太陽輻射數據計算管理論文

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摘要：逐時氣象參數是建筑物全年能耗計算機模擬的必要輸入參數之一，其中的太陽輻射數據通常難以得到。本文提出了一種基于統計的逐時太陽輻射數據計算方法，在計算出大氣層外水平面逐時太陽輻射數據的基礎上，利用典型氣象年逐時氣象參數中的太陽輻射數據，擬合出水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時太陽總輻射量之間的關系，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量之間的關系，再結合實際氣象年的相關氣象數據，從而可以計算得到實際氣象年的逐時太陽輻射數據。

關鍵詞：氣象參數太陽輻射統計

0前言

當前，采用計算機模擬的方法對建筑物的全年能耗進行分析越來越普遍，這種方法既可以在設計階段，對新建建筑的能耗進行預測，從而指導建筑物能源系統的設計，使之符合國家相關的節能標準。同時，也可以用于已建建筑，對建筑物的能耗進行評價和預測，并為對其進行節能改造的可能性及其效果進行預估。目前，常用于建筑物全年能耗模擬的計算機軟件有DOE-2（包括VisualDOE）、EnergyPlus、eQUEST和DeST等。

由于空調系統在整個建筑物的全年能耗中占有相當大的比例，因此，在對建筑物的全年能耗進行計算機模擬的時候，不可避免地要計算空調系統的全年能耗，而空調系統的能耗，與當地的氣象條件，特別是溫度、濕度和太陽輻射強度緊密相關。通常，在設計階段進行建筑物能耗預測時，一般采用典型氣象年數據；而在對已建建筑進行全年能耗分析的時候，由于已經可以取得建筑物運行的實際能耗數據，通常需要根據實際能耗數據和實際氣象年逐時數據對計算機模型進行校準(calibration)，以保證模型具有足夠的精度，然后再采用標準氣象年數據進行計算，并根據計算結果進行評價和比較。這種建模→模型校準→計算及結果評價的方法也是IPMVP2002(InternationalPerformanceandMeasurementVerificationProtocol)中所推薦的方法。

1基本計算方法

根據DOE-2程序的要求，計算空調負荷用的逐時氣象參數有濕球溫度、干球溫度、大氣壓力、云量、雪、雨、風向、空氣絕對含濕量、空氣密度、空氣焓值、水平面太陽總輻射量、法線方向太陽直射輻射量、云的類型與風速等14項。除了與太陽輻射有關的兩項參數外，都可以由當地氣象臺站公布的逐時氣象參數直接取得，或者通過一定的計算和量化取得。

與此不同的是，有關太陽輻射的兩項參數的取得則比較困難。由于我國的氣象臺站均不公布逐時太陽輻射數據，因此有些學者采用半正弦模型進行插值，有些采用混合回歸的方法，在一些要求不高的場合，則干脆直接采用典型氣象年的數據。

筆者認為，由于大氣層外水平面逐時太陽總輻射量只與當地的經度和緯度有關，而這可以通過天文學的有關公式精確計算得到，所以我們需要求取的，只是水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時太陽總輻射量之間的關系及其影響因子，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量之間的關系及其影響因子。只要能夠得到這些關系，我們就可以從大氣層外水平面逐時太陽總輻射量，得到水平面逐時太陽輻射總量；然后再從水平面逐時太陽輻射總量，得到法線方向逐時太陽直射輻射量。而這些關系和及其影響因子，筆者認為，都可以從當地的典型氣象年逐時數據中采用統計的方法取得。為了敘述方便，以下均以求取上海地區2004年逐時太陽輻射數據為例。

2數據分析、計算、擬合及應用

首先考慮水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時太陽總輻射量（以下簡稱為總輻射/天文輻射）之間的關系。

