基于天津地區太陽輻射觀測的典型年數據比較

孫文超，張明宇，曹立輝

(1.天津大學 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072；2.天津城建大學，天津 300384)

引言

光氣候研究是為了獲得可靠的天然光數據，以便建筑師進行準確的采光計算和設計[1]。2006年英國學者John Mardaljevic首次提出地域性光氣候的概念，其定義為“利用當地的光氣候數據作為建筑采光設計的重要依據”[2]。近年來，由于我國各地區氣象站觀測水平不一、數據連續采集周期較長、人力及物資資源耗費較多等緣故，諸如室外照度、天空亮度等實測光氣候數據較為缺乏，亟需通過其他方法獲得我國的地域性光氣候數據，而通過選取能夠切實反映地區光氣候特征的典型年數據，并采用天空模型轉化法將較易獲取的輻照度數據轉化為光照度數據來進行建筑動態采光模擬的方法則顯得更為切實、合理、有效。本文以天津地區為例，將太陽輻射實測數據作為參考，對使用頻率較高的幾套典型年數據進行初步的比較性研究，通過對輻射參數(如總輻射、散射輻射)依據全年逐時總體變化、各月均值變化、各季節逐時日變化的方式進行數據特征分析及變化趨勢的比對，同時參考相關氣象資料，以探討各典型年數據的特征、差異及與實測數據的吻合程度，以此篩選出與天津地區氣候特征較為匹配的典型年數據，從而有效保證了采光模擬平臺輸入端處數據的精確性。

1 建筑采光模擬用典型年數據

1)典型年數據的研究背景。典型年數據的開發與研究源于20世紀70年代各國對于建筑能耗模擬的需求，目前日本、歐美等對氣象數據的采集及相關研究比較成熟，而我國于20世紀90年代開始典型年數據的開發[3]。由于太陽輻射數據易于獲取且基礎數據豐富，隨著發光功效模型的開發，典型年數據得以應用于建筑采光模擬。國際上關于典型年的研究多為實際案例的模擬分析，如Bellia等[4]采用IWEC、Meteonorm、Satel-Light三套數據進行采光模擬，并對模擬結果進行了分析與討論。Iversen等[5]挑選哥本哈根等針對不同氣象數據(如DRY、IWEC等)對光環境模擬結果的影響進行了研究。而我國關于典型年數據的研究也多為實際案例的應用，羅濤等[6]通過對DeST典型年數據及Perez模型的應用案例研究，給出光照度典型年數據的取值方法。然而隨著氣候的變化以及建筑動態采光模擬在我國的發展，針對典型年數據的地域適用性、氣候變化趨勢下的氣象數據修正等方面研究工作亟待展開。

2)常用典型年數據的來源。典型年數據的產生需要建立在適用于本國地理緯度、氣候環境等條件之上。目前我國可用于建筑采光模擬的典型年數據主要有：CSWD(Chinese Standard Weather Data)、ChinaTMY2(Typical Meteorological Year)數據、DeST(Designer’s Simulation Toolkit)典型年數據等。其他氣象數據如ASHRAE開發的IWEC(International Weather for Energy Calculation)數據、US National Renewable Energy Laboratory開發的SWERA(Solar Wind Energy Resource Assessment)數據等由于開放程度不高、地區統計不完整等因素，造成其氣象數據的可用頻率不高。

(a)建筑熱環境模擬分析軟件DeST(Designer’s Simulation Toolkit)是由清華大學和中國氣象局共同研發，提供了一整套用于建筑能耗、采光模擬的逐時典型年數據[7]。基礎數據的來源為我國194個氣象臺站近50年的實測逐日數據。DeST數據開發者通過研究中國氣象環境的特點及規律，建立了利用實測的逐日氣象數據模擬生成逐時數據的氣象模型Medpha[8]。

(b)對于CSWD來說，其數據來源與DeST典型年數據相同，開發單位均為清華大學、中國氣象局，僅觀測年限不同[9]，可于EnergyPlus官方網站下載。

表1 建筑光環境模擬用典型年數據[8-10]Table 1 TMY data used for building daylighting simulation

(c)張晴原和楊洪興[10]在開發ChinaTMY2的過程中，使用的是1995—2005年的氣象觀測數據，這些數據來源于國際地面氣象觀測數據庫，其最初來源為國內的氣象觀測數據，逐時數據的生成在考慮到干球溫度的周期性變化特征而采用調和分析進行插補，日間邊緣數據則通過回歸公式進行平滑處理。

