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        云岡石窟景區(qū)晴天太陽輻射模型研究

        2018-03-29 07:34:15孟田華高清蘭任建光盧玉和李榜全劉紅梅ChristopherLeung
        關(guān)鍵詞:模型

        孟田華,高清蘭,任建光,盧玉和,李榜全,劉紅梅,Christopher Leung

        (1.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同037009;2.大同市氣象局,山西大同037010;3.云岡石窟研究院,山西大同037007;4.The Bartlett School of Architecture,University College London WC1H 0QB)

        作為典型的露天石質(zhì)文物世界文化遺產(chǎn),云岡石窟坐落于中國的山西省大同市城西大約16公里處的武周山南麓[1],地理位置為東經(jīng)113°20′,北緯40°04′。地處(氣候?qū)伲┲袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū),晝夜溫差大,年平均氣溫為7℃,年平均降雨量400 mm左右,年日照時(shí)數(shù)較長,約為2 800 h[2]。

        太陽熱輻射是影響露天文物環(huán)境的重用因素之一[3-5]。露天文物表面一系列復(fù)雜的熱交換活動(dòng)都是建立在文物初始接收太陽熱輻射基礎(chǔ)上的,因此調(diào)研露天文物所處環(huán)境的熱輻射氣象資料,準(zhǔn)確地計(jì)算地表太陽輻射對于文物的修繕和維護(hù)有著至關(guān)重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

        研究太陽輻射的方法主要有三種[6-8]:地面臺(tái)站觀測、衛(wèi)星遙感,數(shù)值模擬研究。結(jié)合云岡石窟景區(qū)所在地基站的情況,我們選擇使用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。而計(jì)算晴天太陽輻射量的模型,大致有三種[9-10]:理論推導(dǎo),經(jīng)驗(yàn)公式,半理論半經(jīng)驗(yàn)公式,歸納起來,可解決兩大類計(jì)算模型:瞬時(shí)太陽輻照度模型;和計(jì)算日、時(shí)太陽輻射總量模型。本文基于Haurwitz輻射經(jīng)驗(yàn)公式,建立了云岡石窟景區(qū)輻射熱計(jì)算模型,該模型可計(jì)算出任意一天在晴空條件下,時(shí)間間隔為5 min的云岡石窟全天實(shí)時(shí)輻射熱數(shù)值。

        1 晴天太陽輻射模型

        1.1 Haurwitz輻射經(jīng)驗(yàn)公式

        太陽輻射值是指單位面積、單位時(shí)間內(nèi)的太陽輻射能量,單位為瓦特/平方米(W·m-2)。云岡石窟景區(qū)沒有專為太陽輻射測量的氣象觀測臺(tái),現(xiàn)有的可用于太陽輻射研究的實(shí)測資料,無法滿足太陽輻射研究的需要。所以需要借助建立模型來進(jìn)行理論計(jì)算太陽輻射值。理想狀態(tài)下影響太陽輻射的主要因子是地理緯度、海拔高度等,而晴天的太陽輻射值主要取決于太陽高度角(αsol)?;贖aurwitz經(jīng)驗(yàn)公式[11],可計(jì)算得到太陽輻射值,如方程1所示:

        其中太陽高度角(αsol),利用實(shí)際對應(yīng)的時(shí)間(time)、日期(data)、及地理位置(經(jīng)度(Latitude),緯度(Longitude)和時(shí)區(qū)(Time zone)),并使用標(biāo)準(zhǔn)天文算法[12](Meeus,1998)可計(jì)算得出。

        1.2 模型的建立

        基于上述計(jì)算所得的輻射值數(shù)據(jù)集,我們使用最優(yōu)插值方法,并利用Excel編程,便可得到任意一整天,時(shí)間間隔為5 min的云岡石窟全天實(shí)時(shí)輻射熱數(shù)值,最后對輻射熱數(shù)據(jù)集制圖,便可直觀呈現(xiàn)出任意全天的太陽輻射變化情況,如圖1所示,為2017年1月1日云岡石窟景區(qū)的晴天太陽輻射值。

        圖1 云岡石窟景區(qū)2017-01-01的晴天太陽輻射值

        由圖1可見,這一天的日出時(shí)間為7:55,日落時(shí)間為17:55。中午12:30達(dá)到太陽的輻射最大值為439.79 W·m-2,基于這天處于當(dāng)?shù)囟据^寒冷時(shí)段,所以對應(yīng)的太陽輻射瞬時(shí)值較小,沒有超過440 W·m-2。

