重慶地區(qū)的光氣候研究

張青文 楊春宇 胡英奎 黃珂

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

1 引言

多年來，隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，人類的大量開發(fā)使地球正面臨能源短缺、氣候變暖、生態(tài)環(huán)境遭受破壞的威脅。如何重新認(rèn)識大自然，加強(qiáng)對清潔能源“天然光和太陽能”的開發(fā)與利用，以防止有限能源日益減少和降低環(huán)境污染對人類生存帶來的影響，已成為本世紀(jì)重要的研究課題。

1990年，CIE(國際照明委員會)成立了TC3.25技術(shù)委員會，即 International Daylight Measurement Program，簡稱IDMP，即全球天然光觀測的合作項(xiàng)目，并將1991年定為國際天然采光年。為此，全世界五十多個國家紛紛響應(yīng)，相繼建立起不同等級的天然光及日輻射觀測站［1］。同年，我國重慶地區(qū)也建立了一般級 (General Class)的天然光及日輻射觀測站。在查閱CIE大量相關(guān)資料和完成了設(shè)備研制的基礎(chǔ)上，從1991年1月至1993年7月間，采用了全套自動化系統(tǒng)，對太陽輻射、照度及天頂亮度等十一個量進(jìn)行了為時兩年半的連續(xù)觀測，獲得了大量觀測數(shù)據(jù)，為重慶地區(qū)的光氣候研究提供了科學(xué)的依據(jù)。

觀測中，采用了計(jì)算機(jī)控制下的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對每天日出至日落時間內(nèi)的太陽輻射、照度和天頂亮度等共十一個信號進(jìn)行每分鐘的巡回檢測。太陽輻射包括總輻射、散射輻射和直接輻射。照度除水平面上的總照度、散射照度和直接照度外，還有東、南、西、北四個方向上的垂直面照度，其次，由氣象部門負(fù)責(zé)進(jìn)行以每天半小時為間隔的云量、云狀和日面狀況的觀測，建站過程中，力求以CIE的要求為準(zhǔn)則，以求觀測數(shù)據(jù)能進(jìn)行國際交流的目的［2］。

本文對重慶地區(qū)1991年和1992年，分別代表不同季節(jié)的3月、8月及12月份的總照度和總太陽輻射觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，找出了上述月份時間及總照度和總太陽輻射隨太陽高度角的變化關(guān)系，并結(jié)合對應(yīng)的云狀、云量及日面狀況等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，對光氣候變化的規(guī)律進(jìn)行了探究。

2 重慶地區(qū)的地理環(huán)境及氣候概況

位于東經(jīng) 105°11'～110°11'，北緯 28°10'～32°13'之間的重慶市，其幅員面積8.24萬平方公里，總?cè)丝谶_(dá)3075萬人，是我國地域最廣、人口最多的直轄市。重慶市山巒起伏，河流密布，其特殊的地理環(huán)境，形成了重慶地區(qū)典型的氣候條件。

重慶氣候?qū)僦衼啛釢駶櫦撅L(fēng)氣候類型，其特征為夏熱冬暖，無霜期長。長期的氣象觀測資料表明，重慶的年總?cè)蛰椛淞?、年日照時數(shù)及年日照百分率均屬全國最低位之列。日照時數(shù)多年均為1112.8～1655.8小時，年百分率僅25% ～30%。比同緯度的上海、漢口、拉薩少得多。日照時數(shù)夏季最多，占全年的42%～46%，冬季僅占11%左右;日照時數(shù)又隨海拔升高而減少，海拔小于500米的丘陵地區(qū)，年日照時數(shù)為1112.6～1655.8小時，海拔500至1000米的低山地區(qū)為1112.6～1214小時，海拔1000米以上中山區(qū)為970～1135小時［2］。

重慶地區(qū)的光氣候受其氣象條件的影響，亦具有典型的特征，如夏季的總照度包含較多的直射分量，而冬季的總照度基本上為散射照度。如何摸清它們的變化規(guī)律，使其服務(wù)于重慶市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，就需要有足夠的光氣候觀測數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)和分析，才能掌握光氣候的變化規(guī)律。

