室外氣溫與太陽(yáng)輻射的隨動(dòng)性關(guān)系研究

摘要：室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度之間存在某種隨動(dòng)關(guān)系，以中國(guó)南方13個(gè)典型城市氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)回歸分析方法，得到了太陽(yáng)輻射與地表溫度的動(dòng)態(tài)擬合關(guān)系及地氣溫差隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)擬合關(guān)系，各擬合公式相關(guān)系數(shù)R2均在0.97以上，說(shuō)明擬合結(jié)果能顯著的反映數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化規(guī)律，進(jìn)而建立了室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的隨動(dòng)性關(guān)系。結(jié)果表明：高原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的一次函數(shù)；平原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)。對(duì)建筑冷負(fù)荷計(jì)算提供簡(jiǎn)便的方法，同時(shí)，也為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與建筑冷負(fù)荷的隨動(dòng)性關(guān)系及太陽(yáng)能空調(diào)的適宜性研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)輻射；室外氣溫；地表溫度；隨動(dòng)關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào)：TU111 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2015）05-0116-06

Abstract：There is a dynamic relationship between outdoor air temperature and solar radiation. Based on the meteorological data of 13 typical cities in south China and by the regression analysis method， the dynamic fitting function between the solar radiation and the land surface temperature and the function of temperature difference between the air and land surface changing over time are established. And the correlation coefficient R2 are over 0.97 which indicates that the results can significantly reflect the variation of data points，then the dynamic relationship between outdoor air temperature and solar radiation is obtained. The results suggest that solar radiation is a linear function of the outdoor air temperature and time in the plateau， while logarithmic function of both in the plains. The study will provide convenient method for building cooling load calculation， and provide scientific basis for studying the dynamic relationship between the solar radiation and the building cooling load as well as the suitability of the solar energy air conditioning.

Key words：solar radiation； outdoor air temperature； the surface temperature； the dynamic relationship

氣溫和太陽(yáng)輻射都是室外環(huán)境中重要的氣象參數(shù)，構(gòu)建兩者之間的函數(shù)關(guān)系，有利于空調(diào)負(fù)荷計(jì)算和建筑節(jié)能計(jì)算。目前，大多計(jì)算將兩者按獨(dú)立變量進(jìn)行考慮，或利用室外空氣綜合溫度進(jìn)行簡(jiǎn)單綜合[1]，使得計(jì)算較為復(fù)雜。眾所周知，室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度之間存在某種隨動(dòng)關(guān)系，如能通過(guò)分析獲得兩者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩參數(shù)合二為一，將為建筑冷負(fù)荷計(jì)算提供簡(jiǎn)便的方法。對(duì)一定的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大小決定著太陽(yáng)能集熱器集熱量的多少，從而間接決定著空調(diào)制冷量大小。同時(shí)，太陽(yáng)輻射與室外氣溫作為建筑冷負(fù)荷計(jì)算中的重要參數(shù)[1]，在建筑內(nèi)熱源一定的條件下，二者直接決定著建筑冷負(fù)荷的大小?？梢?jiàn)，研究二者的隨動(dòng)性關(guān)系對(duì)建立基于太陽(yáng)輻射照度的冷負(fù)荷預(yù)測(cè)模型與制冷量預(yù)測(cè)模型同樣具有重要意義，有利于空調(diào)制冷量或太陽(yáng)能集熱器面積與建筑冷負(fù)荷的匹配。另外，由于太陽(yáng)輻射照度測(cè)試設(shè)備的成本及維修保養(yǎng)和校準(zhǔn)困難，在世界上許多國(guó)家都缺乏足夠的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)[2]，故大多研究將重心集中在利用室外氣溫估算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的模型建立方面[3-6]。例如，Hargreaves等[7] 和Samani等[8]首先提出了表示太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外氣溫日較差影響關(guān)系的簡(jiǎn)單方程；Daut等[9]將線性回歸和Hargreaves的方法結(jié)合，提出了日平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外氣溫日較差的關(guān)系方程；Ibrahim等[10]建立了日平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與日平均最高、最低氣溫的線性回歸方程。近些年，一些新的模型建立方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11-13]、支持向量法[14-16]等逐漸應(yīng)用于太陽(yáng)輻射與室外氣溫之間數(shù)學(xué)關(guān)系的建立。但這些研究本質(zhì)上僅適用于特定地點(diǎn)的歷史氣象參數(shù)，且少有對(duì)一天中逐時(shí)室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的隨動(dòng)性變化關(guān)系進(jìn)行研究。

