基于天津地區(qū)太陽輻射觀測的典型年數(shù)據(jù)比較

孫文超，張明宇，曹立輝

(1.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2.天津城建大學(xué)，天津 300384)

引言

光氣候研究是為了獲得可靠的天然光數(shù)據(jù)，以便建筑師進行準確的采光計算和設(shè)計[1]。2006年英國學(xué)者John Mardaljevic首次提出地域性光氣候的概念，其定義為“利用當(dāng)?shù)氐墓鈿夂驍?shù)據(jù)作為建筑采光設(shè)計的重要依據(jù)”[2]。近年來，由于我國各地區(qū)氣象站觀測水平不一、數(shù)據(jù)連續(xù)采集周期較長、人力及物資資源耗費較多等緣故，諸如室外照度、天空亮度等實測光氣候數(shù)據(jù)較為缺乏，亟需通過其他方法獲得我國的地域性光氣候數(shù)據(jù)，而通過選取能夠切實反映地區(qū)光氣候特征的典型年數(shù)據(jù)，并采用天空模型轉(zhuǎn)化法將較易獲取的輻照度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光照度數(shù)據(jù)來進行建筑動態(tài)采光模擬的方法則顯得更為切實、合理、有效。本文以天津地區(qū)為例，將太陽輻射實測數(shù)據(jù)作為參考，對使用頻率較高的幾套典型年數(shù)據(jù)進行初步的比較性研究，通過對輻射參數(shù)(如總輻射、散射輻射)依據(jù)全年逐時總體變化、各月均值變化、各季節(jié)逐時日變化的方式進行數(shù)據(jù)特征分析及變化趨勢的比對，同時參考相關(guān)氣象資料，以探討各典型年數(shù)據(jù)的特征、差異及與實測數(shù)據(jù)的吻合程度，以此篩選出與天津地區(qū)氣候特征較為匹配的典型年數(shù)據(jù)，從而有效保證了采光模擬平臺輸入端處數(shù)據(jù)的精確性。

1 建筑采光模擬用典型年數(shù)據(jù)

1)典型年數(shù)據(jù)的研究背景。典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)與研究源于20世紀70年代各國對于建筑能耗模擬的需求，目前日本、歐美等對氣象數(shù)據(jù)的采集及相關(guān)研究比較成熟，而我國于20世紀90年代開始典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)[3]。由于太陽輻射數(shù)據(jù)易于獲取且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)豐富，隨著發(fā)光功效模型的開發(fā)，典型年數(shù)據(jù)得以應(yīng)用于建筑采光模擬。國際上關(guān)于典型年的研究多為實際案例的模擬分析，如Bellia等[4]采用IWEC、Meteonorm、Satel-Light三套數(shù)據(jù)進行采光模擬，并對模擬結(jié)果進行了分析與討論。Iversen等[5]挑選哥本哈根等針對不同氣象數(shù)據(jù)(如DRY、IWEC等)對光環(huán)境模擬結(jié)果的影響進行了研究。而我國關(guān)于典型年數(shù)據(jù)的研究也多為實際案例的應(yīng)用，羅濤等[6]通過對DeST典型年數(shù)據(jù)及Perez模型的應(yīng)用案例研究，給出光照度典型年數(shù)據(jù)的取值方法。然而隨著氣候的變化以及建筑動態(tài)采光模擬在我國的發(fā)展，針對典型年數(shù)據(jù)的地域適用性、氣候變化趨勢下的氣象數(shù)據(jù)修正等方面研究工作亟待展開。

2)常用典型年數(shù)據(jù)的來源。典型年數(shù)據(jù)的產(chǎn)生需要建立在適用于本國地理緯度、氣候環(huán)境等條件之上。目前我國可用于建筑采光模擬的典型年數(shù)據(jù)主要有：CSWD(Chinese Standard Weather Data)、ChinaTMY2(Typical Meteorological Year)數(shù)據(jù)、DeST(Designer’s Simulation Toolkit)典型年數(shù)據(jù)等。其他氣象數(shù)據(jù)如ASHRAE開發(fā)的IWEC(International Weather for Energy Calculation)數(shù)據(jù)、US National Renewable Energy Laboratory開發(fā)的SWERA(Solar Wind Energy Resource Assessment)數(shù)據(jù)等由于開放程度不高、地區(qū)統(tǒng)計不完整等因素，造成其氣象數(shù)據(jù)的可用頻率不高。