3 氣象觀測記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由重慶沙坪壩區(qū)氣象局完成的氣象觀測數(shù)據(jù)以光觀測站的數(shù)據(jù)采集時間為要求，即以每天當(dāng)?shù)厝粘鰰r間為起始，日落時間為結(jié)束，對其間以半小時為間隔的云量、云狀及日面狀況進(jìn)行了為時兩年半的觀測。本文對所選月份的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，并使其用于光氣候觀測數(shù)據(jù)的分析工作中，即根據(jù)云量、云狀、日面狀況與照度及太陽輻射間的內(nèi)在關(guān)系，從而探究光氣候的變化規(guī)律。

3.1 云量

云量是指云遮蔽天空的成數(shù)。將測點(diǎn)視野范圍內(nèi)的天空分為十等分，估計(jì)十等分中被云所遮蔽的份數(shù)，稱為云量。云量觀測包括總云量和低云量?？傇屏肯抵柑炜毡凰械脑普诒蔚某蓴?shù)。低云量系指天空被低云所遮蔽的成數(shù)［3］。云量的份數(shù)可反映出日光照射的基本概況，如10∕10則表明整個天空被云層遮蔽，基本上無直射陽光，這類天空又稱全云天空。為便于分析，本文僅以各月份總觀測時數(shù)中全云天空的出現(xiàn)次數(shù)為參考。并將1991年和1992年3月、8月、12月份中各觀測時段全云天空當(dāng)月出現(xiàn)次數(shù)的總和分別列于表1中。

表1中的部分?jǐn)?shù)據(jù)反映了全云天空的出現(xiàn)幾率，而云狀的觀測結(jié)果則是分析天氣狀況成因的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系著光氣候的演變與形成。

3.2 云狀

云的外形特征千變?nèi)f變，形成原因也很復(fù)雜，但是它們又有其共同的特點(diǎn)。通常根據(jù)其共有特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需要，按云的底部高度將其分為低、中、高三族，然后按云的外形特征、結(jié)構(gòu)和成因劃分為十屬及二十九類［3］。

不同的云狀不僅可預(yù)測天氣狀況的演變和形成。同時也可反映當(dāng)時的天氣狀況。如天空低云密布時，則為陰天的可能性較大，當(dāng)天空以中云為主時，通常是似晴或似陰天空，若空中僅為高云，則多半為晴天。重慶的夏季常出現(xiàn)的無云天 (當(dāng)天空中的云量小于1∕10時)，通常是艷陽當(dāng)空，而其他季節(jié)的無云天常出現(xiàn)在霧霾籠罩的早、晚。因此，通過云的族性，再結(jié)合云量和日光狀況的分析，就可基本判定當(dāng)時的氣候類型。表1中列有各月份低、中、高云及無云天分別在當(dāng)月總觀測次數(shù)中所出現(xiàn)的百分率，它將結(jié)合全云天云量和日面狀況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對光氣候進(jìn)行分析。

表1 1991年和1992年3、8、12月份氣象觀測記錄統(tǒng)計(jì)表

3.3 日面狀況

日面狀況泛指太陽光與地面陰影的形成關(guān)系，它在一定程度上反應(yīng)了太陽輻射的強(qiáng)弱趨勢，可揭示天氣狀況的基本輪廓。日面狀況常用特定的符號表示，其符號分別代表不同的定義，如表2所示。

表1中對應(yīng)于全云天空及云族的出現(xiàn)次數(shù)及百分比，還列出了各月份不同日面狀況在當(dāng)月總觀測次數(shù)中所占的百分比。參照表1中的數(shù)據(jù)，分別繪制出上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果的柱狀圖，圖中在一定程度上反映了不同年、月的氣候變化特點(diǎn) (見圖1，圖2，圖3)。

