重庆地区的光气候研究

张青文 杨春宇 胡英奎 黄珂

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400045)

1 引言

多年来，随着社会生产力的不断发展，人类的大量开发使地球正面临能源短缺、气候变暖、生态环境遭受破坏的威胁。如何重新认识大自然，加强对清洁能源“天然光和太阳能”的开发与利用，以防止有限能源日益减少和降低环境污染对人类生存带来的影响，已成为本世纪重要的研究课题。

1990年，CIE(国际照明委员会)成立了TC3.25技术委员会，即 International Daylight Measurement Program，简称IDMP，即全球天然光观测的合作项目，并将1991年定为国际天然采光年。为此，全世界五十多个国家纷纷响应，相继建立起不同等级的天然光及日辐射观测站［1］。同年，我国重庆地区也建立了一般级 (General Class)的天然光及日辐射观测站。在查阅CIE大量相关资料和完成了设备研制的基础上，从1991年1月至1993年7月间，采用了全套自动化系统，对太阳辐射、照度及天顶亮度等十一个量进行了为时两年半的连续观测，获得了大量观测数据，为重庆地区的光气候研究提供了科学的依据。

观测中，采用了计算机控制下的多路数据采集系统，对每天日出至日落时间内的太阳辐射、照度和天顶亮度等共十一个信号进行每分钟的巡回检测。太阳辐射包括总辐射、散射辐射和直接辐射。照度除水平面上的总照度、散射照度和直接照度外，还有东、南、西、北四个方向上的垂直面照度，其次，由气象部门负责进行以每天半小时为间隔的云量、云状和日面状况的观测，建站过程中，力求以CIE的要求为准则，以求观测数据能进行国际交流的目的［2］。

本文对重庆地区1991年和1992年，分别代表不同季节的3月、8月及12月份的总照度和总太阳辐射观测数据进行了处理，找出了上述月份时间及总照度和总太阳辐射随太阳高度角的变化关系，并结合对应的云状、云量及日面状况等气象数据进行了统计和分析，对光气候变化的规律进行了探究。

2 重庆地区的地理环境及气候概况

位于东经 105°11'～110°11'，北纬 28°10'～32°13'之间的重庆市，其幅员面积8.24万平方公里，总人口达3075万人，是我国地域最广、人口最多的直辖市。重庆市山峦起伏，河流密布，其特殊的地理环境，形成了重庆地区典型的气候条件。

重庆气候属中亚热湿润季风气候类型，其特征为夏热冬暖，无霜期长。长期的气象观测资料表明，重庆的年总日辐射量、年日照时数及年日照百分率均属全国最低位之列。日照时数多年均为1112.8～1655.8小时，年百分率仅25% ～30%。比同纬度的上海、汉口、拉萨少得多。日照时数夏季最多，占全年的42%～46%，冬季仅占11%左右;日照时数又随海拔升高而减少，海拔小于500米的丘陵地区，年日照时数为1112.6～1655.8小时，海拔500至1000米的低山地区为1112.6～1214小时，海拔1000米以上中山区为970～1135小时［2］。

重庆地区的光气候受其气象条件的影响，亦具有典型的特征，如夏季的总照度包含较多的直射分量，而冬季的总照度基本上为散射照度。如何摸清它们的变化规律，使其服务于重庆市的经济建设，就需要有足够的光气候观测数据，并对其进行处理、统计和分析，才能掌握光气候的变化规律。

3 气象观测记录的统计结果

由重庆沙坪坝区气象局完成的气象观测数据以光观测站的数据采集时间为要求，即以每天当地日出时间为起始，日落时间为结束，对其间以半小时为间隔的云量、云状及日面状况进行了为时两年半的观测。本文对所选月份的气象观测数据进行了相应统计，并使其用于光气候观测数据的分析工作中，即根据云量、云状、日面状况与照度及太阳辐射间的内在关系，从而探究光气候的变化规律。

3.1 云量

云量是指云遮蔽天空的成数。将测点视野范围内的天空分为十等分，估计十等分中被云所遮蔽的份数，称为云量。云量观测包括总云量和低云量。总云量系指天空被所有的云遮蔽的成数。低云量系指天空被低云所遮蔽的成数［3］。云量的份数可反映出日光照射的基本概况，如10∕10则表明整个天空被云层遮蔽，基本上无直射阳光，这类天空又称全云天空。为便于分析，本文仅以各月份总观测时数中全云天空的出现次数为参考。并将1991年和1992年3月、8月、12月份中各观测时段全云天空当月出现次数的总和分别列于表1中。

