摘要：根據(jù)每日天氣預(yù)報(bào)資料，構(gòu)建了日光溫室外太陽(yáng)輻射推算模型；根據(jù)日光溫室透光率，構(gòu)建了日光溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射推算模型。模型中考慮了天空云量對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋，并利用吉林省吉林市永吉縣雙河鎮(zhèn)日光溫室對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型能預(yù)測(cè)晴天和多云的日光溫室外和室內(nèi)到達(dá)土壤表面的太陽(yáng)輻射的動(dòng)態(tài)過(guò)程，模型推算值與實(shí)測(cè)值極顯著相關(guān)，相對(duì)誤差小于９．５％。

關(guān)鍵詞：日光溫室；太陽(yáng)輻射；推算模型

中圖分類號(hào)：Ｓ６２５．５＋１ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）07－1468-03

Ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ of Ｓｏｌａｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ

ＧＵＯ Ｚｈｅｎｇ－ｈａｏ１，２，ＹＵ Ｈａｉ－ｙｅ１，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ１

（１． Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｗｅａｔｈｅｒ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｕｔｓｉｄｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ waｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ mounts ｏｆ ｃｌｏｕｄｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｓｈｕａｎｇｈｅ tｏｗｎ， Ｙｏｎｇｊｉ cｏｕｎｔｙ， Ｊｉｌｉｎ pｒｏｖｉｎｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｈａd ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｃould ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｓｕｎｎｙ ａｎｄ ｃｌｏｕｄｙ ｄａｙｓ． Ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅｓ waｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ waｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ９．５％．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： gｒｅｅｎｈｏｕｓｅ； sｏｌａｒ rａｄｉａｔｉｏｎ； pｒｏｊｅｃｔｉｏｎ mｏｄｅｌ

來(lái)自太陽(yáng)輻射的能量，是地球表面上一切有生命的機(jī)體賴以生存并與生命環(huán)境相互作用的最重要、最根本的能量源泉［１］。自然條件下，綠色植物進(jìn)行光合作用制造有機(jī)質(zhì)必須有太陽(yáng)輻射作為惟一能源參與才能完成［２］。太陽(yáng)輻射實(shí)際上是一種電磁波，它有各種不同的波長(zhǎng)［３］。以短波輻射為主的太陽(yáng)輻射通過(guò)溫室透光材料進(jìn)入溫室，在使地溫和氣溫升高的同時(shí)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)波輻射，長(zhǎng)波輻射又被透光材料阻隔在溫室內(nèi)，從而形成溫室內(nèi)熱量積聚，使溫室內(nèi)溫度升高，這一過(guò)程稱為“溫室效應(yīng)”。溫室正是利用“溫室效應(yīng)”，在作物不適于生長(zhǎng)的寒冷季節(jié)通過(guò)提高室內(nèi)溫度改變作物生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)達(dá)到作物反季節(jié)生產(chǎn)和提高產(chǎn)量的目的。因此，太陽(yáng)輻射在很大程度上直接影響甚至決定了日光溫室溫光環(huán)境，推算并分析日光溫室太陽(yáng)輻射時(shí)空變化特征具有重要意義。

１ 日光溫室太陽(yáng)輻射推算模型

１．１ 室外模型

１．１．１ 晴天無(wú)云時(shí)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射照度

１）太陽(yáng)直射輻射照度計(jì)算。任意平面上得到的太陽(yáng)直射輻射，與陽(yáng)光對(duì)該平面的入射角有關(guān)，如果某平面的傾角為θ時(shí)，其所接受的太陽(yáng)直射輻射照度Ｉｂθ計(jì)算公式如下：

Ｉｂθ＝ＩｏＰｍｃｏｓｉ

式中Ｉｏ為大氣層上界的太陽(yáng)輻射照度，Ｗ／ｍ２； Ｐ為大氣透明系數(shù)，大氣透明系數(shù)在最好晴天取值為０．８５、較好的晴天取值為０．８０、中等晴天取值為０．６５、較差的晴天取值為０．５３［４］；m為大氣質(zhì)量，不同太陽(yáng)高度角的大氣質(zhì)量數(shù)不同，９０°?。保埃?、６０°?。保保?、３０°取３．００、１°?。玻保梗啊ⅲ啊闳。常担矗埃郏担荩?ｉ為入射角（°）；氣層上界的太陽(yáng)輻射照度Ｉｏ計(jì)算公式如下：

