转产生的科里奥利力则决定了风的方向。

3. 风的方向和速度：
- 风的方向：受气压场分布和地球自转的影响，具有明显的规律性。

例如，在北半球，高压区的风通常从高压中心向外吹，而在南半球则相反。

- 风的速度：受气压场分布和地形等因素的影响，具有明显的时空变化。

风速可以受到地形障碍物的阻挡，产生风速的变化。

三、大气环流及气压带和风带
1. 大气环流的定义：
- 大气环流是指地球表面大气运动的总体情况，包括对流层和平流层的大气运动。

大气环流是地球表面气压场分布不均匀的结果，它影响着全球的气候。