淺談空氣污染對中國天然光照度的影響

何 滎，全 利

(1．重慶大學建筑城規學院;2．重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶，400045;3．重慶建筑工程職業學院，重慶，400039)

0 引言

隨著全球氣候的變化，特別中國城市化和工業化進程的迅速發展，機動車保有量的快速增加，由城市污染物大量排放所造成的空氣污染越來越嚴重，由此導致的霧霾日數明顯增加。2007年，中國環境監測總站在三大城市帶的天津、上海、南京、蘇州和深圳市開展了灰霾試點監測，結果表明2009年各城市灰霾天數為51～211天，其中天津51天、上海134天、南京211天、蘇州169天、深圳115天，部分城市年灰霾天數占監測天數一半以上。而2013年1月，我國大部地區，都出現了大范圍的重度和嚴重污染，中東部地區甚至陷入了嚴重的霧霾天中，而北京的空氣質量指數(AQI)甚至接近了1 000。

由此可見，中國城市空氣污染日趨嚴重。為了應對日益惡化的空氣污染狀況，改善環境空氣質量，防止生態破壞，創造清潔適宜的環境，保護人體健康，中國于2012年頒布了GB 3095—2012《環境空氣質量標準》，新標準增設了細顆粒物(PM 2．5)限值，并調整了顆粒物PM 10限值。

除太陽直射光外，到達地面的散射光主要是來自大氣氣溶膠對太陽光的散射。在不利于擴散的氣象條件下，大量污染物集中排放到大氣中，多種污染物之間將發生復雜的相互作用，形成大氣復合污染和霾現象，也導致大氣的渾濁度和光氣候相應發生變化，進而使地面總照度發生變化。這對城市的天然光環境及建筑的天然光利用產生了不利影響。

1 天然光照度研究現狀

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。光氣候數據是建筑物利用天然光的重要因素，而光氣候數據包含水平總照度、漫射光照度、各方向垂直照度、天空亮度、云量、日照時間及大氣透明度等內容。而最核心的內容是光照度和天空亮度分布，國際上通過國際采光年(IDMP)計劃積累了部分城市(包括中國北京和重慶)的光氣候觀測數據，而國際照明委員會(CIE)也頒布涵蓋多數天空類型的15類天空標準，這些研究工作促進了世界各地天然光的運用，節約了能源。

對天然光照度的分布研究由來已久，早在上世紀70年代，前蘇聯科研工作者就開始對前蘇聯地區天然光照度及分布進行了研究，此后，各國研究工作者相繼對天然光照度測量及分布等問題進行了研究，并隨著科技的發展，一些先進技術手段也用于天然光的研究，如利用衛星資料評估天然光照度及用GIS評估天然光等。中國在天然光照度測量及分布的研究可追溯到20世紀70年代，中國楊光璿、林若慈及吳其劻等人對中國天然光照度的測量及分布等進行研究，之后結合1983—1984年間在中國14個城市開展的大規模光氣候觀測數據，獲得了中國光氣候分區及天然光資源分布等成果，并被現有國家標準所采用，近年來王愛英等人還結合GIS對全國地域氣候進行分析研究。

但是由于天然光照度值在世界各地觀測較少，因此很難獲得大范圍長時間的天然光觀測數據。而太陽輻射是氣象站觀測的基本項目之一，因此世界各地氣象觀測站積累了大量的輻射數據，國外研究工作者Littlefair，Perez，Olseth，Skartveit，Chung，Muneer ＆Kinghorn對如何利用輻射數據獲得光照度數據進行了大量研究，并先后建立了多種輻射光當量模型(luminous efficacy model)。中國的林若慈、王愛英、羅濤等人還結合中國光氣候觀測數據及輻射數據研究成果，研究了適合中國現狀的輻射光當量模型，這些研究對輻射數據轉換為光照度數據進行了有益的探討。

2 空氣污染對天然光照度影響

太陽輻射在大氣中的傳播已經有了成熟的理論及豐富的研究成果，但由于氣溶膠的消光性能(通常用光學厚度表示)與空氣污染情況息息相關，因此氣溶膠的研究在大氣輻射學中仍然是一個重點與熱點。但大范圍氣溶膠光學厚度資料的缺乏是目前的主要問題，解決這一問題通常有三個途徑，一是衛星遙感方法，國外有很多研究成果，國內也做了大量的研究工作，如毛節泰、張軍華、李成才等都對如何從衛星資料反演氣溶膠光學厚度進行過深入的研究。二是寬帶消光法，Gueymard、邱金桓提出并發展了寬帶消光法，試圖從多年常規輻射站的輻射觀測資料中間接提取氣溶膠光學厚度的信息。第三是自20世紀90年代以來美國國家航空宇航局逐步建立了覆蓋全球的400多個地基氣溶膠觀測網，中國也有20余個站點加入該網絡，這為全球科研工作者研究提供了廣泛而精確的基礎研究數據。

近年來，由于城市空氣污染的日趨嚴重，部分城市室外天然光照度有降低的趨勢，而天然光照度變化的主要原因是污染物在空氣中形成氣溶膠，而這些氣溶膠的存在改變了大氣的光學厚度(渾濁度)，從而影響了到達地面的光照度。據研究近年來中國主要城市氣溶膠光學厚度有逐年增加的趨勢，而氣溶膠光學厚度的增加，將會導致能見度降低及到達地面光線減少，地面照度值也會相應的降低。

對大氣污染與氣溶膠光學特性之間的關系，國內外研究工作者進行了大量的研究，并取得了一定的成果。如中國王耀庭等人對大氣污染各參數與大氣光學厚度之間的相關性進行了探討，并初步建立了相應的函數關系;于興娜、劉愛霞等人還對污染物對大氣氣溶膠光學特性和能見度影響進行了研究。而20世紀90年代，針對烏魯木齊日益嚴重的空氣污染，楊青結合烏魯木齊氣象觀測數據對光氣候與大氣渾濁度之間的關系進行了初步探討。此后，空氣污染對天然光照度的影響研究還鮮見報道。

隨著全球氣候的不斷變化和空氣污染的日趨嚴重，中國光氣候相對30年前已經出現了較大的變化。而作為光氣候數據最核心內容之一的天然光照度值目前仍然沿用原有氣候及環境條件下的天然光資源預測量對城市光環境進行評估，顯然是不合理的，這將會造成較大誤差，并影響合理技術措施的選擇與使用。因此，有必要對現有天然光基礎數據進行修正，以利于充分利用天然光，降低建筑能耗。

3 展望

中國幅員遼闊，各地光氣候狀況不同，各地空氣污染對天然光環境影響也不同。因此，借鑒大氣輻射學中有關可見光傳輸的成熟理論及豐富的研究成果，結合目前的氣象觀測數據(輻射照度數據、光照度數據、氣溶膠光學厚度、單次散射反照率、不對稱因子和Angstrom波長指數)和空氣質量指數(AQI)各參量:二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、顆粒物(PM10)、顆粒物(PM2．5)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)，研究空氣質量指數各參量與天然光環境天然光照度影響及函數關系，進而準確評估各光氣候區天然光環境及變化趨勢。充分利用天然光，減少電光源的使用量，營造健康工作環境。對減少建筑能耗和運行費用具有重大意義。

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