用P-G-D圖表研究中國光氣候狀況

何 滎,林 勇

(重慶大學 建筑城規學院,重慶400045)

在能源日趨緊張的今天,充分利用天然光,追求生態和可持續發展,節約照明用電,具有十分重要的意義。而要充分利用天然光,就應了解當地的光氣候狀況,所謂光氣候,就是由太陽直射光、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高度、云狀、云量、日照率(太陽出現時數和可能出現時數之比)等。中國地域遼闊,同一時刻南北方的太陽高度、云狀、云量及日照率相差很大,因此各地光氣候有很大區別,為了反映光氣候差別,科研工作者通過各地區的輻射光當量值與當地多年日輻射觀測值換算出該地區的照度資料[2],利用這種方法從全國135個點的照度數據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31.46 k lx;而四川盆地及東北北部地區則只有21.18 klx,兩者相差高達50%。因此根據室外天然光年平均總照度值大小將全國劃分為Ⅰ～Ⅴ類光氣候區。再根據光氣候特點,按年平均總照度值確定分區系數進行修正。

除了利用年平均總照度值作為光氣候的主要參考指標外,相關研究工作者也對光氣候進行了深入的研究[3-5]。尤其是近年來,隨著科技的進步,部分科研工作者也開始使用衛星圖像[6]及GIS[7]等先進技術手段研究天然光,同時對天然光的觀測[8-9]與分析[10]進行深入的研究,這都為天然光的模擬與預測提供了更為準確的手段。

圖1 中國年平均總照度分布圖

目前中國光氣候描述的主要指標是年平均總照度,盡管年平均總照度分布圖能直觀的了解中國各地天然光年平均總照度的大致分布,但由于采光是不穩定的,僅由天然光平均總照度一項參數是無法反映出太陽直射光、天空漫射光和地面反射光之間的關系,也就是說平均總照度相近的地區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]研究太陽直射光、地面總照度及天空漫射光之間的關系,P-G-D圖表是一種直觀簡便而又能描述多參數的方法。該文將利用P-G-D圖表研究中國的光氣候狀況。

1 P-G-D圖表介紹

目前常用P-G-D圖表[11]來比較不同位置或在一個特定季節或時期的具有代表性自然條件的光氣候。P-G-D圖表利用觀測到的直射光照度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同時相關聯,并且P v、G v及D v這些光氣候組成因素均來源于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個表面(其中1個在地面,另1個在大氣層上表面)的方法是合理的,這種比較方法常用于采光標準化概念。在相應的采光理論中,水平照度比率參數(如采光系數)被接受并廣泛采用。當然,如果 γs=0°時,同樣Ev=0,這是測試面平行于太陽光束時的例子,這在理論上是真實合理的。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選擇之一[11]。

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

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高度角帶來的影響,不能顯示D v/E v與相聯系的天空模式等缺陷,但P-G-D圖表的各項參數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圖表研究中國光氣候

2.1 數據的獲取

由于天然光觀測周期長,且現有標準氣象觀測站不觀測天然光數據,因此,要想獲得中國典型光氣候區的光氣候數據,就必須在各典型光氣候區進行長期的天然光數據觀察,這需要花費巨大的財力和物力,這在當今是很難實現的。

為了研究中國光氣候狀況,中國建筑科學研究院與國家氣象局共同組織了全國14個典型光氣候觀測區連續2 a(1983-1984)的大規模光氣候觀測;在此之后,中國再未進行過全國性光氣候的觀測研究;而一個地區的光氣候是由當地氣候特征所決定,且一個地區的氣候特征在較長時間段內是相對穩定的,因此,該階段的光氣候觀測數據仍然能反映出中國現階段的光氣候特征變化狀況。

為了研究太陽直射光、天空漫射光及地面總照度之間的關系,利用上述數據中的1984年中國12個典型光氣候區(上海、重慶、廣州、長沙、二連、烏魯木齊、西寧、西安、昆明、福州、黑河、長春)光氣候觀測站全年測試統計數據(該數據為間隔30 min的數據測試點)進行研究。這12個典型光氣候區分別代表了中國東北、西北、華東、華南及西南地區的典型光氣候區,測試的原始數據已經按照CIE(國際照明委員會)關于采光測量的技術要求進行驗證篩選,數據具有較高的可信度。

從上述數據庫中提取直接測量得到的P v、G v及Dv測試值[12],G v與P v和D v之間有如下關系：

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通常通過計算得到：

式中太陽照度常數為E v0=133 800 lx。

太陽常數 ∈都需要通過一個簡單的橢圓修正公式來進行日期修正：

式中J是一年中的天數,也就是J(1月1號)到J=365或366(12月31號),γs是特定地點和時間的太陽高度角,取決于地理緯度φ,當地太陽時 H及日偏角δ。通常其三角函數表示如下：

式中日偏角δ通過一年中的天數τ來表示,通常使用如下公式：

其中τ為時角,τ=2π(J-1)/365

因此利用上述計算公式對1984年12個城市全年中各個測試數據所對應時刻的大氣層外水平照度值Ev進行計算,并以 Ev為分母分別求出相應的P v/E v、G v/E v及D v/E v值。

