用P-G-D圖表研究中國(guó)光氣候狀況

何 滎,林 勇

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院,重慶400045)

在能源日趨緊張的今天,充分利用天然光,追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展,節(jié)約照明用電,具有十分重要的意義。而要充分利用天然光,就應(yīng)了解當(dāng)?shù)氐墓鈿夂驙顩r,所謂光氣候,就是由太陽(yáng)直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均狀況[1]。

影響室外地面照度的因素主要有太陽(yáng)高度、云狀、云量、日照率(太陽(yáng)出現(xiàn)時(shí)數(shù)和可能出現(xiàn)時(shí)數(shù)之比)等。中國(guó)地域遼闊,同一時(shí)刻南北方的太陽(yáng)高度、云狀、云量及日照率相差很大,因此各地光氣候有很大區(qū)別,為了反映光氣候差別,科研工作者通過(guò)各地區(qū)的輻射光當(dāng)量值與當(dāng)?shù)囟嗄耆蛰椛溆^測(cè)值換算出該地區(qū)的照度資料[2],利用這種方法從全國(guó)135個(gè)點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)中繪制出年平均總照度分布圖,見圖1。由圖可見西北廣闊高原地區(qū)氣候狀況晴天室外年平均總照度值(從日出后0.5 h到日落前0.5 h全年日平均值)高達(dá)31.46 k lx;而四川盆地及東北北部地區(qū)則只有21.18 klx,兩者相差高達(dá)50%。因此根據(jù)室外天然光年平均總照度值大小將全國(guó)劃分為Ⅰ～Ⅴ類光氣候區(qū)。再根據(jù)光氣候特點(diǎn),按年平均總照度值確定分區(qū)系數(shù)進(jìn)行修正。

除了利用年平均總照度值作為光氣候的主要參考指標(biāo)外,相關(guān)研究工作者也對(duì)光氣候進(jìn)行了深入的研究[3-5]。尤其是近年來(lái),隨著科技的進(jìn)步,部分科研工作者也開始使用衛(wèi)星圖像[6]及GIS[7]等先進(jìn)技術(shù)手段研究天然光,同時(shí)對(duì)天然光的觀測(cè)[8-9]與分析[10]進(jìn)行深入的研究,這都為天然光的模擬與預(yù)測(cè)提供了更為準(zhǔn)確的手段。

圖1 中國(guó)年平均總照度分布圖

目前中國(guó)光氣候描述的主要指標(biāo)是年平均總照度,盡管年平均總照度分布圖能直觀的了解中國(guó)各地天然光年平均總照度的大致分布,但由于采光是不穩(wěn)定的,僅由天然光平均總照度一項(xiàng)參數(shù)是無(wú)法反映出太陽(yáng)直射光、天空漫射光和地面反射光之間的關(guān)系,也就是說(shuō)平均總照度相近的地區(qū)其光氣候狀況可能是差別很大的,目前可以采用由Kittler等提出的P-G-D圖表[11]研究太陽(yáng)直射光、地面總照度及天空漫射光之間的關(guān)系,P-G-D圖表是一種直觀簡(jiǎn)便而又能描述多參數(shù)的方法。該文將利用P-G-D圖表研究中國(guó)的光氣候狀況。

1 P-G-D圖表介紹

目前常用P-G-D圖表[11]來(lái)比較不同位置或在一個(gè)特定季節(jié)或時(shí)期的具有代表性自然條件的光氣候。P-G-D圖表利用觀測(cè)到的直射光照度P v、地面總照度G v、漫射光照度D v及大氣層外水平照度值E v來(lái)分析光氣候,其中直射光照度P v、地面總照度G v、漫射光照度D v均與大氣層外水平照度值E v同時(shí)相關(guān)聯(lián),并且P v、G v及D v這些光氣候組成因素均來(lái)源于E v。因此采用 P v/E v、G v/E v及 D v/E v比較具有同樣傾斜度的2個(gè)表面(其中1個(gè)在地面,另1個(gè)在大氣層上表面)的方法是合理的,這種比較方法常用于采光標(biāo)準(zhǔn)化概念。在相應(yīng)的采光理論中,水平照度比率參數(shù)(如采光系數(shù))被接受并廣泛采用。當(dāng)然,如果 γs=0°時(shí),同樣Ev=0,這是測(cè)試面平行于太陽(yáng)光束時(shí)的例子,這在理論上是真實(shí)合理的。因此地面和大氣層外照度的比率也是光氣候研究的最佳參數(shù)選擇之一[11]。

P-G-D圖表能直觀的反映光氣候狀況,其坐標(biāo)軸及對(duì)角線表示的氣象參量分別為：垂直坐標(biāo)軸Dv/Ev反映了天空漫射光強(qiáng)度的變化情況;水平坐標(biāo)軸P v/E v從左到右反映了直射太陽(yáng)光的穿透情況;對(duì)角線G v/E v反映了光氣候的整體能效;對(duì)角線D v/G v反映了漫射照度與地面照度之間的關(guān)系。