該研究用回歸分析方法，建立了室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐時(shí)值的動(dòng)態(tài)擬合關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)擬合

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文所用數(shù)據(jù)取自于中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室和清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系共同編著的《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》，該數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)了全國(guó)270個(gè)地面氣象臺(tái)站1971—2003年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)。該研究選取了中國(guó)南方13個(gè)典型城市的典型氣象年數(shù)據(jù)，主要參照并利用其中的地理位置參數(shù)、水平面日總太陽(yáng)輻射量、水平面逐時(shí)總輻射照度、地表溫度及室外干球溫度等數(shù)據(jù)。由于所用數(shù)據(jù)均來(lái)自氣象數(shù)據(jù)集，文中所述太陽(yáng)輻射的時(shí)間均為北京時(shí)間。

1.2 擬合條件

室外氣溫主要隨季節(jié)、海拔高度、地面類(lèi)型、氣象條件等的變化而變化，影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的因素主要有天文、地理因素、大氣狀況等，室外氣溫對(duì)太陽(yáng)輻射響應(yīng)的延遲性使得直接尋求太陽(yáng)輻射與室外氣溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系存在一定的困難，故應(yīng)對(duì)不同高度、不同地面類(lèi)型、不同季節(jié)及不同天氣狀態(tài)下的室外氣溫與太陽(yáng)輻射的隨動(dòng)性關(guān)系進(jìn)行具體分析。如能找到一個(gè)變量將二者聯(lián)系起來(lái)，將使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。而這個(gè)變量應(yīng)具備相關(guān)性、連續(xù)性、易獲得性、無(wú)地域限制性的特點(diǎn)。

太陽(yáng)輻射是地球能量的主要來(lái)源。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射而引起地表溫度日變化的根本原因是地球自轉(zhuǎn)引起太陽(yáng)輻射對(duì)地氣系統(tǒng)加熱的日變化[17]。故太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化直接影響著地表溫度的變化。另外，地表溫度是地表與大氣之間輻射及能量交換的關(guān)鍵參數(shù)[18]。太陽(yáng)輻射到達(dá)地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使得地表溫度發(fā)生變化。太陽(yáng)的熱能被地面吸收后，地面再通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流把熱量傳給空氣，這是空氣熱量的主要來(lái)源，而太陽(yáng)輻射直接被大氣吸收的部分使空氣增熱的作用極小，只能使氣溫升高 0.015～0.02 ℃[19]。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射是影響地表溫度日變化的直接原因，而地面溫度日變化又是引起空氣溫度日變化的直接原因。可以說(shuō)，地表是太陽(yáng)輻射與大氣之間熱量傳遞的媒介。

而其他影響因素，如風(fēng)速、云量、大氣透明度、海拔高度、季節(jié)、降雨量等，雖然對(duì)溫度或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有一定影響，但由于研究考慮的范圍為夏季非陰天時(shí)的正常天氣狀況，考慮到同一地區(qū)海拔高度基本不變，其他數(shù)據(jù)如風(fēng)速、云量、降雨量、大氣透明度等存在相關(guān)性弱、不連續(xù)性、數(shù)據(jù)較難獲得，均不宜作為中間變量。而地表溫度作為中間變量時(shí)，不僅數(shù)據(jù)容易獲得，且與輻射和氣溫均有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此，選擇地溫作為中間變量。

