適用于橋梁截面溫度場計算的太陽輻射模型研究綜述

薛俊青, 林健輝, Bruno Briseghella , 陳寶春, 黃福云

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州　350116； 2.可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心, 福建 福州　350116)

0　引言

橋梁常年暴露在大氣中, 容易受到太陽輻射和環(huán)境溫度的影響[1].其中太陽輻射會被結(jié)構(gòu)吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?該熱能與環(huán)境溫度相疊加, 使結(jié)構(gòu)表面溫度上升, 且由于熱傳導(dǎo)作用影響整個結(jié)構(gòu)的溫度分布, 使結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部溫度均發(fā)生變化.因此, 太陽輻射強度是影響橋梁結(jié)構(gòu)溫度場最主要的外在因素[2-3].開展橋梁結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)的溫度場傳熱學(xué)分析時, 無論采用何種有限元軟件, 例如ABAQUS、 ANSYS、 MIDAS等, 均需要輸入橋梁截面尺寸、 邊界條件隨時間變化的規(guī)律、 初始邊界條件和材料的熱參數(shù)等.其中計算邊界條件隨時間變化的規(guī)律時, 需要提供橋梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、 材料熱力學(xué)性能、 地理位置、 太陽輻射等數(shù)據(jù)才能計算出橋梁結(jié)構(gòu)不同部位所受到的太陽輻射量.例如空心板的頂板表面受到太陽直射和散射的影響； 腹板外表面受到太陽直射、 散射和地面反射的多重影響； 翼緣下緣和底板外表面受到地面反射的影響.橋梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、 材料熱力學(xué)性能、 地理位置在設(shè)計初期即可確定； 而太陽輻射數(shù)據(jù)屬于橋梁建成后才會產(chǎn)生的數(shù)據(jù), 設(shè)計初期難以確定.因此, 太陽輻射數(shù)據(jù)(包括太陽直接輻射強度和太陽散射輻射強度數(shù)據(jù))的精確性直接影響有限元模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.然而, 由于獲取太陽輻射數(shù)據(jù)需要花費大量時間和費用, 我國大多地區(qū)缺乏太陽輻射觀測數(shù)據(jù).我國有756個氣象站, 其中只有122個可觀測太陽輻射[4].福建省有60多個氣象站, 只有福州市和建甌市的氣象站可觀測太陽輻射.因此, 橋梁工程師通常借助數(shù)值方法建立逐時太陽輻射計算模型作為有限元模型邊界條件, 開展橋梁截面溫度場的有限元分析.然而, 如何從大量的太陽輻射計算模型中選擇適用的太陽輻射計算模型進(jìn)行橋梁截面溫度場分析是困撓學(xué)者和工程師的一個關(guān)鍵問題.

本文對國內(nèi)外各種太陽輻射計算模型進(jìn)行總結(jié)歸納, 主要包括在橋梁結(jié)構(gòu)溫度場有限元分析中必備的太陽總輻射、 太陽直接輻射和太陽散射輻射模型, 對比其異同點及其適用范圍, 為我國橋梁日照效應(yīng)研究提供堅實可靠的基礎(chǔ).

1　太陽總輻射模型

從太陽輻射的時間尺度上看, 大多數(shù)學(xué)者是基于日太陽總輻射和逐時太陽總輻射這兩種時間尺度進(jìn)行研究.

1.1　日太陽總輻射計算模型

在大量太陽輻射模型中, 計算太陽總輻射的模型數(shù)量最多.其中絕大部分模型是用于計算日太陽總輻射.太陽總輻射強度主要與氣象因素有關(guān).因此, 許多學(xué)者基于日照時數(shù)、 云量、 空氣溫度等氣象因素, 借助經(jīng)驗回歸的方法或者采用人工智能技術(shù)方法建立日太陽總輻射計算模型.

1.1.1基于日照時數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

1924年, ?ngstr?m[5]基于日照時數(shù)提出晴空指數(shù)H/HC與日照百分率S/S0的線性計算公式, 如下式：

(1)

式中：H為實際月平均日太陽總輻射；HC為實際月平均日晴天太陽總輻射；S為實際月平均日照時數(shù)；S0為月平均最大可能日照時數(shù)；a和b為經(jīng)驗系數(shù).然而由于“晴天”難以確定, 該公式實際使用中遇到困難.