(a)建筑熱環(huán)境模擬分析軟件DeST(Designer’s Simulation Toolkit)是由清華大學(xué)和中國氣象局共同研發(fā)，提供了一整套用于建筑能耗、采光模擬的逐時典型年數(shù)據(jù)[7]?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的來源為我國194個氣象臺站近50年的實測逐日數(shù)據(jù)。DeST數(shù)據(jù)開發(fā)者通過研究中國氣象環(huán)境的特點及規(guī)律，建立了利用實測的逐日氣象數(shù)據(jù)模擬生成逐時數(shù)據(jù)的氣象模型Medpha[8]。

(b)對于CSWD來說，其數(shù)據(jù)來源與DeST典型年數(shù)據(jù)相同，開發(fā)單位均為清華大學(xué)、中國氣象局，僅觀測年限不同[9]，可于EnergyPlus官方網(wǎng)站下載。

表1 建筑光環(huán)境模擬用典型年數(shù)據(jù)[8-10]Table 1 TMY data used for building daylighting simulation

(c)張晴原和楊洪興[10]在開發(fā)ChinaTMY2的過程中，使用的是1995—2005年的氣象觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于國際地面氣象觀測數(shù)據(jù)庫，其最初來源為國內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)，逐時數(shù)據(jù)的生成在考慮到干球溫度的周期性變化特征而采用調(diào)和分析進行插補，日間邊緣數(shù)據(jù)則通過回歸公式進行平滑處理。

3)典型年數(shù)據(jù)的輻射參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)最初用于建筑能耗模擬，在其開發(fā)過程中著重考慮的參數(shù)是溫度、濕度、太陽輻射，而建筑采光模擬僅考慮單一的太陽輻射要素，且更加注重直接輻射與散射輻射參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)的氣象要素一般包括：干球溫度、相對濕度、太陽輻射量、云量、風(fēng)速等[10]，太陽輻射量一般包含總輻射值、直接或散射輻射值等，其他如風(fēng)速、水汽壓、日照時數(shù)等氣象要素的考慮依賴于數(shù)據(jù)開發(fā)的目的及用途。對于建筑光環(huán)境模擬來說，太陽輻射參數(shù)是最為核心的要素，從前文給出的三套典型年數(shù)據(jù)在開發(fā)之初的要素構(gòu)成上來說，輻射參量權(quán)重最大，譬如CSWD的開發(fā)者將日總輻射參數(shù)的權(quán)重定為8/16[9]，DeST典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)者將日總輻射量參數(shù)的權(quán)重定為12/24[8]，ChinaTMY2數(shù)據(jù)的開發(fā)者將水平面總輻射量均值與直射輻射量均值參數(shù)的加權(quán)系數(shù)總和定為10/20[10]，三套數(shù)據(jù)的太陽輻射參數(shù)權(quán)重或加權(quán)系數(shù)均達到50%，遠高于其他要素所占比例?？梢娞栞椛湟叵鄬ψ顬橹匾?，也決定了其數(shù)據(jù)資料不僅可用于建筑能耗模擬，還可用于建筑采光模擬。

2 天津地區(qū)太陽輻射數(shù)據(jù)觀測

1)觀測目的。天津位于北溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，屬于第Ⅲ類光氣候區(qū)，春、夏兩季的太陽輻射較為豐富，全年各月中五月份的太陽總輻射最強，一月份最弱[11]。本次觀測由天津大學(xué)建筑學(xué)院與天津城建大學(xué)建筑學(xué)院合作進行，對水平面太陽總輻射平均值、法向直射輻射平均值等氣象參數(shù)進行逐時觀測統(tǒng)計，從而獲取天津地區(qū)一年多的實測太陽輻射數(shù)據(jù)，為國內(nèi)常用典型年數(shù)據(jù)的初步比對提供一定的參考。

