淺談空氣污染對(duì)中國(guó)天然光照度的影響

何 滎，全 利

(1．重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院;2．重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045;3．重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶，400039)

0 引言

隨著全球氣候的變化，特別中國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的迅速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量的快速增加，由城市污染物大量排放所造成的空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重，由此導(dǎo)致的霧霾日數(shù)明顯增加。2007年，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站在三大城市帶的天津、上海、南京、蘇州和深圳市開展了灰霾試點(diǎn)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明2009年各城市灰霾天數(shù)為51～211天，其中天津51天、上海134天、南京211天、蘇州169天、深圳115天，部分城市年灰霾天數(shù)占監(jiān)測(cè)天數(shù)一半以上。而2013年1月，我國(guó)大部地區(qū)，都出現(xiàn)了大范圍的重度和嚴(yán)重污染，中東部地區(qū)甚至陷入了嚴(yán)重的霧霾天中，而北京的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)甚至接近了1 000。

由此可見，中國(guó)城市空氣污染日趨嚴(yán)重。為了應(yīng)對(duì)日益惡化的空氣污染狀況，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，防止生態(tài)破壞，創(chuàng)造清潔適宜的環(huán)境，保護(hù)人體健康，中國(guó)于2012年頒布了GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，新標(biāo)準(zhǔn)增設(shè)了細(xì)顆粒物(PM 2．5)限值，并調(diào)整了顆粒物PM 10限值。

除太陽(yáng)直射光外，到達(dá)地面的散射光主要是來(lái)自大氣氣溶膠對(duì)太陽(yáng)光的散射。在不利于擴(kuò)散的氣象條件下，大量污染物集中排放到大氣中，多種污染物之間將發(fā)生復(fù)雜的相互作用，形成大氣復(fù)合污染和霾現(xiàn)象，也導(dǎo)致大氣的渾濁度和光氣候相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而使地面總照度發(fā)生變化。這對(duì)城市的天然光環(huán)境及建筑的天然光利用產(chǎn)生了不利影響。

1 天然光照度研究現(xiàn)狀

在能源日趨緊張的今天，充分利用天然光，追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約照明用電，具有十分重要的意義。光氣候數(shù)據(jù)是建筑物利用天然光的重要因素，而光氣候數(shù)據(jù)包含水平總照度、漫射光照度、各方向垂直照度、天空亮度、云量、日照時(shí)間及大氣透明度等內(nèi)容。而最核心的內(nèi)容是光照度和天空亮度分布，國(guó)際上通過(guò)國(guó)際采光年(IDMP)計(jì)劃積累了部分城市(包括中國(guó)北京和重慶)的光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，而國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)也頒布涵蓋多數(shù)天空類型的15類天空標(biāo)準(zhǔn)，這些研究工作促進(jìn)了世界各地天然光的運(yùn)用，節(jié)約了能源。

對(duì)天然光照度的分布研究由來(lái)已久，早在上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)科研工作者就開始對(duì)前蘇聯(lián)地區(qū)天然光照度及分布進(jìn)行了研究，此后，各國(guó)研究工作者相繼對(duì)天然光照度測(cè)量及分布等問(wèn)題進(jìn)行了研究，并隨著科技的發(fā)展，一些先進(jìn)技術(shù)手段也用于天然光的研究，如利用衛(wèi)星資料評(píng)估天然光照度及用GIS評(píng)估天然光等。中國(guó)在天然光照度測(cè)量及分布的研究可追溯到20世紀(jì)70年代，中國(guó)楊光璿、林若慈及吳其劻等人對(duì)中國(guó)天然光照度的測(cè)量及分布等進(jìn)行研究，之后結(jié)合1983—1984年間在中國(guó)14個(gè)城市開展的大規(guī)模光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了中國(guó)光氣候分區(qū)及天然光資源分布等成果，并被現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用，近年來(lái)王愛英等人還結(jié)合GIS對(duì)全國(guó)地域氣候進(jìn)行分析研究。

但是由于天然光照度值在世界各地觀測(cè)較少，因此很難獲得大范圍長(zhǎng)時(shí)間的天然光觀測(cè)數(shù)據(jù)。而太陽(yáng)輻射是氣象站觀測(cè)的基本項(xiàng)目之一，因此世界各地氣象觀測(cè)站積累了大量的輻射數(shù)據(jù)，國(guó)外研究工作者Littlefair，Perez，Olseth，Skartveit，Chung，Muneer ＆Kinghorn對(duì)如何利用輻射數(shù)據(jù)獲得光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量研究，并先后建立了多種輻射光當(dāng)量模型(luminous efficacy model)。中國(guó)的林若慈、王愛英、羅濤等人還結(jié)合中國(guó)光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)及輻射數(shù)據(jù)研究成果，研究了適合中國(guó)現(xiàn)狀的輻射光當(dāng)量模型，這些研究對(duì)輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行了有益的探討。