Page等[6]對式(1)進(jìn)行修正, 提出?ngstr?m-Page計算模型, 如下式：

(2)

式中：H0為實際月平均日天文輻射.

此后, ?ngstr?m-Page模型成為計算日太陽總輻射最經(jīng)典的模型之一.國內(nèi)外很多學(xué)者為提高該模型的計算精度, 提出不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式.1984年, Ogelman等[7]提出?ngstr?m-Page模型的二次表達(dá)式.1987年, Bahel等[8]分析全球48個氣象站的日照時數(shù)實測數(shù)據(jù), 提出?ngstr?m-Page模型的三次表達(dá)式.2010年, Katiyar等[9]基于?ngstr?m-Page模型的線性表達(dá)式、 二次表達(dá)式和三次表達(dá)式, 與印度4個城市5年的太陽輻射實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 發(fā)現(xiàn)二次表達(dá)式和三次表達(dá)式并不能明顯地提高計算精度, 且所需的計算量遠(yuǎn)大于線性表達(dá)式.此外, 還有學(xué)者提出?ngstr?m-Page模型的對數(shù)表達(dá)式[10]、 指數(shù)表達(dá)式[11]和冪表達(dá)式[12]等.這些模型都是基于某個城市或地區(qū)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ? 具有明顯的區(qū)域依賴性； 同時這些模型的計算精度提高不明顯.我國學(xué)者對太陽總輻射模型的研究主要基于?ngstr?m-Page模型.1963年, 學(xué)者基于式(2)提出全國統(tǒng)一的太陽總輻射經(jīng)驗公式[13].1964年, 翁笠鳴[14]采用天文輻射H0作為基數(shù)值, 給出我國不同區(qū)域的太陽輻射經(jīng)驗公式.通過實測日照百分率和月總輻射數(shù)據(jù), 有學(xué)者擬合出新疆維吾爾自治區(qū)[15]、 廣東省[16]、 江西省[17]、 山東省[18]的?ngstr?m-Page模型經(jīng)驗系數(shù).

除采用不同數(shù)學(xué)表達(dá)式提高?ngstr?m-Page模型的計算精度, 還有學(xué)者通過引入其他氣象參數(shù), 如環(huán)境溫度、 相對濕度和云量等來提高?ngstr?m-Page模型的計算精度.2004年, Chen等[19]在?ngstr?m-Page模型中引入溫度日較差, 提出計算太陽總輻射的Chen模型.2009年, Sebail等[20]采用沙特阿拉伯1996～2006年的總輻射實測數(shù)據(jù), 以及日照時數(shù)、 環(huán)境溫度、 相對濕度和云量等數(shù)據(jù)建立不同氣候參數(shù)影響下的?ngstr?m-Page模型.1980年, 王炳忠等[21]考慮地面水汽壓的影響, 結(jié)合日照百分率建立我國干旱地區(qū)和其他地區(qū)的太陽總輻射計算公式.2006年, Chen等[22]在?ngstr?m-Page模型和Bahel模型中引入經(jīng)緯度和海拔高度這兩個因素.通過對中國86個臺站1994—1998年的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算擬合, 發(fā)現(xiàn)考慮海拔高度能提高兩個模型的計算精度, 而考慮經(jīng)緯度對?ngstr?m-Page模型的精度幾乎無影響, 對Bahel模型的精度有一定提高.2013年, Zhao等[23]在?ngstr?m-Page模型中引入空氣污染指數(shù), 并基于中國9個氣象站2001—2011年的太陽時數(shù)和空氣污染指數(shù)數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的線性公式、 指數(shù)公式和對數(shù)公式.有學(xué)者認(rèn)為在所有氣象因素中, 日照時數(shù)對日太陽總輻射的影響最大, 而其他因素對總輻射的影響都很小, 雖然用這些修正模型都能建立實用的太陽總輻射模型, 但有時額外參數(shù)的引入反而會降低計算結(jié)果的精確性[24].

1.1.2基于云量資料的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

并不是所有地區(qū)都有日照時數(shù)實測值, 因此對于缺少日照時數(shù)紀(jì)錄的地區(qū), 很多學(xué)者直接利用云量來建立太陽總輻射的計算模型, 特別是氣象站點稀少的海洋、 高山和荒漠地區(qū).云量對總輻射的影響具有二重性, 一方面它會使直接輻射減少, 另一方面又會使散射輻射增大.