2)觀測內(nèi)容。(a)觀測儀器：太陽輻射觀測儀器為荷蘭Kipp&Zonen公司生產(chǎn)，配有SOLYS2太陽追蹤器、CHP1直接輻射表、CMP21總輻射表。觀測儀器安裝在高約1.5 m的不銹鋼臺座上(如圖1所示)。(b)觀測參數(shù)：水平面總輻射均值、法向直射輻射均值等，采集間隔為1 h，單位為W/m2。(c)觀測地點：太陽輻射觀測站設(shè)在天津市西青區(qū)天津城建大學(xué)建筑學(xué)院D4號樓樓頂，如圖2所示。坐標為北緯39°5′40″，東經(jīng)117°5′22″，海拔為20 m。

圖1 觀測儀器Fig.1 Observation instrument

圖2 觀測地點Fig.2 Observing site

3)觀測方法。(a)太陽輻射觀測儀器牢固安裝在專用的臺柱上，臺座離地面約為1.5 m，臺腳固定于水泥臺，使得臺座在受到?jīng)_擊振動(如大風(fēng)等)情況下仍保持儀器的水平。(b)觀測前確認總輻射表的感應(yīng)面與玻璃罩完好，直射輻射表安裝與跟蹤太陽準確。儀器定期清潔，確?？傒椛浔聿Ａд謨?nèi)無水汽凝結(jié)物；保證直射輻射表進光筒玻璃窗清潔，同時檢查接線柱和導(dǎo)線的連接狀況等[12]。(c)觀測過程中，保持每日上午、下午至少各一次的頻率對各輻射表進行相應(yīng)檢查，當(dāng)遇大雨、雪、冰雹等特殊天氣時，應(yīng)根據(jù)具體情況及時加蓋。

4)觀測數(shù)據(jù)。本觀測于2015年8月15日19點開始至2017年1月2日17點終止，參考天津地區(qū)氣候特征，選取典型月份部分數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 2016年天津地區(qū)太陽輻射逐時觀測數(shù)據(jù)Table 2 Solar radiation observation data from Tianjin in 2016

3 各套數(shù)據(jù)中輻射參數(shù)的比較

3.1 全年逐時總體變化

如圖3～圖6所示，DeST數(shù)據(jù)全年逐時總輻射最大值發(fā)生在5月份，為1 220 W/m2，ChinaTMY2數(shù)據(jù)全年逐時總輻射最大值發(fā)生在5月份，為1 118 W/m2。同時，DeST、ChinaTMY2、天津?qū)崪y數(shù)據(jù)的總輻射值在全年2881～3624 h時間段即5月份處于全年較高值。根據(jù)相關(guān)資料記載，天津地區(qū)5月份的太陽總輻射最強，1月份最弱[11]。這說明DeST數(shù)據(jù)、ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射變化趨勢符合天津氣候特征。而CSWD的總輻射最值分布情況與其他數(shù)據(jù)存在較大差異。

圖3 CSWD總輻射值年變化Fig.3 Annual variation of CSWD’s global irradiance

圖4 ChinaTMY2總輻射值年變化Fig.4 Annual variation of China TMY2’s global irradiance

圖5 DeST總輻射值年變化Fig.5 Annual variation of DeST’s global irradiance

圖6 天津?qū)崪y總輻射值年變化Fig.6 Annual variation of measured global irradiance

對于散射輻射來說，如圖7～圖10所示，由于數(shù)據(jù)開發(fā)思路及方法的不同[8～10]，ChinaTMY2數(shù)據(jù)整體趨勢緩和，其全年逐時散射最大值發(fā)生在6月底，為488 W/m2，而天津?qū)崪y散射最大值為581.44 W/m2，發(fā)生時間比ChinaTMY2遲了1個月。CSWD與DeST數(shù)據(jù)幾乎完全相同，兩者的變化規(guī)律、最值分布情況與其他數(shù)據(jù)存在明顯的不同，需要對其數(shù)據(jù)的可靠性做進一步的研究。

圖7 CSWD散射輻射值年變化Fig.7 Annual variation of CSWD’s diffuse irradiance

圖8 ChinaTMY2散射輻射值年變化Fig.8 Annual variation of China TMY2’s diffuse irradiance

圖9 DeST散射輻射值年變化Fig.9 Annual variation of DeST’s diffuse irradiance

圖10 天津?qū)崪y散射輻射值年變化Fig.10 Annual variation of measured diffuse irradiance in Tianjin