為此，該研究分別從尋求太陽(yáng)輻射與地表溫度的隨動(dòng)性及地表溫度與室外氣溫的隨動(dòng)性出發(fā)，以地表溫度為中間變量，探討太陽(yáng)輻射與室外氣溫的隨動(dòng)性關(guān)系。

1.3 平均日計(jì)算

挑選了南方各城市6月、7月和8月的氣象數(shù)據(jù)，陰天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度很弱，且室外空氣溫度較低，降雨等非正常因素影響較大，故該研究?jī)H探求夏季非陰天天氣條件下水平面總太陽(yáng)輻射照度與空氣溫度的隨動(dòng)性變化關(guān)系。

在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別日子太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，這是由于在特殊天氣條件下，一日中天氣狀態(tài)變化無(wú)常，其他因素如短時(shí)陰天、急降雨等突變天氣影響較大。研究選取了3個(gè)月里正常天氣狀態(tài)下的所有日子，計(jì)算出了平均日水平面太陽(yáng)總輻射照度、地表溫度和室外氣溫的逐時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)平均日內(nèi)逐時(shí)氣象參數(shù)值進(jìn)行了偏差性分析。以南寧地區(qū)室外氣溫變化為例，具體偏差情況如圖1所示。

由圖1可知，各天氣溫與平均日氣溫偏差較小，且偏差變化較為均勻，說(shuō)明夏季正常天氣狀態(tài)下各天氣溫波動(dòng)對(duì)氣溫日變化規(guī)律影響不大，采用平均日內(nèi)氣溫日變化能較好地表征一段時(shí)間內(nèi)氣溫的整體變化情況。

偏差性分析結(jié)果表明，平均日能較好的表征一段時(shí)間內(nèi)氣象參數(shù)變化規(guī)律。

2 擬合結(jié)果及分析

2.1 太陽(yáng)輻射和地表溫度隨動(dòng)性關(guān)系

2.1.1 高原地區(qū)

以貴陽(yáng)為例，上、下午時(shí)段太陽(yáng)輻射和地表溫度關(guān)系擬合曲線如圖2所示，由圖可以看出，太陽(yáng)輻射與地表溫度在上、下午均呈直線型的隨動(dòng)變化規(guī)律，且二者上、下午隨動(dòng)性變化曲線斜率基本相等，說(shuō)明地表溫度在一天中任一時(shí)刻隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的變化率近似相等，即太陽(yáng)輻射值增大或減小一定的量，地表溫度隨之升高或降低一定的量。但上、下午時(shí)段的隨動(dòng)性變化曲線并未重合，而是存在大約2 ℃的溫差，這說(shuō)明兩者的隨動(dòng)性變化曲線的斜率只是相近但并不相等，上午曲線的斜率要略大于下午的斜率。這個(gè)結(jié)果可由表1中擬合公式的參數(shù)驗(yàn)證得到。貴陽(yáng)和昆明上午的斜率分別為0.027、0.025，下午的斜率分別為0.023、0.019。另一方面，上午隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，地面處于得熱升溫過(guò)程，而下午太陽(yáng)輻射逐漸減弱，地面處于失熱降溫過(guò)程。由于地表具有較大的熱容性，地表溫度對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)在時(shí)間上存在一定的延遲，使得在太陽(yáng)輻射開(kāi)始減弱時(shí)的地表溫度仍比上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度要高，如圖2，最高溫度相對(duì)最大輻射相差1 h左右。