表2 日面狀況的表示符號及其定義

4 光氣候觀測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果

在光氣候觀測的11個物理量中，總照度和總太陽輻射 (即水平面上的觀測值)占有主導(dǎo)地位，它們可基本反映光氣候的變化規(guī)律［4］。為此，本文分別對1991年和1992年中的3月、8月、12月份以半小時分段的總照度和總太陽輻射觀測值分別進(jìn)行了按月平均處理，其處理結(jié)果見表3、表4。同時，還對按1°太陽高度角分隔的總照度進(jìn)行了按月平均處理，圖4、圖5、圖6、圖7分別繪出了經(jīng)上述處理后的總照度和總太陽輻射值隨時間變化的關(guān)系曲線及總照度隨太陽高度角變化的關(guān)系曲線。圖表中的太陽輻射和照度單位分別為:w/m2和lx/m2。

圖2 1992年3月、8月、12月份各云族及日面狀況于當(dāng)月總觀測次數(shù)中所占百分比

圖3 1991及1992年3月、8月、12月份全云天出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 1991年總太陽輻射及總照度按半小時分段平均數(shù)據(jù)月報(bào)表

表4 1992年總太陽輻射及總照度按半小時分段平均數(shù)據(jù)月報(bào)表

圖4 1991年3月、8月、12月份總照度及總輻射隨時間 (半小時分段平均數(shù)據(jù))變化的關(guān)系曲線

圖5 1992年3月、8月、12月份總照度及總輻射隨時間 (半小時分段平均數(shù)據(jù))變化的關(guān)系曲線

圖6 1991年3月、8月、12月份總照度隨太陽高度角 (1度間隔平均數(shù)據(jù))變化的關(guān)系曲線

5 分析與討論

以下將結(jié)合1991年和1992年3月、8月、12月的氣象觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果對相應(yīng)光氣候觀測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

5.1 氣象觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析

圖7 1992年3月、8月、12月份總照度隨太陽高度角 (1度間隔平均數(shù)據(jù))變化的關(guān)系曲線

由表1和圖1、圖2、圖3不難看出，無論是1991年年或1992年，分別代表不同季節(jié)的3月、8月、12月份各有不同的氣侯特征。雖然年份不同，但相同月份的氣候特征點(diǎn)卻基本一致。主要表現(xiàn)在，3月份和12月份的全云天出現(xiàn)次數(shù)相對較多，而8月份的全云天數(shù)量相對最少 (見表1和圖3)。這與云族和日面狀況的分布趨勢完全吻合。如3、12月份低云和日面狀況Л出現(xiàn)的百分比值最大，且這兩個月份的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為接近，而8月份高云和日面狀況⊙2出現(xiàn)的百分比值卻最大 (見表1和圖1、圖2)。這證明了重慶地區(qū)3月、12月份日照時數(shù)低，而8月份日照時數(shù)高的天氣規(guī)律。日照時數(shù)的不同應(yīng)直接關(guān)系到太陽輻射和天然光照度的變化，以下有待分析。

5.2 光氣候觀測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果分析

5.2.1 總照度和總太陽輻射隨時間的變化關(guān)系

表3、表4及圖4、圖5分別反映了1991年和1992年3月、8月、12月份，各月按半小時分段平均的總照度和總太陽輻射隨時間的變化關(guān)系。由圖可知，總照度和總輻射的變化趨勢完全一致，這說明盡管兩者物理量不同，但卻揭示了熱與光之間所存在的共性。

圖中的曲線軌跡顯示出總照度和總輻射隨著日出至日落時間的變化規(guī)律。由圖可知，上、下午的曲線變化呈對稱分布，其峰值區(qū)間多集中在正午12時至下午15時之間。8月份的峰值和曲線波動范圍遠(yuǎn)高于3月和12月份，且3月份又略高于12月份。由表3、表4所列數(shù)據(jù)亦可看出，8月份的各半小時時間段的總照度和總輻射平均值遠(yuǎn)大于3月份，3月份又略大于12月份，這證明了重慶地區(qū)8月份的總照度及總輻射和日面狀況⊙2有關(guān)，含有較多的直射分量，而3月份及12月份的日面狀況多為Л，其總照度及總輻射則以散射分量為主。