1928年, Kimball[25]建立基于云量的線性經(jīng)驗公式：H/H0=a+b(1-n).該模型在形式上與?ngstr?m-Page模型極其相似, 只是根據(jù)晴空指數(shù)與平均總云量n之間的關(guān)系, 將日照百分率換成云量(1-n).1933年, 沙維諾夫[13]詳細(xì)研究日照百分率與云量的關(guān)系, 提出綜合考慮日照百分率和云量的關(guān)系式.庫茲明[13]從云狀對總輻射的影響出發(fā), 提出相應(yīng)的經(jīng)驗公式.1965年, Bennett[6]比較式(2)和Kimball公式中晴空指數(shù)和日照百分率、 晴空指數(shù)和云量的相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)晴空指數(shù)和日照百分率相關(guān)性是最明顯的, 即式(2)要比Kimball公式更合理.1980年, 王炳忠[21]通過分析發(fā)現(xiàn)計算太陽總輻射時, 采用日照百分率作為參數(shù)的模型最好, 采用日照百分率與云量的綜合運用次之, 單用云量的效果較差.

1.1.3基于空氣溫度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

無論是日照時數(shù)還是云量, 都屬于不經(jīng)常觀測的氣象資料.有些學(xué)者通過空氣溫度建立太陽總輻射計算模型.1982年, Hargreaves和Samani[26]用日最高溫和日最低溫之差來估計日太陽總輻射, 稱為H-S模型.很多學(xué)者為提高H-S模型的計算精度, 引入其它氣候參數(shù), 比如海拔高度[27]、 降水量[28-30]等.1984年, Bristow和Campbell[31]基于H-S模型, 提出基于溫度日較差的指數(shù)表達(dá)式, 稱為B-C模型.1998年, Donatelli和Campbell[32]在B-C模型中考慮中緯度地區(qū)季節(jié)性影響, 提出相應(yīng)的D-C模型.Grillone等[33]采用地中海地區(qū)的實測數(shù)據(jù)比較H-S模型、 B-C模型、 基于B-C模型的D-C模型以及基于B-C模型的Donatelli and Bellocchi模型.研究發(fā)現(xiàn)H-S模型的綜合性能最好, 因此建議該地區(qū)使用H-S模型.Liu等[34]通過中國東北地區(qū)、 華北平原和西北地區(qū)的15個站點的數(shù)據(jù)對H-S和B-C這兩個模型的不同形式的表達(dá)式進(jìn)行對比研究, 得出B-C模型計算精度要優(yōu)于H-S模型, 同時考慮到B-C模型中經(jīng)驗系數(shù)的確定更容易, 因此建議使用B-C模型.

還有一些學(xué)者提出在空氣溫度的基礎(chǔ)上引入其它氣象參數(shù)的太陽總輻射計算模型.Allen通過日最高和最低空氣溫度提出一種模型來計算太陽總輻射[35].Adaramola[36]利用環(huán)境溫度、 相對濕度和降水量建立了尼日利亞某城市的多個太陽總輻射計算模型, 并與傳統(tǒng)的?ngstr?m-Page模型進(jìn)行比較.Quej等[37]總結(jié)用溫度、 降水量和相對濕度等氣象數(shù)據(jù)建立日總輻射模型的12個已有模型, 并基于墨西哥的6個氣象站數(shù)據(jù)驗證一個綜合性的新模型, 發(fā)現(xiàn)考慮相對濕度和降雨量能提高計算精度.

1.1.4人工智能技術(shù)

前述基于氣象資料的經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍茌^好地計算太陽總輻射, 但是由于經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械慕?jīng)驗系數(shù)受到地理位置影響很大, 且需要長期的太陽輻射觀測資料或其他氣象觀測資料來確定.因此, 除了基于氣象參數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ? 還有學(xué)者利用人工智能技術(shù)、 遙感技術(shù)、 數(shù)值模擬技術(shù)等方法來計算太陽總輻射.