從圖3可以看出，上、下午分別呈凹和凸的曲線型隨動(dòng)變化規(guī)律，說(shuō)明上午時(shí)段，隨著太陽(yáng)輻射的逐漸增強(qiáng)，地表溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的變化率越來(lái)越大；下午時(shí)段，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，地表溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的變化率也越來(lái)越大。這可能是由于平原地區(qū)海拔低，且處于西南地區(qū)，受西南沿海濕潤(rùn)的海洋氣候影響，地表相對(duì)高海拔的高原地區(qū)較為濕潤(rùn)，隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地表溫度升高，地表水分蒸發(fā)，使得地表熱容性變小，地表溫度變化率隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)而變大。相反，當(dāng)太陽(yáng)輻射減弱時(shí)，地表溫度降低，地表附近水汽冷凝被地表吸附，使得地表熱容性逐漸變大，地表溫度變化率隨太陽(yáng)輻射減弱而變大。而高原地區(qū)海拔較高，空氣密度小，且受海洋氣候影響較小，故地表較為干燥，地表溫度變化對(duì)地表熱容性影響較小，故上、下午時(shí)段地表溫度隨太陽(yáng)輻射變化的變化率基本保持不變。這也說(shuō)明了高原地區(qū)地表溫度與太陽(yáng)輻射呈直線型隨動(dòng)性變化關(guān)系的原因。

由表2中擬合公示的決定系數(shù)R2可知，R2大小均在0.972以上，說(shuō)明擬合公式能比較真實(shí)地反映平均日內(nèi)太陽(yáng)輻射與地表溫度的隨動(dòng)性變化規(guī)律。

2.2 地表與空氣溫差隨時(shí)間的變化關(guān)系

以南寧地區(qū)為例，平均日內(nèi)地表與空氣溫差隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，晝間地表與空氣溫差先逐漸增大，達(dá)到最大溫差后再逐漸減小。另外可以發(fā)現(xiàn)，夏季夜間地表與空氣溫差為負(fù)值，晝間為正值，即夜間地表溫度低于室外氣溫，晝間地表溫度高于室外氣溫。這與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的逐時(shí)變化規(guī)律相一致。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不斷增大，地表與空氣溫差越來(lái)越大，隨著太陽(yáng)輻射減弱，地表與空氣溫差越來(lái)越小，夜間地表與空氣溫差變化幅度不大，說(shuō)明太陽(yáng)輻射對(duì)地表與空氣溫差有著顯著的影響，且地表溫度的變化幅度比室外氣溫的變化幅度要大得多。

由式（5）可知，任意時(shí)刻的地表與空氣溫差ΔTτ可由該時(shí)刻的時(shí)刻數(shù)確定。故晝間任意時(shí)刻太陽(yáng)輻射照度值可由該時(shí)刻的時(shí)刻數(shù)及室外氣溫確定?？傻贸鼋Y(jié)論，對(duì)于高原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的一次函數(shù)，平原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)。

3 結(jié) 論

從太陽(yáng)輻射、地表溫度和室外氣溫3種氣象參數(shù)出發(fā)，綜合考慮各方面影響因素，通過(guò)回歸分析方法，得到了太陽(yáng)輻射與地表溫度及地氣溫差隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)擬合關(guān)系，進(jìn)而建立了室外氣溫與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的隨動(dòng)性關(guān)系，并得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）高原地區(qū)，太陽(yáng)輻射與地表溫度在上、下午均呈直線型的隨動(dòng)變化規(guī)律，二者上、下午隨動(dòng)性變化曲線斜率相近但并不相等，上午曲線的斜率要略大于下午的斜率。

2）平原地區(qū)，在上、下午時(shí)段太陽(yáng)輻射與地表溫度之間分別呈凹的和凸的曲線型隨動(dòng)變化規(guī)律。

3）夜間地表溫度低于室外氣溫，晝間地表溫度高于室外氣溫，且隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不斷增大，地表與空氣溫差也越來(lái)越大。

4）某一時(shí)刻太陽(yáng)輻射照度值大小可由室外氣溫及該時(shí)刻的時(shí)刻數(shù)確定。對(duì)于高原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的一次函數(shù)，平原地區(qū)，太陽(yáng)輻射是室外氣溫與時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)。

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（編輯 胡 玲）