表1中的部分数据反映了全云天空的出现几率，而云状的观测结果则是分析天气状况成因的重要指标，它直接关系着光气候的演变与形成。

3.2 云状

云的外形特征千变万变，形成原因也很复杂，但是它们又有其共同的特点。通常根据其共有特点，结合实际需要，按云的底部高度将其分为低、中、高三族，然后按云的外形特征、结构和成因划分为十属及二十九类［3］。

不同的云状不仅可预测天气状况的演变和形成。同时也可反映当时的天气状况。如天空低云密布时，则为阴天的可能性较大，当天空以中云为主时，通常是似晴或似阴天空，若空中仅为高云，则多半为晴天。重庆的夏季常出现的无云天 (当天空中的云量小于1∕10时)，通常是艳阳当空，而其他季节的无云天常出现在雾霾笼罩的早、晚。因此，通过云的族性，再结合云量和日光状况的分析，就可基本判定当时的气候类型。表1中列有各月份低、中、高云及无云天分别在当月总观测次数中所出现的百分率，它将结合全云天云量和日面状况的统计结果对光气候进行分析。

表1 1991年和1992年3、8、12月份气象观测记录统计表

3.3 日面状况

日面状况泛指太阳光与地面阴影的形成关系，它在一定程度上反应了太阳辐射的强弱趋势，可揭示天气状况的基本轮廓。日面状况常用特定的符号表示，其符号分别代表不同的定义，如表2所示。

表1中对应于全云天空及云族的出现次数及百分比，还列出了各月份不同日面状况在当月总观测次数中所占的百分比。参照表1中的数据，分别绘制出上述统计结果的柱状图，图中在一定程度上反映了不同年、月的气候变化特点 (见图1，图2，图3)。

表2 日面状况的表示符号及其定义

4 光气候观测数据的处理结果

在光气候观测的11个物理量中，总照度和总太阳辐射 (即水平面上的观测值)占有主导地位，它们可基本反映光气候的变化规律［4］。为此，本文分别对1991年和1992年中的3月、8月、12月份以半小时分段的总照度和总太阳辐射观测值分别进行了按月平均处理，其处理结果见表3、表4。同时，还对按1°太阳高度角分隔的总照度进行了按月平均处理，图4、图5、图6、图7分别绘出了经上述处理后的总照度和总太阳辐射值随时间变化的关系曲线及总照度随太阳高度角变化的关系曲线。图表中的太阳辐射和照度单位分别为:w/m2和lx/m2。

图2 1992年3月、8月、12月份各云族及日面状况于当月总观测次数中所占百分比

图3 1991及1992年3月、8月、12月份全云天出现次数统计

表3 1991年总太阳辐射及总照度按半小时分段平均数据月报表

表4 1992年总太阳辐射及总照度按半小时分段平均数据月报表

图4 1991年3月、8月、12月份总照度及总辐射随时间 (半小时分段平均数据)变化的关系曲线

图5 1992年3月、8月、12月份总照度及总辐射随时间 (半小时分段平均数据)变化的关系曲线

图6 1991年3月、8月、12月份总照度随太阳高度角 (1度间隔平均数据)变化的关系曲线

5 分析与讨论

以下将结合1991年和1992年3月、8月、12月的气象观测统计结果对相应光气候观测数据的处理结果进行分析和讨论。

5.1 气象观测统计结果的分析

图7 1992年3月、8月、12月份总照度随太阳高度角 (1度间隔平均数据)变化的关系曲线

由表1和图1、图2、图3不难看出，无论是1991年年或1992年，分别代表不同季节的3月、8月、12月份各有不同的气侯特征。虽然年份不同，但相同月份的气候特征点却基本一致。主要表现在，3月份和12月份的全云天出现次数相对较多，而8月份的全云天数量相对最少 (见表1和图3)。这与云族和日面状况的分布趋势完全吻合。如3、12月份低云和日面状况Л出现的百分比值最大，且这两个月份的各项统计结果较为接近，而8月份高云和日面状况⊙2出现的百分比值却最大 (见表1和图1、图2)。这证明了重庆地区3月、12月份日照时数低，而8月份日照时数高的天气规律。日照时数的不同应直接关系到太阳辐射和天然光照度的变化，以下有待分析。