Ｉｏ＝1 3671+0.033cos■

ｄｎ為日序，即１月１日為１， ２月１日為３２，其余依次類推。

２）太陽(yáng)散射輻射照度計(jì)算。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面從空中所接受的散射輻射包括３項(xiàng)，即天空散射輻射、地面反射輻射和大氣長(zhǎng)波輻射，其中天空散射輻射是關(guān)鍵項(xiàng)。在給出太陽(yáng)總輻射照度的數(shù)據(jù)時(shí)，散射輻射一般只計(jì)算其中天空散射輻射一項(xiàng)［６］。如果某平面的傾角為θ時(shí)，其所接受的太陽(yáng)散射輻射照度Ｉｄθ計(jì)算公式如下：

Ｉｄθ＝Idcos2■

式中，Ｉｄ為晴天水平面的天空散射輻射照度，計(jì)算公式如下：

Ｉｄ＝■Ｉ0■sinβ

式中，β為太陽(yáng)高度角（°）。

３）太陽(yáng)總輻射照度計(jì)算。地球上任何一個(gè)地方，任意一種傾斜面上，獲得的太陽(yáng)總輻射照度Ｉｓθ等于該傾斜面上所接受的直射輻射照度Ｉｂθ和散射輻射照度Ｉｄθ的總和，計(jì)算公式如下：

Ｉｓθ＝Ｉｂθ＋Ｉｄθ

１．１．２ 有云時(shí)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射照度 一天中，若部分為陰天，部分為晴天，則定義該日為一個(gè)“有云日”［２］。對(duì)于有云日來(lái)說(shuō)，其情況極為復(fù)雜，目前還沒(méi)有非常好的辦法來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。在氣象上常以天空中出現(xiàn)的云量（用符號(hào)“ｃｃ”表示）的多少計(jì)算天氣晴朗的程度。將云量多少分為０～１０級(jí)，當(dāng)云量ｃｃ≤2時(shí)可以認(rèn)為是全晴天氣，用前述晴天的太陽(yáng)輻射計(jì)算公式來(lái)計(jì)算；當(dāng)２＜ｃｃ＜８是一般常見(jiàn)天氣，每天之間可能出現(xiàn)晴、多云或陰三種狀態(tài)；當(dāng)ｃｃ≥８時(shí)，基本上是多云或陰，不會(huì)出現(xiàn)晴的狀態(tài)［６］。此時(shí)，由于云量的多少直接影響透過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射量，所以，有人提出用云量的數(shù)量計(jì)算來(lái)進(jìn)行修正，作為有云日地面上接受的太陽(yáng)輻射照度，云遮系數(shù)法就是這種方法。有云日水平面上太陽(yáng)總輻射照度ＩＨＣ可按下式近似計(jì)算：

ＩＨＣ＝ＩＨＣＣＦ

式中，ＩＨ為晴天水平面太陽(yáng)總輻射照度，計(jì)算公式如下：

ＩＨ＝Ｉｂ＋Ｉｄ＝ＩｏＰ ｍ+■sinβ

Ｉｂ為水平面的太陽(yáng)直接輻射照度，Ｗ／ｍ２

Ｉｂ＝ＩoＰｍｓｉｎβ

ＣＣＦ為云遮系數(shù)，它可根據(jù)天空云量多少按下式求得：

ＣＣＦ＝Ｐ＋Ｑ（ＣＣ）＋Ｒ（ＣＣ）２

式中，Ｐ、Ｑ、Ｒ為常數(shù)值，與地區(qū)和季節(jié)有關(guān)，具體見(jiàn)表１。

１．２ 室內(nèi)模型

溫室內(nèi)光照度受溫室透光率的直接影響。溫室透光率與溫室方位、類型、溫室結(jié)構(gòu)、溫室內(nèi)設(shè)備的布置、透光材料類型及老化程度、透光覆蓋材料的結(jié)露情況及污染程度等諸多因素有關(guān)。溫室內(nèi)太陽(yáng)總輻射照度按下式計(jì)算［８］：

