何 滎,胡英奎,翁 季

（1.重慶大學(xué)a.建筑城規(guī)學(xué)院;b.土木工程學(xué)院,重慶 400045;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640）

天空亮度分布是瞬息萬變的,不僅與當(dāng)?shù)氐乩砭暥?、地形地貌等相關(guān)聯(lián),同時(shí)也受到氣候條件、太陽高度角、大氣透明度等因素的影響,如中國北方晴天多陰天少、南方特別是重慶、四川盆地及貴州等地則是陰天多晴天少,因此各地天空亮度分布也大不相同。采用真實(shí)的天空來描述天空亮度分布是很困難的,為了解決這問題,通常使用參考天空來表示眾多變化的真實(shí)天空,并把參考天空作為采光設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ)[1]。

參考天空是從亮度分布出發(fā),對(duì)真實(shí)天空加以統(tǒng)計(jì)平均描述。真實(shí)天空亮度是千變?nèi)f化的,因此僅通過參考天空定義來描述參考天空代表的真實(shí)天空是不可能的。為了更加準(zhǔn)確的描述天空亮度分布狀況,科學(xué)研究工作者以CIE晴天空亮度分布模型為基礎(chǔ),使用定量的（可測(cè)性好）、易被觀測(cè)的參量,用以定義和分類參考天空所代表的真實(shí)天空,其天空亮度可以近似描述對(duì)應(yīng)真實(shí)天空統(tǒng)計(jì)平均亮度分布。具有代表性的分類方法有日本的Norio Igaw a等[2]采用無云指數(shù)（Cle）將天空分類為5類;重慶大學(xué)陳仲林將中間天空劃分為似晴天空及似陰天空[3];CIE一般天空亮度分布標(biāo)準(zhǔn)[4]將參考天空類型分為3大類,分別為晴天空、陰天空和中間天空,每類天空包含5小類細(xì)分的天空類型。在CIE一般天空亮度分布標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上科研工作者分別結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件對(duì)地中海及中歐[5]、香港[6-8]、曼谷[9]、新加坡[10]及英格蘭中部[11]的參考天空分類進(jìn)行研究。

CIE參考天空分類在描述天空特征時(shí)使用了較為模糊的語言,這對(duì)實(shí)際操作過程中辨別正確的天空模式是相當(dāng)困難的,并且部分分類存在重疊的情況;Norio Igaw a分類方法相對(duì)較為復(fù)雜,并需要儀器輔助才能完成,不利于實(shí)際觀測(cè)運(yùn)用。陳仲林分類方法由于分類過于簡單而造成較大的誤差;這對(duì)正確選擇相應(yīng)的參考天空類別帶來了較大的困難。

因此,在已有研究成果的基礎(chǔ)上,建立分類明確、易于觀測(cè)識(shí)別并具有較好連續(xù)性的參考天空分類方法,將為天空亮度的觀測(cè)及研究奠定基礎(chǔ)。

1 參考天空分類參量研究

參考天空相對(duì)亮度分布取決于2個(gè)特征量,一是相對(duì)亮度最大元在天空中的位置,二是從此開始相對(duì)亮度在各方向遞減的相對(duì)亮度變化率[1]。因此不同的氣候狀況將極大的影響參考天空亮度分布表達(dá)式。CIE一般天空模型采用了太陽日面狀況、云量、天頂與地平亮度變化情況及太陽周邊光環(huán)大小作為劃分天空類型的主要?dú)庀髤⒘俊?/p>

為了避免分類模糊所造成的不便于實(shí)際運(yùn)用的情況,參考CIE一般天空分類標(biāo)準(zhǔn)及重慶大學(xué)陳仲林等人的天空分類研究成果[3],采用一些便于觀察的指標(biāo)對(duì)參考天空進(jìn)行分類。