5.2 光气候观测数据的处理结果分析

5.2.1 总照度和总太阳辐射随时间的变化关系

表3、表4及图4、图5分别反映了1991年和1992年3月、8月、12月份，各月按半小时分段平均的总照度和总太阳辐射随时间的变化关系。由图可知，总照度和总辐射的变化趋势完全一致，这说明尽管两者物理量不同，但却揭示了热与光之间所存在的共性。

图中的曲线轨迹显示出总照度和总辐射随着日出至日落时间的变化规律。由图可知，上、下午的曲线变化呈对称分布，其峰值区间多集中在正午12时至下午15时之间。8月份的峰值和曲线波动范围远高于3月和12月份，且3月份又略高于12月份。由表3、表4所列数据亦可看出，8月份的各半小时时间段的总照度和总辐射平均值远大于3月份，3月份又略大于12月份，这证明了重庆地区8月份的总照度及总辐射和日面状况⊙2有关，含有较多的直射分量，而3月份及12月份的日面状况多为Л，其总照度及总辐射则以散射分量为主。

仅由1991年和1992年相同月份的总照度和总太阳辐射来分析，由表3、表4及图4、图5不难看出，不同年份相同月份的光气候变化具有完全相同的规律，虽然个别相同月份的气象观测统计和光气候观测数据结果有较小的差异，但并不影响其总的规律性，它基本反映了重庆地区3月、8月、12月份的光气候特点。

5.2.2 总照度随太阳高度角的变化关系

图7反应了1991和1992年3月、8月、12月份总照度随太阳高度角 (每天按1°间隔的平均值)的变化关系。由图可知，其曲线分布与图4、图5基本相同，这说明总照度随太阳高度角和时间变化有相同的规律。表5列出了上述年月，每天按1°间隔平均的各月份中的最大照度值及所对应的太阳高度角。由表5可知，照度随着高度角的增加在变大，直至最大照度值出现于最大高度角处。不同年份的照度最大值排序均为8月份＞3月份＞12月份，各月份有明显的差异。各年份相同月份的照度最大值非常接近，这也反映了三个不同月份总照度的分布规律。

表5 1991和1992年3月、8月、12月份中的最大照度值及所对应的太阳高度角

6 结论

结合气象观测结果对光气候观测数据进行了分析，确定了云量、云状、日面状况等气象条件对总照度和总太阳辐射的作用及影响，找出了重庆地区3月、8月、12月份，分别代表不同季节光气候变化的一般规律，得到了如下结论:

1)通过对两年观测资料的统计和分析，初步证实了重庆地区8月份的总照度和总太阳辐射多为直射分量，而12月份则以散射分量为主，3月份的散射分量与直射分量相差不大;

2)总照度和总太阳辐射随时间或太阳高度角的增加变大，且上、下午呈对称变化，其最大值出现在最大高度角处;

3)总照度和总太阳辐射8月份与3月份随太阳高度角变化的曲线波动幅度很接近，12月份最小，这也说明冬季全云天较多，天空亮度分布相对稳定;

4)总照度和总太阳辐射随时间或太阳高度角的变化趋势是相同的，说明了这两个不同物理量之间存在着共性关系;

5)3个月中，总照度和总太阳辐射的最大值出现在8月份，且远大于其他月份。

以上结论为有效利用太阳能及天然光资源，使其服务于经济建设提供了科学的依据。文中结合部分气象观测结果进行光气候观测数据的处理和分析，是将气侯现象引入光气候研究中的成功运用。文中论及的研究方法，不仅针对重庆地区，也适用于其他地区。太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源。我们有理由相信，太阳能的开发与利用将成为一场新的能源革命，它将为人类的生存与发展带来广阔美好的前景。

［1］戴德慈，汪猛．现代照明技术 ［M］．北京，中国电力出版社，2009.2－3．

［2］张青文．重庆地区的天然光和日辐射观测站 ［J］．重庆建筑大学学报，1994(1)．

［3］张文煜，袁九毅．大气探测原理及方法 ［M］．气象出版社 2007/12．

［4］何荥，杨春宇．一般天空CIE天空亮度分布新标准［J］．照明工程学报，2007/18(2)．