從以上描述可以看出,盡管P-G-D圖表還存在不能反映太陽(yáng)高度角帶來(lái)的影響,不能顯示D v/E v與相聯(lián)系的天空模式等缺陷,但P-G-D圖表的各項(xiàng)參數(shù)仍能較好的描述光氣候狀況。因此該研究方法仍然被廣泛地采用。

2 用P-G-D圖表研究中國(guó)光氣候

2.1 數(shù)據(jù)的獲取

由于天然光觀測(cè)周期長(zhǎng),且現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)氣象觀測(cè)站不觀測(cè)天然光數(shù)據(jù),因此,要想獲得中國(guó)典型光氣候區(qū)的光氣候數(shù)據(jù),就必須在各典型光氣候區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期的天然光數(shù)據(jù)觀察,這需要花費(fèi)巨大的財(cái)力和物力,這在當(dāng)今是很難實(shí)現(xiàn)的。

為了研究中國(guó)光氣候狀況,中國(guó)建筑科學(xué)研究院與國(guó)家氣象局共同組織了全國(guó)14個(gè)典型光氣候觀測(cè)區(qū)連續(xù)2 a(1983-1984)的大規(guī)模光氣候觀測(cè);在此之后,中國(guó)再未進(jìn)行過(guò)全國(guó)性光氣候的觀測(cè)研究;而一個(gè)地區(qū)的光氣候是由當(dāng)?shù)貧夂蛱卣魉鶝Q定,且一個(gè)地區(qū)的氣候特征在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的,因此,該階段的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)仍然能反映出中國(guó)現(xiàn)階段的光氣候特征變化狀況。

為了研究太陽(yáng)直射光、天空漫射光及地面總照度之間的關(guān)系,利用上述數(shù)據(jù)中的1984年中國(guó)12個(gè)典型光氣候區(qū)(上海、重慶、廣州、長(zhǎng)沙、二連、烏魯木齊、西寧、西安、昆明、福州、黑河、長(zhǎng)春)光氣候觀測(cè)站全年測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)為間隔30 min的數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn))進(jìn)行研究。這12個(gè)典型光氣候區(qū)分別代表了中國(guó)東北、西北、華東、華南及西南地區(qū)的典型光氣候區(qū),測(cè)試的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)按照CIE(國(guó)際照明委員會(huì))關(guān)于采光測(cè)量的技術(shù)要求進(jìn)行驗(yàn)證篩選,數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

從上述數(shù)據(jù)庫(kù)中提取直接測(cè)量得到的P v、G v及Dv測(cè)試值[12],G v與P v和D v之間有如下關(guān)系：

而與大氣層外邊界水平輻射相類似的大氣層外水平照度值E v通常通過(guò)計(jì)算得到：

式中太陽(yáng)照度常數(shù)為E v0=133 800 lx。

太陽(yáng)常數(shù) ∈都需要通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的橢圓修正公式來(lái)進(jìn)行日期修正：

式中J是一年中的天數(shù),也就是J(1月1號(hào))到J=365或366(12月31號(hào)),γs是特定地點(diǎn)和時(shí)間的太陽(yáng)高度角,取決于地理緯度φ,當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí) H及日偏角δ。通常其三角函數(shù)表示如下：

式中日偏角δ通過(guò)一年中的天數(shù)τ來(lái)表示,通常使用如下公式：

其中τ為時(shí)角,τ=2π(J-1)/365

因此利用上述計(jì)算公式對(duì)1984年12個(gè)城市全年中各個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的大氣層外水平照度值Ev進(jìn)行計(jì)算,并以 Ev為分母分別求出相應(yīng)的P v/E v、G v/E v及D v/E v值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)獲取的12個(gè)城市的P v、G v及D v全年測(cè)試數(shù)據(jù)利用orgin軟件,采用P-G-D圖表法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果繪制于圖2。

圖2 部分城市P-G-D圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

在P-G-D圖表中,P v/E v反映了太陽(yáng)光穿透情況,由圖2中可見上海、長(zhǎng)春、二連、黑河、烏魯木齊、西寧、西安等城市的直射光強(qiáng)度較強(qiáng),直射光出現(xiàn)概率在全年中所占的比例較多,這也表明這些地區(qū)一年中的晴天天氣較多,由北、西北往東南方向逐漸減少。反之可明顯的看出,重慶、長(zhǎng)沙一年中出現(xiàn)晴天天氣的概率就大大少于以上這些城市。這也說(shuō)明了重慶、長(zhǎng)沙一年中陰天相對(duì)較多,而以重慶為最多。因此,相應(yīng)的年平均總照度值也不會(huì)太高,從圖1中也可看出這些地區(qū)的室外年平均總照度值也印證了這點(diǎn)。