在實(shí)際觀測(cè)中,天空狀況（云量等）、太陽日面狀況、水平區(qū)域到天頂亮度漸變狀況等氣象參量是容易被觀察與辨別的,且這些參量對(duì)天空亮度有較大的影響,因此這些氣象參量被選擇為天空亮度分類的基本參量對(duì)天空亮度進(jìn)行分類。這些參量的選擇不僅使得參考天空分類與地面測(cè)試觀察與測(cè)試數(shù)據(jù)相聯(lián)系,而且使得對(duì)真實(shí)天空的分類工作得以進(jìn)行與完成。在對(duì)參考天空分類之前,首先明確各氣象參量的含義,太陽日面狀況見表1,天空狀況（云量等）見表2,水平區(qū)域到天頂亮度漸變狀況是指水平區(qū)域相對(duì)天空亮度的變化情況,從參考天空的變化狀況來看,通?？刹捎米兞痢⒉蛔兗白儼祦砻枋?。在明確各參量的含義后,對(duì)所選擇氣象參量分別進(jìn)行分析。

表1 日面狀況各參量含義

表 2 天空狀況（云量）各參量含義

1.1 云量

在劃分天空類型時(shí),如果把云量作為區(qū)劃的唯一標(biāo)準(zhǔn),則通?？梢苑譃?類：全晴天空、中間天空和全陰天空。全晴天空對(duì)應(yīng)云量為0,日面狀況為☉2,中間天空對(duì)應(yīng)云量為1～9,日面狀況為☉、☉0、☉2及Π,全陰天空對(duì)應(yīng)的云量為10,日面狀況不僅有Π,而且還出現(xiàn)了由于云層較薄,太陽光透過云層,日面狀況記為☉和☉0的天氣現(xiàn)象,此時(shí),天空亮度分布規(guī)律顯然與陰天空亮度分布規(guī)律差別極大。根據(jù)氣候特點(diǎn)不同的6個(gè)日射站（重慶、西安、長春、二連、玉樹、烏魯木齊、上海）連續(xù)兩年定時(shí)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析表明這種天氣現(xiàn)象在重慶地區(qū)出現(xiàn)的概率大于3%（表3）。

由此可以得到一個(gè)重要結(jié)論,即云量盡管對(duì)天空亮度分布有重要的影響,但是由于云層厚薄、云層形態(tài)及位置的不同而使得日面狀況在天空中呈現(xiàn)出不同的狀態(tài),會(huì)形成不同的天空亮度分布模式,因此太陽日面狀況是影響天空亮度分布的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

表3 云量為10,日面狀況為☉,☉0的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)概率

1.2 日面狀況

盡管當(dāng)今氣象觀測(cè)不再把日面狀況作為常規(guī)觀察的一個(gè)項(xiàng)目[12],但是由于日面狀況對(duì)天空亮度分布具有及其重要的影響。因此,依然采用日面狀況作為研究天空亮度分布的一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行研究。全晴天空就是日面狀況為☉2的無云天空,全陰天空是指日面狀況為 Π的全部是云的天空。除了晴天空及陰天空外,一般可以認(rèn)為云在天空中出現(xiàn)的方位是隨機(jī)的,所以對(duì)于一般地區(qū)而言,尤其是當(dāng)該地區(qū)附近的地理?xiàng)l件大致相似時(shí),云在天空中各個(gè)方位上出現(xiàn)的可能性是相同的,因而從多年統(tǒng)計(jì)平均的觀點(diǎn)看,云在平均天空各個(gè)方位上出現(xiàn)的概率是相等的。即,云在平均天空中是以均勻狀態(tài)分布的,因此當(dāng)太陽面被云遮擋時(shí),可認(rèn)為此種中間天空的亮度分布規(guī)律類似于標(biāo)準(zhǔn)陰天空的亮度分布規(guī)律[13];當(dāng)太陽面上無云時(shí),可認(rèn)為此種中間天空的亮度分布規(guī)律類似于標(biāo)準(zhǔn)晴天空的亮度分布規(guī)律[13]。

實(shí)際天空中還存在一種過渡類型,即太陽雖被云遮擋,但是由于云層較薄,其輪廓可見、日面狀況記為☉0的天空狀況。在這種天空情況下,太陽附近處的天空亮度會(huì)明顯高于其它天空部分,這一點(diǎn)與晴天空亮度分布相同,從云在平均天空中均勻分布這個(gè)統(tǒng)計(jì)平均觀點(diǎn)來看,可認(rèn)為此種天空的亮度分布類似于晴天空。