2.2 數據處理

對獲取的12個城市的P v、G v及D v全年測試數據利用orgin軟件,采用P-G-D圖表法進行數據分析,并將數據分析結果繪制于圖2。

圖2 部分城市P-G-D圖

2.3 數據分析

在P-G-D圖表中,P v/E v反映了太陽光穿透情況,由圖2中可見上海、長春、二連、黑河、烏魯木齊、西寧、西安等城市的直射光強度較強,直射光出現概率在全年中所占的比例較多,這也表明這些地區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、長沙一年中出現晴天天氣的概率就大大少于以上這些城市。這也說明了重慶、長沙一年中陰天相對較多,而以重慶為最多。因此,相應的年平均總照度值也不會太高,從圖1中也可看出這些地區的室外年平均總照度值也印證了這點。

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

對角線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,有時甚至會超出100%。這說明在某些氣候狀況下,地面特定的水平位置上,太陽光和天空光組合在一起的相加值超過了大氣層邊界外的水平照度值。這些較少發生的情況是有利于反射和散射特性的云所形成,當在低太陽高度角時,漫射光所占的比例會升至超過0.5[12],而從其它臨近位置反射到測量點的太陽光和由云層反射的天空光所形成的附加光都會大大增強地面總照度G v,甚至會超過大氣層外水平照度值E v。因此CIE關于IDMP(國際采光年計劃)的推薦指南中[13],采用了G v/E v=1.2作為邊界線標準,即認為G v/E v≤1.2的光氣候數值符合要求。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、廣州及長沙地區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較高,部分時間的整體能效甚至超過100%,這也說明這些時間中云以高云為主,反射能力較強,這也與北方及西北的氣候狀況相適應。

對角線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度的變化情況,主要表達了太陽的遮擋狀況及大氣透明度的影響,測試數據所對應的Dv/Gv數值越大,表明漫射光在總照度中所占的比例越大,相應的直射光所占的比例也就越低。D v/G v越小說明直射陽光越強,從圖2中可以看出,黑河、二連、烏魯木齊、長春、西寧及昆明等地方的直射光強的天數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、長沙等城市直射光最弱,其它城市居中,這也與中國的光氣候分區基本一致。

除了對全年的氣候分析之外,還可以單獨對測試光氣候區每月的光氣候數據進行分析,比較該光氣候區每月的氣候變化狀況;也可針對不同光氣候區相同的時段進行比較分析,比較不同光氣候區氣候變化狀況。從而根據不同地區光氣候差異,提供不同的采光技術手段,達到采光節能的目的。

3 結 論

通過利用P-G-D圖表對中國典型氣候區光氣候研究分析,可以得到如下結論：

1)中國太陽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,上海地區較多,廣州地區最多,重慶地區特多。即南方以天空漫射光照度較大,北方和西北以太陽直射光為主。

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

[1]陳仲林,唐鳴放.建筑物理：圖解版[M].北京：中國建筑工業出版社,2009.

[2]何滎.用信息分析法研究天空亮度分布[D].重慶：重慶大學建筑城規學院,2008.

[3]MARDALJEV IC J.Exam ple o f climate-based day light modelling[C]∥CIBSE National Conference 2006：Engineering the Future,Oval CricketG round,London,UK,2006.

[4]MARDALJEV IC J.Climate-Based Day light modeling for evaluation and education[C]∥VELUX Day light sym posium,Bilbao,Spain.6-7 May,2007.

[5]LIN RUO-CI,ZHU CHANG-HAN,XIAO HU I-QIAN,et al.A study and application of the light resources in Beijing[C]∥Proceedings of the CIE 26thSession,Beijing：97-100.

[6]JANJA IA S,MASIRIA I,NUNEZB M,et al,Modeling sky lum inance using satellite data to classify sky conditions[J].Building and Environment,2008,43：2059-2073.

[7]WANG AI-YING,LI ZHUO,MA YE.Local Daylighting climate research w ith GIS：a proposal[C]∥Proceedings of the CIE 26thSession,Beijing,2007：139-142.

[8]何滎,林勇,翁季.用蟻群系統研究天空亮度分布模型

[J].重慶大學學報,2009,32(7)：747-751.HE YING,LIN YONG,WENG JI.Sky luminance distributionmodel by ant co lony system s[J].Journal o f Chongqing University,2009,32(7)：747-751.

[9]NORIO IGAWA,YASUKO KOGA,TOMOKO MATSUZAW A,et al.M odels o f sky radiance dirtribution and sky lum inance distribution[J].Solar Energy,2004,77：137-157.

[10]EDWARD NG,VICKY CHENG,ANKUR GADI,et al.Defining standard skies for H ong Kong[J].Building and Environment,2007,42：866-876.

[11]K ITTLER R,RUCK N.A model corre lating solar radiation and day lighting availability data for computer based design[C]∥Proceedings of the CIE 22ndSession,Melbourne,1995：27.

[12]K ITTLER R,DARULA S.Parametrization problems of the very bright cloudy sky condition[J].Solar Energy,1998,62(2)：93-100.

[13]CIE 108-1994 Guide To Recommended Practice of Day light Measurement[R].