計算橋址有雨天氣輻射的方法

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510641)

一、引言

太陽輻射是生態(tài)系統(tǒng)生命過程的基本能量來源，同時，輻射值也是影響橋梁溫度場的一個重要因素，橋梁結(jié)構(gòu)暴露在大氣中會受到太陽輻射和外界氣溫顯著影響[1][2]。因此太陽輻射強(qiáng)度被認(rèn)為是影響橋梁結(jié)構(gòu)溫度場最主要的外在因素之一[3][4]，在橋梁結(jié)構(gòu)的日照效應(yīng)研究中，模型的熱力學(xué)邊界主要與環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度、材料熱工性能等因素有關(guān)，同時太陽輻射強(qiáng)度也直接影響環(huán)境溫度。因此，太陽輻射數(shù)據(jù)精確與否直接影響最終計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以往一般采用經(jīng)驗公式進(jìn)行數(shù)值計算或通過理論分析進(jìn)行空間插值來獲得空間連續(xù)的太陽輻射分布[4][5][6]，但由于：1、目前對太陽輻射的經(jīng)驗公式計算方法均建立在晴朗無云的天氣狀態(tài)下，無法實現(xiàn)多氣候下的橋梁溫度連續(xù)分析。2、太陽輻射值的共享數(shù)據(jù)具有明顯滯后性。因此為獲得準(zhǔn)確及時的輻射值，必須探索太陽輻射值計算新途徑。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，氣象衛(wèi)星以較高的空間和時間分辨率優(yōu)勢脫穎而出，實時提供覆蓋全球、均勻一致的資料，為估算任意區(qū)域的太陽輻射提供了新的途徑[8][9]。

二、輻射值的基本理論

衛(wèi)星探測技術(shù)逐步提高為估算任意區(qū)域多種天氣狀況下的太陽輻射提供了新的途徑，利用衛(wèi)星可獲得多氣候?qū)崟r觀測資料，逐漸發(fā)展了利用衛(wèi)星資料估算地表輻射的方法。衛(wèi)星遙感解決了地面站點稀疏、輻射數(shù)據(jù)滯后等問題，能實現(xiàn)對多氣象條件下的實時連續(xù)分析，是研究區(qū)域地表輻射通量的可行手段。

(一)天文因子對輻射的作用

影響地氣系統(tǒng)輻射平衡最主要的天文因子為太陽傾角、太陽高度角、日地距離以及研究地點的地理緯度體現(xiàn)的，它們決定了不同地區(qū)太陽輻射到達(dá)量的差異。

由朗伯定律可知，水平地表上的太陽輻照度I(天文輻照度)與太陽高度角的正弦h或太陽天頂距Z的余弦成正比。

地表凈輻射也與緯度相關(guān)，緯度越低時地表吸輻射多于放射，處于熱量盈余狀態(tài)，緯度越高，地表吸輻射少于放出輻射，熱量虧損。

天文地理因素還對地表輻射狀況產(chǎn)生間接效應(yīng)，主要通過改變下墊面特征(如冰雪、植被)對輻射平衡產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致地表反射率的改變。

(二)大氣因子對輻射的影響

諸多大氣因子(諸如云量、水汽以及氣溶膠質(zhì)粒)都會顯著影響太陽輻射在大氣中傳播，太陽輻射通常因大氣因子的散射和吸收而削弱。單一因子的變化往往無法完全解釋地面太陽輻射的變化。不同時間尺度、不同區(qū)域各因子的影響程度也是不相同的。另外，諸如云量、水汽以及氣溶膠質(zhì)粒因子本身之間常不是相互獨立的，使得輻射的影響因子更加復(fù)雜化。

(三)衛(wèi)星觀測到的地氣系統(tǒng)輻射

在地氣系統(tǒng)中的各個輻射過程十分復(fù)雜，它涉及到各輻射源的特性和物質(zhì)、氣體的吸收、發(fā)射、透射、目標(biāo)物反射、粒子的散射和透射等諸多方面的特性。地氣系統(tǒng)作為一個整體，它一方面要接受入射的太陽輻射，另一方面又要反射太陽輻射和以其自身的溫度發(fā)射紅外輻射。在它的視場內(nèi)測量到的輻射主要有[10]:

1.地表、云層發(fā)出的紅外輻射;

2.大氣中吸收氣體發(fā)射的紅外輻射;

3.地面云面反射的大氣向下的紅外輻射;

4.地面云面反射的太陽輻射;

5.大氣分子、氣溶膠等對太陽輻射的散射輻射。

三、用衛(wèi)星資料估算輻射收支

(一)數(shù)據(jù)和方法

1.衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集

本文所用的是風(fēng)云二號FY-2H衛(wèi)星資料，風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星(FY-2)是我國自行研制的第一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星。

FY-2衛(wèi)星有多個通道：VIS可見光通道，IR1紅外通道、IR2紅外通道、IR3紅外通道，其中因IR3通道對水汽敏感又稱為水汽通道，風(fēng)云二號FY-2H每半小時發(fā)送一次云圖資料。本文采用了2018年7月1日至2018年9月1日每日6點至18時(北京時間)的衛(wèi)星云圖，每個時次的衛(wèi)星云圖包括紅外l通道、紅外2通道、水汽通道和可見光通道共四個通道各一張。