        2 模型的應(yīng)用及討論

        2.1 不同季節(jié)太陽輻射值

        我們分別利用模型計(jì)算比較了2017年四個(gè)季節(jié)代表性的四天的太陽輻射值,分別為春分(3-20)、夏至(6-21)、秋分(9-23),和冬至(12-22)。結(jié)果如圖2顯示,由于夏至(6-21)這天白晝最長,長達(dá)15個(gè)小時(shí);太陽高度最高,正午太陽高度高達(dá)73°32′,所以,這天的太陽輻射值明顯高于其余三天。反之,冬至(12-22)這天,太陽運(yùn)行至黃經(jīng)270°,太陽直射地面的位置到達(dá)一年的最南端,冬至這一天北半球得到的陽光最少,比南半球少了50%。北半球的白晝達(dá)到最短,故而對應(yīng)圖中綠線太陽輻射值為最小。而春分(3-20)和秋分(9-23)日,正如俗語所言“春分秋分,晝夜平分”,在春分(太陽到達(dá)黃經(jīng)0°)這一天,太陽剛好直射赤道,此時(shí),晨昏線經(jīng)過南北極點(diǎn),與地球的經(jīng)圈重合,將所有緯線平分為兩部分,所以這一天全球晝夜幾乎相等。同樣秋分(太陽到達(dá)黃經(jīng)180°)這一天,太陽再度直射赤道,晨昏線同樣經(jīng)過南北極點(diǎn),與地球的經(jīng)圈重合,將所有緯線平分為兩部分。所以,我們的模擬計(jì)算結(jié)果也正符合實(shí)際情況,這兩天的晴天太陽輻射值基本相同。故而,也論證了我們晴天太陽輻射模型的可靠性。

        圖2 全年中代表性四天—春分(3-20),夏至(6-21),秋分(9-23),和冬至(12-22)的晴天太陽輻射值

        2.2 晴天和陰天差異

        我們通過對模型所得的晴天太陽輻射值與實(shí)測值進(jìn)行對比,進(jìn)而確定實(shí)際天氣的情況,外加氣象站檢測的溫度值(圖3,圖4和圖5),以便全面了解云岡石窟景區(qū)氣象資料。

        圖3 2017年5月份的溫度和太陽輻射圖

        圖4 2017-05-13的溫度及晴天太陽輻射值與實(shí)測輻射值的對比圖

        圖5 2017-05-22的溫度及晴天太陽輻射值與實(shí)測輻射值的對比圖

        圖4為2017年5月份的溫度和太陽輻射值對照結(jié)果。我們通過大致對比,分別選出晴天幾率較大的幾天和可能是陰天的幾天,接著通過我們已經(jīng)建好的晴天太陽輻射模型分別計(jì)算出各天的理想晴天輻射值,與實(shí)測值進(jìn)行對比,并繪圖,進(jìn)而得出確切結(jié)論。如圖4和圖5,是我們通過比較這些結(jié)果,選出確切的具有代表性的晴天和陰天案例。由圖4(2017-05-13)上半部分的溫度變化曲線可看出,時(shí)間為5:20時(shí)是全天溫度最低的時(shí)刻,正好對應(yīng)下圖太陽輻射曲線所指明的日出時(shí)刻。日落時(shí)間為19:30,由于大地的長波輻射,物體的吸收反射等影響,導(dǎo)致溫度下降延遲,對應(yīng)不是很明顯。實(shí)測太陽輻射值與模擬計(jì)算值非常接近,說明實(shí)際中這天是一個(gè)晴好天氣。類似的圖5為2017年5月22日溫度曲線、實(shí)測太陽輻射值和模擬計(jì)算所得值的比較。由溫度曲線可見,全天的溫度起伏很小,而且氣溫較低;下面的理想晴好天氣太陽輻射曲線與實(shí)測輻射曲線的對比差異很大,實(shí)際測量值明顯低于理想值,而且日出時(shí)間為5:10,日落時(shí)間為19:45,與溫度值無明顯對應(yīng)體現(xiàn),這些都可說明這一天是一個(gè)多云的陰冷天氣。通過這樣的分析便可為云岡石窟的修繕和維護(hù)提供可靠的氣象數(shù)據(jù)參考。

        3 結(jié)論

        本文基于Haurwitz輻射經(jīng)驗(yàn)公式,建立了云岡石窟景區(qū)輻射熱計(jì)算模型,該模型可計(jì)算出任意一天在晴空條件下,時(shí)間間隔為5 min的全天輻射熱數(shù)值。同時(shí),利用該模型結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笳緦?shí)測數(shù)據(jù),我們比較了晴天和陰天的溫度及輻射熱差異。可準(zhǔn)確得出當(dāng)天的天氣情況,特別是可彌補(bǔ)氣象資料的缺失,這對云岡石窟的修繕和維護(hù)有著至關(guān)重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

        [1]孟田華.云岡石窟風(fēng)化的綜合分析研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2014.

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        [12]Jean Meeus.Astronomical Algorithms[M].Atlantic Books,second edition.1998:98-133.

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