3)典型年數據的輻射參數。典型年數據最初用于建筑能耗模擬，在其開發過程中著重考慮的參數是溫度、濕度、太陽輻射，而建筑采光模擬僅考慮單一的太陽輻射要素，且更加注重直接輻射與散射輻射參數。典型年數據的氣象要素一般包括：干球溫度、相對濕度、太陽輻射量、云量、風速等[10]，太陽輻射量一般包含總輻射值、直接或散射輻射值等，其他如風速、水汽壓、日照時數等氣象要素的考慮依賴于數據開發的目的及用途。對于建筑光環境模擬來說，太陽輻射參數是最為核心的要素，從前文給出的三套典型年數據在開發之初的要素構成上來說，輻射參量權重最大，譬如CSWD的開發者將日總輻射參數的權重定為8/16[9]，DeST典型年數據的開發者將日總輻射量參數的權重定為12/24[8]，ChinaTMY2數據的開發者將水平面總輻射量均值與直射輻射量均值參數的加權系數總和定為10/20[10]，三套數據的太陽輻射參數權重或加權系數均達到50%，遠高于其他要素所占比例。可見太陽輻射要素相對最為重要，也決定了其數據資料不僅可用于建筑能耗模擬，還可用于建筑采光模擬。

2 天津地區太陽輻射數據觀測

1)觀測目的。天津位于北溫帶半干旱半濕潤季風氣候區，屬于第Ⅲ類光氣候區，春、夏兩季的太陽輻射較為豐富，全年各月中五月份的太陽總輻射最強，一月份最弱[11]。本次觀測由天津大學建筑學院與天津城建大學建筑學院合作進行，對水平面太陽總輻射平均值、法向直射輻射平均值等氣象參數進行逐時觀測統計，從而獲取天津地區一年多的實測太陽輻射數據，為國內常用典型年數據的初步比對提供一定的參考。

2)觀測內容。(a)觀測儀器：太陽輻射觀測儀器為荷蘭Kipp&Zonen公司生產，配有SOLYS2太陽追蹤器、CHP1直接輻射表、CMP21總輻射表。觀測儀器安裝在高約1.5 m的不銹鋼臺座上(如圖1所示)。(b)觀測參數：水平面總輻射均值、法向直射輻射均值等，采集間隔為1 h，單位為W/m2。(c)觀測地點：太陽輻射觀測站設在天津市西青區天津城建大學建筑學院D4號樓樓頂，如圖2所示。坐標為北緯39°5′40″，東經117°5′22″，海拔為20 m。

圖1 觀測儀器Fig.1 Observation instrument

圖2 觀測地點Fig.2 Observing site

3)觀測方法。(a)太陽輻射觀測儀器牢固安裝在專用的臺柱上，臺座離地面約為1.5 m，臺腳固定于水泥臺，使得臺座在受到沖擊振動(如大風等)情況下仍保持儀器的水平。(b)觀測前確認總輻射表的感應面與玻璃罩完好，直射輻射表安裝與跟蹤太陽準確。儀器定期清潔，確保總輻射表玻璃罩內無水汽凝結物；保證直射輻射表進光筒玻璃窗清潔，同時檢查接線柱和導線的連接狀況等[12]。(c)觀測過程中，保持每日上午、下午至少各一次的頻率對各輻射表進行相應檢查，當遇大雨、雪、冰雹等特殊天氣時，應根據具體情況及時加蓋。

4)觀測數據。本觀測于2015年8月15日19點開始至2017年1月2日17點終止，參考天津地區氣候特征，選取典型月份部分數據,如表2所示。

表2 2016年天津地區太陽輻射逐時觀測數據Table 2 Solar radiation observation data from Tianjin in 2016