Ｉｉｎ＝Ｉｂθτｂ＋Ｉｄθτｄ

式中，Ｉｂθ為到達(dá)溫室外壁面太陽(yáng)直接輻射照度，Ｗ／ｍ２；Ｉｄθ為到達(dá)溫室外壁面太陽(yáng)散射輻射照度，Ｗ／ｍ２；τｂ為直射光的透過(guò)率；τｄ為散射光的透過(guò)率，τｂ取決于直射光的入射角和相應(yīng)的透光材料透射率：

τｂ＝τα（１－ｒ１）（１－ｒ２）（１－ｒ３）

τα為干潔透光材料在入射角為α?xí)r的透射率；ｒ１為溫室構(gòu)架、設(shè)備等不透光材料的遮光損失，一般大型溫室不超過(guò)5%，小型溫室不超過(guò)10%；ｒ２為溫室覆蓋材料因老化造成的透光損失；ｒ３為水滴和塵埃造成的透光損失，一般水滴透光損失可達(dá)20%~30%，塵埃透光損失可達(dá)15%~20%，τｄ取決于散射光的入射角和相應(yīng)的透光材料透射率。

τｄ＝τｄ０（１－ｒ１）（１－ｒ２）（１－ｒ３）

τｄ０為干潔透光材料對(duì)散射光透射率；ｒ１、ｒ２、ｒ３同上。

２ 結(jié)果及分析

２．１ 試驗(yàn)布置基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省吉林市永吉縣雙河鎮(zhèn)。雙河鎮(zhèn)位于吉林市與長(zhǎng)春市中間偏南部，適合溫室生產(chǎn)。所涉及的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自雙河鎮(zhèn)內(nèi)的一棟日光溫室，該溫室為單棟節(jié)能型塑料薄膜日光溫室，東西走向，坐北朝南，長(zhǎng)６０ ｍ，跨度５．７０ ｍ，前坡面和后坡面為鋼結(jié)構(gòu)一體化半拱形桁架，中脊高 ２．７０ ｍ，后墻高１．８５ ｍ。后墻和山墻為磚結(jié)構(gòu)，厚０．５４ ｍ，后墻有中空部分，添加 ０．０５ ｍ珍珠巖等保溫材料。薄膜材料采用聚氯乙烯膜，厚０．８ ｍｍ。在室外距供試日光溫室５ ｍ遠(yuǎn)的３ ｍ高臺(tái)上設(shè)置一個(gè)ＤＦＹ２型天空輻射表（日本英弘精機(jī)制，ＭＳ－６０１型），日光溫室內(nèi)中央地面設(shè)置一個(gè)ＤＦＹ２型天空輻射表（日本英弘精機(jī)制，ＭＬ－０２０型），進(jìn)行太陽(yáng)輻射的測(cè)定。

２．２ 結(jié)果分析

運(yùn)用ＭＡＴＬＡＢ編制程序求解模型。代入每日天氣預(yù)報(bào)的條件，程序就可計(jì)算出每日室內(nèi)、外太陽(yáng)輻射隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè)值，并將預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。圖１顯示了晴天日光溫室內(nèi)、外太陽(yáng)輻射照度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的模擬結(jié)果；圖２顯示了多云天日光溫室內(nèi)、外太陽(yáng)輻射照度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的模擬結(jié)果。對(duì)晴天、多云天擬合檢驗(yàn)，模擬計(jì)算得到日光溫室內(nèi)、外太陽(yáng)輻射照度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值極顯著正相關(guān)，相對(duì)誤差小于９．５％。

３ 小結(jié)

基于每日天氣預(yù)報(bào)資料，繼承了前人的研究成果，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值極顯著相關(guān)，相對(duì)誤差小于９．５％，精度較高。晴天時(shí)，太陽(yáng)短波輻射為主，覆蓋材料對(duì)短波輻射透射率高，室內(nèi)外輻射照度變化同步、明顯；多云天時(shí)，云層與地面間長(zhǎng)波輻射較多，又多被覆蓋材料阻擋在溫室外部，所以溫室內(nèi)輻射照度變化比室外變化緩慢，變化幅度小。本模型雖然誤差小、精度高，但模型檢驗(yàn)結(jié)果還存在一定的誤差，有測(cè)量?jī)x器本身的問(wèn)題，也有大氣氣溶膠等污染物對(duì)太陽(yáng)輻射影響方面的原因。由于模型所需氣象資料均為氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目， 適合當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射的模擬計(jì)算，所以具有很好的推廣前景。

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