1.2.1 日面狀況理論基礎(chǔ) 自Bouguer在18世紀(jì)的研究并發(fā)展了任意方向表面的指數(shù)函數(shù)后,在理論物理和光學(xué)研究的主要關(guān)注集中于直射照度PV構(gòu)成的表達(dá)式的研究,目前使用的是其現(xiàn)代形式[7]：

其中PVa分別為在任意傾斜面和朝向的平面上的平行光束輻射或照度,EV0為大氣層外水平照度值,m為大氣光學(xué)質(zhì)量;

T V分別為在整個(gè)太陽光譜和可見光部分的混濁度因素;i為太陽光束與被輻射面或被照度面的法線所夾的入射角。通常對(duì)水平面而言,cosi=sin γs,因此

當(dāng)PVn被測(cè)量后,這些等式通常用來計(jì)算混濁度因素,也就是

當(dāng)僅僅測(cè)試了總照度GV與總漫射照度DV,那么可以相當(dāng)方便的利用等式計(jì)算出直射照度PV,進(jìn)而可計(jì)算出TV。

研究表明,大多數(shù)情況下的DV/EV比值依靠太陽高度角γs和TV值,當(dāng)TV＜8時(shí),Dumortier推薦了一個(gè)晴天空經(jīng)驗(yàn)公式[15]：

由公式可知,當(dāng)TV值過高后,DV/EV比值就與太陽高度角無關(guān)了,在低TV時(shí),隨太陽高度角的變化,DV/EV值相應(yīng)的變化,在高TV時(shí),隨太陽高度角的變化,DV/EV值與太陽高度角無關(guān)了。由于EV值通常僅跟太陽高度角和橢圓修正有關(guān),因此大氣混濁度TV對(duì)光氣候的影響可以被漫射光照度DV值所體現(xiàn)。這也表示了天空狀況隨大氣渾濁度的變化而由太陽由清晰可見到模糊不可見的變化過程,這也解釋了在全陰天太陽不可見時(shí)整個(gè)天空亮度不受太陽高度角的影響,而在晴天及中間天空情況下卻隨太陽高度角的變化而發(fā)生較大變化。

1.2.2 日面狀況對(duì)天空分類的影響 參數(shù)LV/DV已經(jīng)作為光氣候研究中最重要的參數(shù)之一,當(dāng)天頂亮度和漫射光照度同時(shí)測(cè)定后,LV/DV值就能對(duì)應(yīng)相應(yīng)的天空亮度分布狀況,利用LV/DV值來研究日面狀況對(duì)天空分類的影響。通過分析重慶1991年7月（圖1a）和1993年 1月（圖1b）IDMP觀測(cè)的LV/DV數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)7月出現(xiàn)的CIE天空類型較多,幾乎分布了各種天空類型,并以晴天居多,而1993年1月以陰天空為主,且LV/DV值主要分布在0.25～0.5之間,以陰天及多云天空為主,大氣渾濁度較大,這也與實(shí)際氣候狀況統(tǒng)計(jì)情況相一致。

為了驗(yàn)證日面狀況對(duì)天空亮度分類的影響,認(rèn)為大氣渾濁度TV＜5時(shí)為晴天空,5＜TV＜20時(shí)為中間天空,TV＞20時(shí)為霧天及陰天空,當(dāng)大氣渾濁度不同時(shí),LV/DV的取值范圍不同[15]。通常認(rèn)為在太陽高度角不超過30度時(shí),LV/DV能較好的表示天空類型,當(dāng)LV/DV在0.3以上時(shí),通常對(duì)應(yīng)陰天空,LV/DV小于0.16通常對(duì)應(yīng)晴天空,中間的部分值對(duì)應(yīng)中間天空。