參照上述4套數(shù)據(jù)的全年逐時總輻射變化趨勢可以看出，DeST數(shù)據(jù)與天津?qū)崪y數(shù)據(jù)吻合度最高，最值分布月份符合天津氣候特征。ChinaTMY2數(shù)據(jù)在1月份、12月份數(shù)值普遍高于DeST數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)，而CSWD數(shù)據(jù)與其他3套數(shù)據(jù)差異較大。對于全年逐時散射輻射變化趨勢來說，ChinaTMY2數(shù)據(jù)全年波動較小，較CSWD、DeST數(shù)據(jù)更接近實測數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻記載，我國廣大地區(qū)散射輻射量的變化規(guī)律大致相同：夏季最大，冬季最小[13]。另外美國NASA衛(wèi)星觀測記錄顯示，天津散射輻射22年月均最大值發(fā)生于6月，最小值發(fā)生于12月[14]，全年變化規(guī)律與CSWD不同。就散射輻射而言，最終比對結(jié)果并不理想。

3.2 全年各月均值變化

DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值變化趨勢與實測數(shù)據(jù)總輻射月均值變化趨勢最為吻合。如圖11所示，ChinaTMY2總輻射月均值在1、2、4、7～11月份高于其他3套數(shù)據(jù)。CSWD數(shù)據(jù)月均總輻射最大值發(fā)生在4月份，其最小值發(fā)生在11月份。而ChinaTMY2、DeST、實測數(shù)據(jù)的總輻射月均最大值則發(fā)生在5月份。如圖12所示，2～9月，以實測數(shù)據(jù)為標準值計算所得的3套典型年數(shù)據(jù)相對誤差大致在±20%以內(nèi)。

如圖13所示，實測數(shù)據(jù)的散射輻射月均值變化最大，4～10月時間段內(nèi)各月均值明顯超過相應(yīng)DeST數(shù)據(jù)。此外，天津?qū)崪y、ChinaTMY2散射輻射月均值普遍高于其他2套數(shù)據(jù)，DeST數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)在變化規(guī)律上存在非常大的差異。

圖11 總輻射月均值比較Fig.11 Comparison of global radiation’s monthly mean value

圖12 總輻射月均值相對誤差統(tǒng)計Fig.12 Relative error of global radiation’s monthly mean value

圖13 散射輻射月均值比較Fig.13 Comparison of diffuse radiation’s monthly mean value

綜上所述，DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值的相對誤差在1、5～8、10～12月小于其他2套典型年數(shù)據(jù)，而在3、4月ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射月均值的相對誤差小于其他兩套典型年數(shù)據(jù)?？傮w而言，全年中3～6月份ChinaTMY2數(shù)據(jù)較其他典型年數(shù)據(jù)有一定優(yōu)勢，而DeST數(shù)據(jù)相對誤差最小的月份數(shù)最多。

從各套數(shù)據(jù)的散射輻射月均值來看，ChinaTMY2數(shù)據(jù)與天津?qū)崪y數(shù)據(jù)趨勢最為接近，兩者同月差值最大為27.53 W/m2，CSWD、DeST數(shù)據(jù)變化規(guī)律與實測數(shù)據(jù)明顯不同。其差異產(chǎn)生原因有待進一步研究，也不排除觀測時間短、城市氣候變化、觀測站周邊建筑增多等的影響。從散射輻射按照全年逐時變化、各月均值變化的方式比較來看，其比對結(jié)果并不理想，以下不再進行日變化比較分析。