僅由1991年和1992年相同月份的總照度和總太陽輻射來分析，由表3、表4及圖4、圖5不難看出，不同年份相同月份的光氣候變化具有完全相同的規(guī)律，雖然個別相同月份的氣象觀測統(tǒng)計(jì)和光氣候觀測數(shù)據(jù)結(jié)果有較小的差異，但并不影響其總的規(guī)律性，它基本反映了重慶地區(qū)3月、8月、12月份的光氣候特點(diǎn)。

5.2.2 總照度隨太陽高度角的變化關(guān)系

圖7反應(yīng)了1991和1992年3月、8月、12月份總照度隨太陽高度角 (每天按1°間隔的平均值)的變化關(guān)系。由圖可知，其曲線分布與圖4、圖5基本相同，這說明總照度隨太陽高度角和時間變化有相同的規(guī)律。表5列出了上述年月，每天按1°間隔平均的各月份中的最大照度值及所對應(yīng)的太陽高度角。由表5可知，照度隨著高度角的增加在變大，直至最大照度值出現(xiàn)于最大高度角處。不同年份的照度最大值排序均為8月份＞3月份＞12月份，各月份有明顯的差異。各年份相同月份的照度最大值非常接近，這也反映了三個不同月份總照度的分布規(guī)律。

表5 1991和1992年3月、8月、12月份中的最大照度值及所對應(yīng)的太陽高度角

6 結(jié)論

結(jié)合氣象觀測結(jié)果對光氣候觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，確定了云量、云狀、日面狀況等氣象條件對總照度和總太陽輻射的作用及影響，找出了重慶地區(qū)3月、8月、12月份，分別代表不同季節(jié)光氣候變化的一般規(guī)律，得到了如下結(jié)論:

1)通過對兩年觀測資料的統(tǒng)計(jì)和分析，初步證實(shí)了重慶地區(qū)8月份的總照度和總太陽輻射多為直射分量，而12月份則以散射分量為主，3月份的散射分量與直射分量相差不大;

2)總照度和總太陽輻射隨時間或太陽高度角的增加變大，且上、下午呈對稱變化，其最大值出現(xiàn)在最大高度角處;

3)總照度和總太陽輻射8月份與3月份隨太陽高度角變化的曲線波動幅度很接近，12月份最小，這也說明冬季全云天較多，天空亮度分布相對穩(wěn)定;

4)總照度和總太陽輻射隨時間或太陽高度角的變化趨勢是相同的，說明了這兩個不同物理量之間存在著共性關(guān)系;

5)3個月中，總照度和總太陽輻射的最大值出現(xiàn)在8月份，且遠(yuǎn)大于其他月份。

以上結(jié)論為有效利用太陽能及天然光資源，使其服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了科學(xué)的依據(jù)。文中結(jié)合部分氣象觀測結(jié)果進(jìn)行光氣候觀測數(shù)據(jù)的處理和分析，是將氣侯現(xiàn)象引入光氣候研究中的成功運(yùn)用。文中論及的研究方法，不僅針對重慶地區(qū)，也適用于其他地區(qū)。太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源。我們有理由相信，太陽能的開發(fā)與利用將成為一場新的能源革命，它將為人類的生存與發(fā)展帶來廣闊美好的前景。

［1］戴德慈，汪猛．現(xiàn)代照明技術(shù) ［M］．北京，中國電力出版社，2009.2－3．

［2］張青文．重慶地區(qū)的天然光和日輻射觀測站 ［J］．重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(1)．

［3］張文煜，袁九毅．大氣探測原理及方法 ［M］．氣象出版社 2007/12．

［4］何滎，楊春宇．一般天空CIE天空亮度分布新標(biāo)準(zhǔn)［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2007/18(2)．