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近些年才發(fā)展出的一種數(shù)值模型技術(shù).在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬太陽總輻射的過程中, 學(xué)者可以輸入不同的參數(shù), 包括日照時數(shù)以及溫度等氣象參數(shù), 對于輸出模型也需要預(yù)先設(shè)定[24].Tymvios等[38]基于塞浦路斯的輻射數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 并與傳統(tǒng)的?ngstr?m-Page線性模型進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)選取日照時數(shù)、 最大可能日照時數(shù)和日最高溫作為輸入?yún)?shù)時, 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能取得最高精度.Alsina等[39]使用45個氣象站的數(shù)據(jù), 選取地理位置、 氣象參數(shù)等13個因素作為輸入?yún)?shù), 預(yù)測意大利的月平均日總輻射.研究發(fā)現(xiàn), 對于意大利, 只采用7個輸入?yún)?shù)(大氣頂層輻射、 日照時數(shù)、 雨天數(shù)、 海拔高度、 降雨量、 時間周期和緯度)性能最好.Zou等[40]利用中國60個氣象站和10個輻射站的數(shù)據(jù), 結(jié)合空間插值法建立中國東南地區(qū)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 并與改進(jìn)的B-C模型和?ngstr?m-Page模型進(jìn)行比較.研究發(fā)現(xiàn)綜合考慮日照時數(shù)、 日平均溫度、 日最高和最低溫度、 相對濕度、 降水量、 大氣壓、 水汽壓和風(fēng)速作為輸入?yún)?shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度要比經(jīng)驗?zāi)Ｐ透?

除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)外, 還有很多計算太陽總輻射的技術(shù)方法.Camargo等[41]為評估阿根廷某一城市的總輻射模型, 比較分析歐洲中程氣象預(yù)測中心的總輻射數(shù)據(jù)、 地表分析衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)備的改進(jìn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及通過日射強度計測得數(shù)據(jù)得到的統(tǒng)計模型這三個輻射數(shù)據(jù).研究發(fā)現(xiàn)地表分析衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)備的改進(jìn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)最符合地面測量結(jié)果, 而且它的時空分辨率高, 可作為缺失總輻射數(shù)據(jù)時的一個有效模擬方法.Jeong等[42]比較三個空間插值模型和三個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 空間插值模型計算效果更好.Mehdizadeh等[43]利用基因編程演算法、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自適應(yīng)神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)模擬伊朗地區(qū)的太陽總輻射, 并與48個傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行比較.研究發(fā)現(xiàn)考慮日照時數(shù)和氣象參數(shù)影響的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和自適應(yīng)神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)模型的性能要好于相應(yīng)的經(jīng)驗公式.此外, 還有學(xué)者用衛(wèi)星數(shù)據(jù)演算法[44-45]、 動態(tài)縮尺數(shù)值氣象預(yù)測模型[46]、 僅考慮運算日期[47-48]、 支持向量機[49-50]等技術(shù)方法來計算日太陽總輻射.

1.1.5日太陽總輻射計算模型適用情況分析

基于日照時數(shù)的?ngstr?m-Page模型是計算日太陽總輻射最經(jīng)典的模型之一.其線性表達(dá)式計算量小且能滿足工程界使用的精度要求； 采用多次表達(dá)式等并不能明顯提高計算精度.?ngstr?m-Page模型的模型經(jīng)驗系數(shù)具有區(qū)域依賴性.?ngstr?m-Page模型中引入其他氣象參數(shù)有時反而會降低計算結(jié)果的精確性.對于缺少日照時數(shù)紀(jì)錄的地區(qū), 可以利用云量來建立太陽總輻射的計算模型.然而云量通常都是肉眼觀測得到的, 因此存在很大的不確定性和誤差, 所以在工程應(yīng)用中一般都是優(yōu)先考慮日照百分率作為參數(shù)的太陽輻射計算模型.對于缺乏日照時數(shù)或云量紀(jì)錄的地區(qū), 可以采用空氣溫度建立太陽總輻射計算模型, 但是其不具有普適性.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能很好地預(yù)測太陽總輻射, 不過由于要求的輸入?yún)?shù)很多, 而且不同的輸入?yún)?shù)組合也會影響最終的計算結(jié)果, 因此它的計算量要比經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛蟮枚?

1.2　逐時太陽總輻射計算模型

開展橋梁結(jié)構(gòu)溫度場研究時, 需要逐時太陽總輻射數(shù)據(jù).與日太陽總輻射相比, 國內(nèi)外對于逐時太陽總輻射的研究較少.1960年, Liu和Jordan[51]分析發(fā)現(xiàn)日總輻射H和逐時總輻射I之間存在比例關(guān)系, 如下式：

(3)

式中：rT為比例系數(shù)；ω為太陽時角；ωs為日落時角.