3 各套數據中輻射參數的比較

3.1 全年逐時總體變化

如圖3～圖6所示，DeST數據全年逐時總輻射最大值發生在5月份，為1 220 W/m2，ChinaTMY2數據全年逐時總輻射最大值發生在5月份，為1 118 W/m2。同時，DeST、ChinaTMY2、天津實測數據的總輻射值在全年2881～3624 h時間段即5月份處于全年較高值。根據相關資料記載，天津地區5月份的太陽總輻射最強，1月份最弱[11]。這說明DeST數據、ChinaTMY2數據總輻射變化趨勢符合天津氣候特征。而CSWD的總輻射最值分布情況與其他數據存在較大差異。

圖3 CSWD總輻射值年變化Fig.3 Annual variation of CSWD’s global irradiance

圖4 ChinaTMY2總輻射值年變化Fig.4 Annual variation of China TMY2’s global irradiance

圖5 DeST總輻射值年變化Fig.5 Annual variation of DeST’s global irradiance

圖6 天津實測總輻射值年變化Fig.6 Annual variation of measured global irradiance

對于散射輻射來說，如圖7～圖10所示，由于數據開發思路及方法的不同[8～10]，ChinaTMY2數據整體趨勢緩和，其全年逐時散射最大值發生在6月底，為488 W/m2，而天津實測散射最大值為581.44 W/m2，發生時間比ChinaTMY2遲了1個月。CSWD與DeST數據幾乎完全相同，兩者的變化規律、最值分布情況與其他數據存在明顯的不同，需要對其數據的可靠性做進一步的研究。

圖7 CSWD散射輻射值年變化Fig.7 Annual variation of CSWD’s diffuse irradiance

圖8 ChinaTMY2散射輻射值年變化Fig.8 Annual variation of China TMY2’s diffuse irradiance

圖9 DeST散射輻射值年變化Fig.9 Annual variation of DeST’s diffuse irradiance

圖10 天津實測散射輻射值年變化Fig.10 Annual variation of measured diffuse irradiance in Tianjin

參照上述4套數據的全年逐時總輻射變化趨勢可以看出，DeST數據與天津實測數據吻合度最高，最值分布月份符合天津氣候特征。ChinaTMY2數據在1月份、12月份數值普遍高于DeST數據及實測數據，而CSWD數據與其他3套數據差異較大。對于全年逐時散射輻射變化趨勢來說，ChinaTMY2數據全年波動較小，較CSWD、DeST數據更接近實測數據。根據相關文獻記載，我國廣大地區散射輻射量的變化規律大致相同：夏季最大，冬季最小[13]。另外美國NASA衛星觀測記錄顯示，天津散射輻射22年月均最大值發生于6月，最小值發生于12月[14]，全年變化規律與CSWD不同。就散射輻射而言，最終比對結果并不理想。

3.2 全年各月均值變化

DeST數據總輻射月均值變化趨勢與實測數據總輻射月均值變化趨勢最為吻合。如圖11所示，ChinaTMY2總輻射月均值在1、2、4、7～11月份高于其他3套數據。CSWD數據月均總輻射最大值發生在4月份，其最小值發生在11月份。而ChinaTMY2、DeST、實測數據的總輻射月均最大值則發生在5月份。如圖12所示，2～9月，以實測數據為標準值計算所得的3套典型年數據相對誤差大致在±20%以內。

如圖13所示，實測數據的散射輻射月均值變化最大，4～10月時間段內各月均值明顯超過相應DeST數據。此外，天津實測、ChinaTMY2散射輻射月均值普遍高于其他2套數據，DeST數據與實測數據在變化規律上存在非常大的差異。

圖11 總輻射月均值比較Fig.11 Comparison of global radiation’s monthly mean value

圖12 總輻射月均值相對誤差統計Fig.12 Relative error of global radiation’s monthly mean value

圖13 散射輻射月均值比較Fig.13 Comparison of diffuse radiation’s monthly mean value

綜上所述，DeST數據總輻射月均值的相對誤差在1、5～8、10～12月小于其他2套典型年數據，而在3、4月ChinaTMY2數據總輻射月均值的相對誤差小于其他兩套典型年數據。總體而言，全年中3～6月份ChinaTMY2數據較其他典型年數據有一定優勢，而DeST數據相對誤差最小的月份數最多。