D v/E v值反映了天空漫射光強(qiáng)度的變化情況,當(dāng)P v/E v較小時(shí),D v/E v值主要表達(dá)了云的影響,圖2中可見重慶、上海、廣州、長(zhǎng)沙及福州的在全年中有較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在靠近縱坐標(biāo)軸區(qū)域,且D v/E v值較小的位置處,這說(shuō)明上述這些地區(qū)全年中全云天或多云天氣占有較大的比例。大致可認(rèn)為二連、黑河、西寧、西安、烏魯木齊、昆明、長(zhǎng)春云量較少,這與氣象觀測(cè)到云量,是自北向南逐漸增多,華北、東北少,長(zhǎng)江中下游較多,華南最多,四川盆地特多的情況相符合。

對(duì)角線G v/E v值反映了光氣候的整體能效,G v/E v越低的光氣候能效也就越低,值得注意的是在有云天的氣候狀況下,G v/E v值能接近100%極限值,有時(shí)甚至?xí)?00%。這說(shuō)明在某些氣候狀況下,地面特定的水平位置上,太陽(yáng)光和天空光組合在一起的相加值超過(guò)了大氣層邊界外的水平照度值。這些較少發(fā)生的情況是有利于反射和散射特性的云所形成,當(dāng)在低太陽(yáng)高度角時(shí),漫射光所占的比例會(huì)升至超過(guò)0.5[12],而從其它臨近位置反射到測(cè)量點(diǎn)的太陽(yáng)光和由云層反射的天空光所形成的附加光都會(huì)大大增強(qiáng)地面總照度G v,甚至?xí)^(guò)大氣層外水平照度值E v。因此CIE關(guān)于IDMP(國(guó)際采光年計(jì)劃)的推薦指南中[13],采用了G v/E v=1.2作為邊界線標(biāo)準(zhǔn),即認(rèn)為G v/E v≤1.2的光氣候數(shù)值符合要求。圖2中可以看出各城市的光氣候整體能效,而其中重慶、上海、廣州及長(zhǎng)沙地區(qū)光氣候整體能效較低。而二連、烏魯木齊、西寧等城市整體能效相對(duì)較高,部分時(shí)間的整體能效甚至超過(guò)100%,這也說(shuō)明這些時(shí)間中云以高云為主,反射能力較強(qiáng),這也與北方及西北的氣候狀況相適應(yīng)。

對(duì)角線D v/G v反映了漫射光在地面總照度中所占的比例,該參量表示了天空漫射光強(qiáng)度的變化情況,主要表達(dá)了太陽(yáng)的遮擋狀況及大氣透明度的影響,測(cè)試數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的Dv/Gv數(shù)值越大,表明漫射光在總照度中所占的比例越大,相應(yīng)的直射光所占的比例也就越低。D v/G v越小說(shuō)明直射陽(yáng)光越強(qiáng),從圖2中可以看出,黑河、二連、烏魯木齊、長(zhǎng)春、西寧及昆明等地方的直射光強(qiáng)的天數(shù)在全年中占有較大的比例,這些地方以北方及西北為主,而重慶、長(zhǎng)沙等城市直射光最弱,其它城市居中,這也與中國(guó)的光氣候分區(qū)基本一致。

除了對(duì)全年的氣候分析之外,還可以單獨(dú)對(duì)測(cè)試光氣候區(qū)每月的光氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,比較該光氣候區(qū)每月的氣候變化狀況;也可針對(duì)不同光氣候區(qū)相同的時(shí)段進(jìn)行比較分析,比較不同光氣候區(qū)氣候變化狀況。從而根據(jù)不同地區(qū)光氣候差異,提供不同的采光技術(shù)手段,達(dá)到采光節(jié)能的目的。

3 結(jié) 論

通過(guò)利用P-G-D圖表對(duì)中國(guó)典型氣候區(qū)光氣候研究分析,可以得到如下結(jié)論：

1)中國(guó)太陽(yáng)直射光所占地面總照度的比例由北、西北往東南方向逐漸減少,而以重慶一帶為最低。天空漫射光所占地面總照度的比例由北向南逐漸增多,東北少,上海地區(qū)較多,廣州地區(qū)最多,重慶地區(qū)特多。即南方以天空漫射光照度較大,北方和西北以太陽(yáng)直射光為主。

2)P-G-D圖表為比較不同位置或在一個(gè)特定季節(jié)或時(shí)期的具有代表性自然條件的光氣候提供了強(qiáng)有力的手段。P-G-D圖表可以直觀的表示出光氣候各組成因素的相關(guān)關(guān)系,為采光節(jié)能研究分析提供了依據(jù)與參考。

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