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(huì)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(shí)大自然，加強(qiáng)對(duì)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(duì)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(huì))成立了TC3.25技術(shù)委員會(huì)，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(gè)國家紛紛響應(yīng)，相繼建立起不同等級(jí)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(jí) (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(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)太陽輻射、照度及天頂亮度等十一個(gè)量進(jìn)行了為時(shí)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(duì)每天日出至日落時(shí)間內(nèi)的太陽輻射、照度和天頂亮度等共十一個(gè)信號(hào)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(gè)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)數(shù)及年日照百分率均屬全國最低位之列。日照時(shí)數(shù)多年均為1112.8～1655.8小時(shí)，年百分率僅25% ～30%。比同緯度的上海、漢口、拉薩少得多。日照時(shí)數(shù)夏季最多，占全年的42%～46%，冬季僅占11%左右;日照時(shí)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(shí)數(shù)為1112.6～1655.8小時(shí)，海拔500至1000米的低山地區(qū)為1112.6～1214小時(shí)，海拔1000米以上中山區(qū)為970～1135小時(shí)［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(duì)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(shí)間為要求，即以每天當(dāng)?shù)厝粘鰰r(shí)間為起始，日落時(shí)間為結(jié)束，對(duì)其間以半小時(shí)為間隔的云量、云狀及日面狀況進(jìn)行了為時(shí)兩年半的觀測。本文對(duì)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。總云量系指天空被所有的云遮蔽的成數(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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)也可反映當(dāng)時(shí)的天氣狀況。如天空低云密布時(shí)，則為陰天的可能性較大，當(dāng)天空以中云為主時(shí)，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(shí))，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(shí)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(duì)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(hào)表示，其符號(hào)分別代表不同的定義，如表2所示。

表1中對(duì)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(hào)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(gè)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(duì)1991年和1992年中的3月、8月、12月份以半小時(shí)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(shí)，還對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間 (半小時(shí)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(shí)間 (半小時(shí)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(duì)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(duì)較多，而8月份的全云天數(shù)量相對(duì)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(gè)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(shí)數(shù)低，而8月份日照時(shí)數(shù)高的天氣規(guī)律。日照時(shí)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(shí)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(shí)分段平均的總照度和總太陽輻射隨時(shí)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(shí)間的變化規(guī)律。由圖可知，上、下午的曲線變化呈對(duì)稱分布，其峰值區(qū)間多集中在正午12時(shí)至下午15時(shí)之間。8月份的峰值和曲線波動(dòng)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(shí)時(shí)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(gè)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(shí)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(duì)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(gè)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(duì)應(yīng)的太陽高度角

6 結(jié)論

結(jié)合氣象觀測結(jié)果對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)間或太陽高度角的增加變大，且上、下午呈對(duì)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定;

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

5)3個(gè)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(duì)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)．