對于衛(wèi)星的可見光通道(0.55-0.9μm)而言，地面、云面與衛(wèi)星通道接收到的輻射密切相關(guān)。衛(wèi)星云圖中隨物體反照率增長，圖片色調(diào)越接近于白色，反之，如果云圖色調(diào)越暗說明物體反照率較低。因此，物體的反照率與可見光云圖計數(shù)值存在對應(yīng)聯(lián)系。同時云的光學(xué)厚度和云滴有效半徑是決定云輻射特性的兩個重要因素，可見光通道與云光學(xué)厚度及粒子有效半徑同樣相關(guān)，可見光通道輻射率對云層光學(xué)厚度變化較敏感，隨云層光學(xué)厚度增加，輻射值率顯著增大。研究發(fā)現(xiàn)：相比于云粒子有效半徑，可見光通道對云光學(xué)厚度敏感性更高，常常用于反演云的光學(xué)厚度。同時光譜0.62-0.872μm也與大氣中氣溶膠厚度高度相關(guān)，因此引入衛(wèi)星的可見光通道(0.55-0.9μm)可同時考慮地面反照率、氣溶膠與云層厚度三個影響太陽輻射值的重要因素。

對于紅外窗區(qū)IR1通道(10.3-11.3μm)、IR2通道(10.5-12.5μm)而言，其紅外窗口衛(wèi)星通道輻射率接收到的輻射大小與云頂溫度成正相關(guān)：隨著云頂溫度的升高，衛(wèi)星接收到的數(shù)據(jù)增加，紅外衛(wèi)星云圖的色調(diào)也越暗。

因為地表不為黑體，所以不能將紅外窗區(qū)通道云圖視為實際溫度分布圖，其本質(zhì)為物體亮溫分布圖。因此，紅外窗口通道灰度級與物體的亮溫間存在特定對應(yīng)關(guān)系。在無云或少云的天氣時可通過紅外通道測得地面的亮度溫度分布圖,對于有云天氣，可通過紅外通道測得云面的亮度溫度分布圖，一般而言此時衛(wèi)星測值低于晴朗天氣。

對于水汽通道IR3(6.3-7.6μm)，衛(wèi)星在6.3-7.6μm通道對中層、高層對流層水汽含量十分敏感，IR3通道灰度值與水汽高度相關(guān)。

因此，可見光通道計數(shù)值與云層厚度、反照率、氣溶膠厚度相關(guān)；紅外IR1、IR2通道與云頂亮溫、地面亮溫相關(guān)；引入水汽通道計數(shù)值可考慮對流層中層、高層水汽對輻射值的影響。同時云層厚度、云面亮溫及水汽含量，氣溶膠厚度等氣象要素之間相互耦合，因此必須同時引入各通道計數(shù)值用于輻射值擬合。

2.地面輻射資料采集

地面輻射對比資料使用的是廣州華南理工亞熱帶實驗室自動氣象數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)，該資料的年月日與使用的衛(wèi)星資料的年月日相同，資料為每6時至18時(北京時間)整點資料。監(jiān)測內(nèi)容包括散射輻射、總輻射、氣壓、風(fēng)速、光照度、露點、降雨量等環(huán)境氣象信息。

(二)用衛(wèi)星資料估算有雨天氣總輻射、散射輻射的模式研究

根據(jù)前文理論，散射及總輻射與天頂角、云量、水汽、大氣透明度等高度相關(guān)，因此，本文針對2018年7月1日至2018年9月1日中有雨時刻，分別引入衛(wèi)星紅外通道計數(shù)值IR1、IR2、IR3、可見光通道計數(shù)值、太陽天頂角、大氣透明度、雨量七個因子進(jìn)行擬合，如下表所示。

表3-1 有雨天輻射擬合自變量定義

1.估算散射輻射模型

有雨天氣散射輻射

引入交叉項及因子平方項對各因子及真實輻射值進(jìn)行通用全局優(yōu)化算法，得到擬合公式如下，相關(guān)系數(shù)為0.873，調(diào)整R方為0.76。

(1-1)

2.估算總輻射模型

有雨天氣總輻射

引入交叉項及因子平方項對各因子及真實輻射值進(jìn)行通用全局優(yōu)化算法，得到擬合公式如下，相關(guān)系數(shù)為0.804，調(diào)整R方為0.65，說明。

(1-2)

四、結(jié)果分析和誤差

本文針對有雨天氣，分別使用不同的因子進(jìn)行擬合有雨天氣狀況下的總輻射和散射輻射，可以看出輻射擬合結(jié)果較好，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，彌補了以往瞬時輻射的經(jīng)驗公式只能用于晴天輻射計算的不足，可代替橋梁實測輻射值進(jìn)行橋梁溫度場研究。但是以上方法仍存在以下問題：

太陽輻射與云厚、云高、云種、云量都有密切關(guān)聯(lián)，本文僅引入衛(wèi)星計數(shù)值考慮云與輻射的關(guān)系，然而，低、中、高云對輻射的影響差別是很大的，特別是流云的出現(xiàn)會使天氣輻射情況更加復(fù)雜，因此，今后還應(yīng)詳細(xì)做好云的分類工作，更加深入研究不同云種，不同云高對太陽輻射的影響。