3.3 各季節(jié)的逐時日變化

天津地區(qū)處于北溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)環(huán)流的影響，不同季節(jié)太陽輻射日變化特征差異明顯[15]。按天文季節(jié)劃分全年各月：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。如圖14～圖17所示，春夏兩季除了CSWD，其他3套數(shù)據(jù)太陽總輻射日變化趨勢呈明顯的單峰型分布。夏秋兩季，ChinaTMY2數(shù)據(jù)、DeST數(shù)據(jù)、天津?qū)崪y數(shù)據(jù)的峰值區(qū)間位于[13:00,14:00]附近。春冬兩季，ChinaTMY2數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)波峰的橫坐標所對應(yīng)的時間相差在1 h以上，然而DeST數(shù)據(jù)與ChinaTMY2數(shù)據(jù)波峰的橫坐標近似吻合，僅日變化最大值有明顯的差別?？傮w而言，全年中ChinaTMY2數(shù)據(jù)各時段總輻射值比DeST數(shù)據(jù)中相應(yīng)時段總輻射值稍高。另外，天津地區(qū)實測數(shù)據(jù)與DeST數(shù)據(jù)在夏、秋兩季所呈現(xiàn)的關(guān)系與春、冬兩季所呈現(xiàn)的關(guān)系有所不同，體現(xiàn)為總輻射最值之差，在夏季，實測數(shù)據(jù)總輻射最大值為598.08 W/m2，而DeST數(shù)據(jù)最大值為575.37 W/m2，兩者之差為22.71 W/m2；秋季，兩者最大值之差為7.37 W/m2。然而從冬季開始，兩者最大值之差為76.79 W/m2，春季則為106.27 W/m2，這可能與近年天津地區(qū)入冬后大氣污染嚴重等原因有關(guān)。

圖14 春季總輻射日變化Fig.14 Daily variation of global irradiance in spring

圖15 夏季總輻射日變化Fig.15 Daily variation of global irradiance in summer

圖16 秋季總輻射日變化Fig.16 Daily variation of global irradiance in autumn

圖17 冬季總輻射日變化Fig.17 Daily variation of global irradiance in winter

ChinaTMY2數(shù)據(jù)、DeST數(shù)據(jù)、天津地區(qū)實測數(shù)據(jù)日變化曲線均呈單峰型分布。春夏兩季，就日變化而言，ChinaTMY2數(shù)據(jù)與天津地區(qū)實測數(shù)據(jù)較為接近，尤其是太陽輻射量具代表性的1月份前后，ChinaTMY2數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的不同可近似表現(xiàn)為日變化最大值所對應(yīng)橫坐標的不同。而夏秋兩季，DeST數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度很高?？梢?，ChinaTMY2數(shù)據(jù)和DeST數(shù)據(jù)均適用于天津地區(qū)建筑光環(huán)境模擬，且前者春夏兩季適用性高，而后者夏秋兩季適用性高。

4 總結(jié)

我們通過挑選建筑采光模擬常用的幾套典型年數(shù)據(jù)，同時以天津地區(qū)1年多的逐時太陽輻射觀測數(shù)據(jù)作為參考，對上述4套數(shù)據(jù)中的總輻射值、散射輻射值依次按照全年逐時總體變化、各月均值變化、各季節(jié)逐時日變化的方式進行比較，從最終的數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：

1)DeST、ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射全年逐時變化趨勢與實測數(shù)據(jù)較為吻合，且符合天津地區(qū)氣候特征。DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值與天津地區(qū)實測數(shù)據(jù)相對誤差較小，較其他兩套典型年數(shù)據(jù)表現(xiàn)更好。

2)春夏兩季，ChinaTMY2總輻射日變化與天津?qū)崪y總輻射分布規(guī)律較為接近；夏秋兩季，DeST總輻射日變化與天津?qū)崪y總輻射日變化吻合度較高。

3)從各典型年數(shù)據(jù)散射值的比對來看，ChinaTMY2數(shù)據(jù)趨勢較為接近實測數(shù)據(jù)，而CSWD、DeST數(shù)據(jù)變化規(guī)律與實測數(shù)據(jù)及相關(guān)資料差異較大，其數(shù)據(jù)的可靠性有待進一步研究?？傮w而言，散射輻射比對不理想，仍需累積更多的實測數(shù)據(jù)來支撐研究。

本文以天津地區(qū)觀測數(shù)據(jù)為參考，通過各套典型年數(shù)據(jù)總輻射值、散射輻射值的初步比較，可以更為直觀地認識建筑采光模擬所用的幾套典型年數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的缺陷，從而更好地對其進行相應(yīng)的修正，以此來保證模擬平臺輸入端處數(shù)據(jù)的可靠度及精確性。