2 空氣污染對(duì)天然光照度影響

太陽(yáng)輻射在大氣中的傳播已經(jīng)有了成熟的理論及豐富的研究成果，但由于氣溶膠的消光性能(通常用光學(xué)厚度表示)與空氣污染情況息息相關(guān)，因此氣溶膠的研究在大氣輻射學(xué)中仍然是一個(gè)重點(diǎn)與熱點(diǎn)。但大范圍氣溶膠光學(xué)厚度資料的缺乏是目前的主要問(wèn)題，解決這一問(wèn)題通常有三個(gè)途徑，一是衛(wèi)星遙感方法，國(guó)外有很多研究成果，國(guó)內(nèi)也做了大量的研究工作，如毛節(jié)泰、張軍華、李成才等都對(duì)如何從衛(wèi)星資料反演氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行過(guò)深入的研究。二是寬帶消光法，Gueymard、邱金桓提出并發(fā)展了寬帶消光法，試圖從多年常規(guī)輻射站的輻射觀測(cè)資料中間接提取氣溶膠光學(xué)厚度的信息。第三是自20世紀(jì)90年代以來(lái)美國(guó)國(guó)家航空宇航局逐步建立了覆蓋全球的400多個(gè)地基氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)，中國(guó)也有20余個(gè)站點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)，這為全球科研工作者研究提供了廣泛而精確的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，由于城市空氣污染的日趨嚴(yán)重，部分城市室外天然光照度有降低的趨勢(shì)，而天然光照度變化的主要原因是污染物在空氣中形成氣溶膠，而這些氣溶膠的存在改變了大氣的光學(xué)厚度(渾濁度)，從而影響了到達(dá)地面的光照度。據(jù)研究近年來(lái)中國(guó)主要城市氣溶膠光學(xué)厚度有逐年增加的趨勢(shì)，而氣溶膠光學(xué)厚度的增加，將會(huì)導(dǎo)致能見度降低及到達(dá)地面光線減少，地面照度值也會(huì)相應(yīng)的降低。

對(duì)大氣污染與氣溶膠光學(xué)特性之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外研究工作者進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的成果。如中國(guó)王耀庭等人對(duì)大氣污染各參數(shù)與大氣光學(xué)厚度之間的相關(guān)性進(jìn)行了探討，并初步建立了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系;于興娜、劉愛霞等人還對(duì)污染物對(duì)大氣氣溶膠光學(xué)特性和能見度影響進(jìn)行了研究。而20世紀(jì)90年代，針對(duì)烏魯木齊日益嚴(yán)重的空氣污染，楊青結(jié)合烏魯木齊氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)光氣候與大氣渾濁度之間的關(guān)系進(jìn)行了初步探討。此后，空氣污染對(duì)天然光照度的影響研究還鮮見報(bào)道。

隨著全球氣候的不斷變化和空氣污染的日趨嚴(yán)重，中國(guó)光氣候相對(duì)30年前已經(jīng)出現(xiàn)了較大的變化。而作為光氣候數(shù)據(jù)最核心內(nèi)容之一的天然光照度值目前仍然沿用原有氣候及環(huán)境條件下的天然光資源預(yù)測(cè)量對(duì)城市光環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，顯然是不合理的，這將會(huì)造成較大誤差，并影響合理技術(shù)措施的選擇與使用。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有天然光基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以利于充分利用天然光，降低建筑能耗。

3 展望

中國(guó)幅員遼闊，各地光氣候狀況不同，各地空氣污染對(duì)天然光環(huán)境影響也不同。因此，借鑒大氣輻射學(xué)中有關(guān)可見光傳輸?shù)某墒炖碚摷柏S富的研究成果，結(jié)合目前的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(輻射照度數(shù)據(jù)、光照度數(shù)據(jù)、氣溶膠光學(xué)厚度、單次散射反照率、不對(duì)稱因子和Angstrom波長(zhǎng)指數(shù))和空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)各參量:二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、顆粒物(PM10)、顆粒物(PM2．5)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)，研究空氣質(zhì)量指數(shù)各參量與天然光環(huán)境天然光照度影響及函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估各光氣候區(qū)天然光環(huán)境及變化趨勢(shì)。充分利用天然光，減少電光源的使用量，營(yíng)造健康工作環(huán)境。對(duì)減少建筑能耗和運(yùn)行費(fèi)用具有重大意義。

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