在冬季低太陽高度角時(shí),無陽光條件下LZ/DV值主要分布在0.25以上,相應(yīng)的GV/EV值主要分布在0.25以下。而了解GV/EV與LZ/DV之間的關(guān)系對(duì)了解一個(gè)區(qū)域或時(shí)期內(nèi)的各種天空類型的分布比例是有幫助的。圖2為重慶1991年7月1分鐘數(shù)據(jù)的GV/EV與LZ/DV圖,從圖中可以看出晴天空區(qū)域、陰天空區(qū)域和中間天空區(qū)域所占的比例。并可直觀了解,1月重慶的氣候狀況以陰天空為主,僅有較少的多云天空,晴天空出現(xiàn)的幾率極少,而在7月的重慶,陰天空也占有一定的比率,但這一時(shí)期是以中間天空為主,晴天空出現(xiàn)的比例依然較低。

圖1 重慶1991年7月及1993年1月光氣候數(shù)據(jù)在CIE在標(biāo)準(zhǔn)LZ/DV曲線中的分布圖

圖2 重慶1991年7月及1993年1月光氣候數(shù)據(jù)GV/EV-LZ/DV分布圖

從以上分析可以看出LZ/DV與GV/EV值有關(guān),而GV/EV是反映了太陽透過大氣的狀況,也就間接反映了日面狀況,GV/EV值越小,意味著日面狀況被遮擋越嚴(yán)重,因此可以認(rèn)為日面狀況是劃分天空類型的重要?dú)庀髤⒘俊?/p>

1.3 地平到天頂亮度漸變狀況

假如不考慮太陽對(duì)天空亮度的影響,那么無云的天空具有亮的地平和暗的天頂,而全陰天空正好相反,天頂是亮的,地平是暗的。而參考天空認(rèn)為從全晴天空到全陰天空可以認(rèn)為是均勻分布在參考天空中的衰減物質(zhì)逐漸增厚,一直到太陽完全不可見的全陰天。因此在實(shí)際天空中,除全陰天及全晴天外,可以推論在一個(gè)忽晴忽陰的天空中,應(yīng)該具有一個(gè)亮度接近均勻的平均天空這也有一定的數(shù)學(xué)依據(jù)[1],因此對(duì)中間天空可以通過觀察其地平相對(duì)天頂亮度的變化狀況,并且可以根據(jù)觀察情況按照變亮、變暗及不變進(jìn)行區(qū)分,這不僅容易區(qū)分,而且有利于觀察。

2 參考天空分類

而在前面通過對(duì)天空亮度分布影響較大的氣候參量進(jìn)行分析,知道太陽日面狀況是影響相對(duì)亮度最大元在天空中位置的關(guān)鍵氣象參量,而云量及地平到天頂亮度漸變狀況是影響相對(duì)亮度在各方向遞減的重要?dú)庀髤⒘?。而且這3類氣象參量容易通過人眼觀察辨別得到,這就為正確辨別天空亮度類型奠定了基礎(chǔ)。

因此,除了一般需要人工照明的下雨、沙暴和雪暴等特殊天氣現(xiàn)象外,參考天空可根據(jù)關(guān)鍵氣候參量日面狀況的變化來描述由全陰天到全晴天的變化情況,并結(jié)合天空狀況（云量）及地平到天頂亮度漸變狀況,將參考天空劃分為6類,如表4。

3 結(jié)論

通過分析各種氣象參量對(duì)天空亮度分布的影響,提出采用以日面狀況為主要參量,結(jié)合云量、地平到天頂亮度漸變狀況2個(gè)輔助參量的分類方法;根據(jù)參考天空從全晴天空到全陰天空可以認(rèn)為是均勻分布在參考天空中的衰減物質(zhì)逐漸增厚,一直到太陽完全不可見的全陰天的變化過程的假設(shè),將參考天空劃分為6類,分別代表太陽日面狀況由☉2到☉到☉0到Π的變化過程。

表4 參考天空分類

該參考天空分類方法具有物理意義明確,天空類型劃分明確,易于人眼觀測(cè)識(shí)別,并具有較好連續(xù)性,覆蓋了各種天空類型,為天空亮度分布研究及天然光的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。

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（編輯王秀玲）