有學(xué)者認(rèn)為只有在晴天時日總輻射和逐時總輻射之間的比例關(guān)系才存在[6].Collares-Pereira 和Rabl等[52]對式(3)進(jìn)行修正, 如下式.：

(4)

式中：a=0.409+0.501 6 sin(ωs-60)；b=0.660 9-0.476 7 sin(ωs-60).該公式成為利用日太陽總輻射計算逐時太陽總輻射最常用的公式.

1983年, Newell[53]忽略逐時總輻射的隨機性因素, 對式(4)進(jìn)行簡化處理, 提出Newell模型.基于半正弦模型和式(4), 張素寧等[54]建立逐時太陽總輻射的自回歸滑動平均模型.通過與實測數(shù)據(jù)對比, Kalogirou[55]發(fā)現(xiàn)采用式(4)可估算塞浦路斯兩個不同氣候區(qū)的小島的逐時太陽總輻射.Janjai等[56]提出一種基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模型來計算逐時太陽總輻射.

此外, 還有學(xué)者采用高斯分布函數(shù)的方法來計算逐時太陽總輻射, 即假設(shè)氣象變量都是隨機的, 逐時總輻射的變化符合正態(tài)分布, 因此逐時總輻射曲線在上午和下午是軸對稱的.這種分布僅適用于晴天, 使用這種方法的模型主要有Jain模型[57]和Baig模型[58]等.Yao等[59]評估式(4)、 高斯分布函數(shù)的計算模型以及Newell模型模擬逐時太陽輻射的性能, 發(fā)現(xiàn)高斯分布函數(shù)的計算模型考慮到氣象條件的隨機性, 因此精確度最高； 而式(4)只考慮太陽時角, 精確度次之； Newell模型由于忽略逐時總輻射的多樣性和氣象條件的隨機性, 精度最低.最后還提出一種綜合考慮太陽高度角、 太陽方位角、 太陽時角、 晴空指數(shù)和溫度的逐時總輻射模型.

綜上所述, Liu and Jordan模型和考慮高斯分布函數(shù)的方法僅適用于計算晴天的逐時太陽總輻射.Collares-Pereira and Rabl模型是計算逐時太陽總輻射應(yīng)用范圍最廣的模型之一.

2　太陽直接輻射和散射輻射模型

太陽直接輻射是指太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的輻射.其強弱主要與太陽高度角、 大氣透明度、 云量和海拔高度等因素有關(guān).太陽散射輻射是指太陽輻射通過大氣時, 受到大氣中氣體、 塵埃、 氣溶膠等的散射作用, 從天空的各個角度到達(dá)地表的太陽輻射.其強弱主要取決于太陽輻射的入射角、 大氣條件等因素[6].相比太陽總輻射的計算模型, 關(guān)于太陽直接輻射和散射輻射計算模型的研究較少.而且為了考慮計算模型的普適性, 大多學(xué)者都只研究晴朗無云情況下的太陽直射輻射和散射輻射計算模型.無論是太陽直接輻射還是散射輻射模型, 大多都是只適用于逐時輻射的計算, 而對于其他時間尺度的輻射可以通過對逐時輻射進(jìn)行累加得到.

美國加熱、 空調(diào)與制冷學(xué)會推薦的ASHRAE模型是一個使用較廣泛的晴天輻射模型[60].Nijegorodov[61]指出ASHRAE中的經(jīng)驗系數(shù)是根據(jù)美國實測數(shù)據(jù)得到的, 但是其不僅適用于美國, 也適用于北半球內(nèi)與美國氣候條件相似的國家.宋愛國[62]通過對北京地區(qū)1980—1989年的太陽輻射實測值建立ASHRAE模型中系數(shù)的多項式表達(dá)式, 被國內(nèi)很多學(xué)者采用.Al-Sanea等[63]通過沙特阿拉伯首都利雅得1996—2000年的太陽輻射實測數(shù)據(jù), 建立該地區(qū)的晴天輻射ASHRAE模型, 發(fā)現(xiàn)計算值偏大.Al-Sanea考慮到當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量(渾濁度)以及云層的影響, 對計算結(jié)果進(jìn)行修正.

