浅谈空气污染对中国天然光照度的影响

何 荥，全 利

(1．重庆大学建筑城规学院;2．重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆，400045;3．重庆建筑工程职业学院，重庆，400039)

0 引言

随着全球气候的变化，特别中国城市化和工业化进程的迅速发展，机动车保有量的快速增加，由城市污染物大量排放所造成的空气污染越来越严重，由此导致的雾霾日数明显增加。2007年，中国环境监测总站在三大城市带的天津、上海、南京、苏州和深圳市开展了灰霾试点监测，结果表明2009年各城市灰霾天数为51～211天，其中天津51天、上海134天、南京211天、苏州169天、深圳115天，部分城市年灰霾天数占监测天数一半以上。而2013年1月，我国大部地区，都出现了大范围的重度和严重污染，中东部地区甚至陷入了严重的雾霾天中，而北京的空气质量指数(AQI)甚至接近了1 000。

由此可见，中国城市空气污染日趋严重。为了应对日益恶化的空气污染状况，改善环境空气质量，防止生态破坏，创造清洁适宜的环境，保护人体健康，中国于2012年颁布了GB 3095—2012《环境空气质量标准》，新标准增设了细颗粒物(PM 2．5)限值，并调整了颗粒物PM 10限值。

除太阳直射光外，到达地面的散射光主要是来自大气气溶胶对太阳光的散射。在不利于扩散的气象条件下，大量污染物集中排放到大气中，多种污染物之间将发生复杂的相互作用，形成大气复合污染和霾现象，也导致大气的浑浊度和光气候相应发生变化，进而使地面总照度发生变化。这对城市的天然光环境及建筑的天然光利用产生了不利影响。

1 天然光照度研究现状

在能源日趋紧张的今天，充分利用天然光，追求生态和可持续发展，节约照明用电，具有十分重要的意义。光气候数据是建筑物利用天然光的重要因素，而光气候数据包含水平总照度、漫射光照度、各方向垂直照度、天空亮度、云量、日照时间及大气透明度等内容。而最核心的内容是光照度和天空亮度分布，国际上通过国际采光年(IDMP)计划积累了部分城市(包括中国北京和重庆)的光气候观测数据，而国际照明委员会(CIE)也颁布涵盖多数天空类型的15类天空标准，这些研究工作促进了世界各地天然光的运用，节约了能源。

对天然光照度的分布研究由来已久，早在上世纪70年代，前苏联科研工作者就开始对前苏联地区天然光照度及分布进行了研究，此后，各国研究工作者相继对天然光照度测量及分布等问题进行了研究，并随着科技的发展，一些先进技术手段也用于天然光的研究，如利用卫星资料评估天然光照度及用GIS评估天然光等。中国在天然光照度测量及分布的研究可追溯到20世纪70年代，中国杨光璿、林若慈及吴其劻等人对中国天然光照度的测量及分布等进行研究，之后结合1983—1984年间在中国14个城市开展的大规模光气候观测数据，获得了中国光气候分区及天然光资源分布等成果，并被现有国家标准所采用，近年来王爱英等人还结合GIS对全国地域气候进行分析研究。

但是由于天然光照度值在世界各地观测较少，因此很难获得大范围长时间的天然光观测数据。而太阳辐射是气象站观测的基本项目之一，因此世界各地气象观测站积累了大量的辐射数据，国外研究工作者Littlefair，Perez，Olseth，Skartveit，Chung，Muneer ＆Kinghorn对如何利用辐射数据获得光照度数据进行了大量研究，并先后建立了多种辐射光当量模型(luminous efficacy model)。中国的林若慈、王爱英、罗涛等人还结合中国光气候观测数据及辐射数据研究成果，研究了适合中国现状的辐射光当量模型，这些研究对辐射数据转换为光照度数据进行了有益的探讨。

2 空气污染对天然光照度影响

太阳辐射在大气中的传播已经有了成熟的理论及丰富的研究成果，但由于气溶胶的消光性能(通常用光学厚度表示)与空气污染情况息息相关，因此气溶胶的研究在大气辐射学中仍然是一个重点与热点。但大范围气溶胶光学厚度资料的缺乏是目前的主要问题，解决这一问题通常有三个途径，一是卫星遥感方法，国外有很多研究成果，国内也做了大量的研究工作，如毛节泰、张军华、李成才等都对如何从卫星资料反演气溶胶光学厚度进行过深入的研究。二是宽带消光法，Gueymard、邱金桓提出并发展了宽带消光法，试图从多年常规辐射站的辐射观测资料中间接提取气溶胶光学厚度的信息。第三是自20世纪90年代以来美国国家航空宇航局逐步建立了覆盖全球的400多个地基气溶胶观测网，中国也有20余个站点加入该网络，这为全球科研工作者研究提供了广泛而精确的基础研究数据。

近年来，由于城市空气污染的日趋严重，部分城市室外天然光照度有降低的趋势，而天然光照度变化的主要原因是污染物在空气中形成气溶胶，而这些气溶胶的存在改变了大气的光学厚度(浑浊度)，从而影响了到达地面的光照度。据研究近年来中国主要城市气溶胶光学厚度有逐年增加的趋势，而气溶胶光学厚度的增加，将会导致能见度降低及到达地面光线减少，地面照度值也会相应的降低。

对大气污染与气溶胶光学特性之间的关系，国内外研究工作者进行了大量的研究，并取得了一定的成果。如中国王耀庭等人对大气污染各参数与大气光学厚度之间的相关性进行了探讨，并初步建立了相应的函数关系;于兴娜、刘爱霞等人还对污染物对大气气溶胶光学特性和能见度影响进行了研究。而20世纪90年代，针对乌鲁木齐日益严重的空气污染，杨青结合乌鲁木齐气象观测数据对光气候与大气浑浊度之间的关系进行了初步探讨。此后，空气污染对天然光照度的影响研究还鲜见报道。

随着全球气候的不断变化和空气污染的日趋严重，中国光气候相对30年前已经出现了较大的变化。而作为光气候数据最核心内容之一的天然光照度值目前仍然沿用原有气候及环境条件下的天然光资源预测量对城市光环境进行评估，显然是不合理的，这将会造成较大误差，并影响合理技术措施的选择与使用。因此，有必要对现有天然光基础数据进行修正，以利于充分利用天然光，降低建筑能耗。

3 展望

中国幅员辽阔，各地光气候状况不同，各地空气污染对天然光环境影响也不同。因此，借鉴大气辐射学中有关可见光传输的成熟理论及丰富的研究成果，结合目前的气象观测数据(辐射照度数据、光照度数据、气溶胶光学厚度、单次散射反照率、不对称因子和Angstrom波长指数)和空气质量指数(AQI)各参量:二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、颗粒物(PM10)、颗粒物(PM2．5)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)，研究空气质量指数各参量与天然光环境天然光照度影响及函数关系，进而准确评估各光气候区天然光环境及变化趋势。充分利用天然光，减少电光源的使用量，营造健康工作环境。对减少建筑能耗和运行费用具有重大意义。

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