從各套數據的散射輻射月均值來看，ChinaTMY2數據與天津實測數據趨勢最為接近，兩者同月差值最大為27.53 W/m2，CSWD、DeST數據變化規律與實測數據明顯不同。其差異產生原因有待進一步研究，也不排除觀測時間短、城市氣候變化、觀測站周邊建筑增多等的影響。從散射輻射按照全年逐時變化、各月均值變化的方式比較來看，其比對結果并不理想，以下不再進行日變化比較分析。

3.3 各季節的逐時日變化

天津地區處于北溫帶半干旱半濕潤季風氣候區，受季風環流的影響，不同季節太陽輻射日變化特征差異明顯[15]。按天文季節劃分全年各月：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。如圖14～圖17所示，春夏兩季除了CSWD，其他3套數據太陽總輻射日變化趨勢呈明顯的單峰型分布。夏秋兩季，ChinaTMY2數據、DeST數據、天津實測數據的峰值區間位于[13:00,14:00]附近。春冬兩季，ChinaTMY2數據與實測數據波峰的橫坐標所對應的時間相差在1 h以上，然而DeST數據與ChinaTMY2數據波峰的橫坐標近似吻合，僅日變化最大值有明顯的差別。總體而言，全年中ChinaTMY2數據各時段總輻射值比DeST數據中相應時段總輻射值稍高。另外，天津地區實測數據與DeST數據在夏、秋兩季所呈現的關系與春、冬兩季所呈現的關系有所不同，體現為總輻射最值之差，在夏季，實測數據總輻射最大值為598.08 W/m2，而DeST數據最大值為575.37 W/m2，兩者之差為22.71 W/m2；秋季，兩者最大值之差為7.37 W/m2。然而從冬季開始，兩者最大值之差為76.79 W/m2，春季則為106.27 W/m2，這可能與近年天津地區入冬后大氣污染嚴重等原因有關。

圖14 春季總輻射日變化Fig.14 Daily variation of global irradiance in spring

圖15 夏季總輻射日變化Fig.15 Daily variation of global irradiance in summer

圖16 秋季總輻射日變化Fig.16 Daily variation of global irradiance in autumn

圖17 冬季總輻射日變化Fig.17 Daily variation of global irradiance in winter

ChinaTMY2數據、DeST數據、天津地區實測數據日變化曲線均呈單峰型分布。春夏兩季，就日變化而言，ChinaTMY2數據與天津地區實測數據較為接近，尤其是太陽輻射量具代表性的1月份前后，ChinaTMY2數據與實測數據的不同可近似表現為日變化最大值所對應橫坐標的不同。而夏秋兩季，DeST數據與實測數據吻合度很高。可見，ChinaTMY2數據和DeST數據均適用于天津地區建筑光環境模擬，且前者春夏兩季適用性高，而后者夏秋兩季適用性高。

4 總結

我們通過挑選建筑采光模擬常用的幾套典型年數據，同時以天津地區1年多的逐時太陽輻射觀測數據作為參考，對上述4套數據中的總輻射值、散射輻射值依次按照全年逐時總體變化、各月均值變化、各季節逐時日變化的方式進行比較，從最終的數據分析可以得出如下結論：

1)DeST、ChinaTMY2數據總輻射全年逐時變化趨勢與實測數據較為吻合，且符合天津地區氣候特征。DeST數據總輻射月均值與天津地區實測數據相對誤差較小，較其他兩套典型年數據表現更好。

2)春夏兩季，ChinaTMY2總輻射日變化與天津實測總輻射分布規律較為接近；夏秋兩季，DeST總輻射日變化與天津實測總輻射日變化吻合度較高。

3)從各典型年數據散射值的比對來看，ChinaTMY2數據趨勢較為接近實測數據，而CSWD、DeST數據變化規律與實測數據及相關資料差異較大，其數據的可靠性有待進一步研究。總體而言，散射輻射比對不理想，仍需累積更多的實測數據來支撐研究。

本文以天津地區觀測數據為參考，通過各套典型年數據總輻射值、散射輻射值的初步比較，可以更為直觀地認識建筑采光模擬所用的幾套典型年數據，并發現數據的缺陷，從而更好地對其進行相應的修正，以此來保證模擬平臺輸入端處數據的可靠度及精確性。