1960年, Liu和Jordan[51]從大氣吸收率和透射率出發(fā), 在理論計算時假定大氣是透明的, 提出可通過太陽直射透過比τb計算散射透過比τd, 如下式：

τd=0.271 0-0.293 9τb

(5)

式中：τd=Id/I0；τb=Ib/I0；Id、Ib和I0分別為逐時太陽散射輻射、 逐時太陽直射輻射和逐時天文輻射.

1976年, Hottel[64]提出采用太陽高度角和海拔高度計算太陽直射透過比的方法, 如下式：

(6)

式中：a0、a1和k為考慮海拔高度和氣候類型的經(jīng)驗系數(shù).

1987年, 翁篤鳴等[65]根據(jù)我國全國的可能太陽直接輻射資料擬合出太陽直接輻射隨海拔高度的經(jīng)驗公式.翁篤鳴[14]通過北京和武漢1958—1961年的數(shù)據(jù)建立月平均日太陽散射輻射經(jīng)驗公式, 并給出全國不同地區(qū)的太陽直接輻射和散射輻射的經(jīng)驗公式.1984年, 祝昌漢[66]根據(jù)我國70個日射站近24年的輻射資料, 考慮地面反射率的影響, 確定適合于我國的太陽散射輻射計算方法, 并繪制我國全年以及逐月太陽散射輻射的空間分布圖.1985年, 祝昌漢[67]同時考慮日照百分率和云量的影響, 提出我國全年以及逐月太陽直接輻射的經(jīng)驗計算式.Jiang[68]基于太陽散射輻射、 太陽總輻射與日照時數(shù)的三種關(guān)系衍生的9個模型進(jìn)行比較分析.將模型計算結(jié)果與北京的氣象站數(shù)據(jù)對比得到綜合考慮晴空指數(shù)和日照百分率的模型計算效果最好.因此建議在中國北部可以使用該散射輻射計算模型.此外, 與日太陽總輻射計算模型類似, 還有通過考慮溫度和相對濕度[69]、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[40]等方法來建立太陽直接輻射和散射輻射的計算模型.

綜上所述, Hottel模型可用于計算逐時太陽直接輻射.ASHRAE模型可用于計算逐時太陽直接輻射和逐時太陽散射輻射, 但是僅適用于晴天.Liu and Jordan模型可用于計算逐時太陽散射輻射, 然而由于在理論計算時假定大氣是透明的, 因此其計算值大于實測值.目前我國關(guān)于太陽直接輻射和散射輻射的研究主要針對全年以及逐月的輻射值, 并不適用于作為邊界條件開展橋梁截面溫度場分析.

3　結(jié)語

1) 基于日照時數(shù)建立的日太陽總輻射的線性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?ngstr?m-Page模型應(yīng)用廣、 計算量小且滿足工程精度要求； 采用對數(shù)或指數(shù)等不同形式的表達(dá)式或者引入額外的氣象參數(shù)并不能明顯提高模型的計算精度, 反而會增大計算量.

2) 對于缺少日照時數(shù)紀(jì)錄的地區(qū), 可以利用云量來建立太陽總輻射的計算模型.然而云量通常利用肉眼觀測得到, 因此存在很大的不確定性和誤差.對于缺乏日照時數(shù)或云量紀(jì)錄的地區(qū), 可以采用空氣溫度建立太陽總輻射計算模型, 但是其不具有普適性.

3) Collares-Pereira and Rabl模型能利用日總輻射數(shù)據(jù)計算出逐時太陽總輻射且應(yīng)用范圍最廣.Liu and Jordan模型和考慮高斯分布函數(shù)的方法僅適用于計算晴天的逐時太陽總輻射.

4) ASHRAE模型、 Hottel模型和Liu and Jordan模型可用于計算逐時太陽直接輻射和太陽散射輻射.然而ASHRAE模型僅適用于晴天； Liu and Jordan模型在理論計算時假定大氣是透明的, 因此其計算值大于實測值.翁篤鳴、 祝昌漢等學(xué)者提出的經(jīng)驗公式可計算全年以及逐月太陽直射輻射和散射輻射, 并不適用于作為邊界條件開展橋梁截面溫度場分析.

5) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)可用于計算太陽總輻射、 直接輻射和散射輻射.不過由于其計算過程的復(fù)雜性且計算量大； 需要輸入較多參數(shù), 而且不同的輸入?yún)?shù)組合也會影響最終的計算結(jié)果, 應(yīng)用范圍較小.