筆者首先假定，影響總輻射/天文輻射之間的關系的因子有三項：云量、太陽入射角和空氣絕對含濕量。其中，云的多少直接對太陽輻射起了遮擋作用，因此云量多少對水平面太陽總輻射量的影響是不言而喻的；太陽入射角的大小將影響水平面太陽總輻射量，入射角越小，則太陽總輻射量越低；空氣中的水蒸氣將對太陽輻射起散射和吸收作用，水蒸氣濃度越高（即絕對含濕量越高），則水平面太陽總輻射量就越低。當然，在考慮總輻射/天文輻射之間的關系時，還應當考慮大氣污染對水平面太陽總輻射量的影響，可是由于筆者無法取得有關大氣污染情況的數據，所以只能將這一因子忽略了。

基于這樣的考慮，筆者利用“中國建筑用標準氣象數據庫”中上海典型氣象年的逐時氣象參數，以云量、太陽入射角和空氣絕對含濕量作為影響因子，采用SPSS程序分析它們對總輻射/天文輻射之間關系的影響。結果發現，太陽入射角和空氣絕對含濕量對總輻射/天文輻射的影響幾乎為零，總輻射/天文輻射之間的關系僅與云量相關。

對于這個結果，筆者是這樣認為的：云量作為主要影響因子是符合預期的；太陽入射角的影響幾乎為零，只是說明這一因子的影響已經包含在大氣層外水平面逐時太陽總輻射量的變動中了；而空氣絕對含濕量的影響幾乎為零，可能有兩個原因，一是在上海地區，空氣中水蒸氣對太陽輻射的吸收和散射并不是很嚴重，二是空氣絕對含濕量與云量之間多少有些關系，這個因子的部分影響已經包含在云量這個因子中了。

這樣，在忽略大氣污染對太陽輻射影響的前提下，求取總輻射/天文輻射之間的關系，就簡化為求取在各個云量水平下，與不同云量相對應的總輻射/天文輻射比例系數。

由于2004年上海地區太陽位于地平線以上的時間為4385小時，對應與每個云量的總輻射/天文輻射數據基本上都有上百個之多，個別的甚至超過了一千個，數據分布范圍也很廣（見圖1，其中紅色部分為50%置信區間）。

這些數據的分布范圍比較廣的原因，筆者認為，在氣象學中，云量是指云遮蔽天空視野的成數(0~10)，它并不反映太陽與云的相對位置。因此，由于太陽既可能被云遮擋，也可能不被云遮擋，所以同一云量所對應的水平面太陽輻射總量會有很大的差異，在云量較少的情況下尤為明顯。

同時，如果筆者這個想法是正確的，那么，由于太陽與云的相對位置的隨機性，在各個云量水平下，總輻射/天文輻射數據的分布應當服從正態分布。因此，在求取比例系數前，必須首先檢查在各個云量水平下，總輻射/天文輻射的比例系數是否符合正態分布。

圖1不同云量下總輻射/天文輻射數據的分布

同樣采用SPSS程序，筆者對每個云量水平所對應的總輻射/天文輻射數據進行了正態分布檢驗，結果發現，所有的總輻射/天文輻射數據分布均很好地滿足正態分布，這為下一步求取比例系數提供了基礎。圖2為檢驗結果之一。

圖2當云量為6時總輻射/天文輻射的正態分布檢驗結果

上述方法也可應用于分析法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量（以下簡稱直接輻射/總輻射）之間的關系。同樣，筆者發現直接輻射/總輻射之間的關系也只有云量這一個影響因子，所以問題就同樣簡化為求取在各個云量水平下，若干個與不同云量對應的直接輻射/總輻射比例系數。盡管2004年上海有太陽直接照射的時間僅3845小時，但是，各云量水平所對應的直接輻射/總輻射數據基本上也都有成百上千個，根據與前述相同的原因，同樣需要進行正態分布檢驗。檢驗結果表明，在各個云量水平下，直接輻射/總輻射數據也都很好地服從正態分布。比例系數的具體分布情況見圖3，正態分布檢驗結果之一見圖4。

盡管在各個云量水平下，總輻射/天文輻射和直接輻射/總輻射的比例系數分布都滿足正態分布，但是由于數據分布范圍較廣，其中還存在一些極端值，因此筆者認為，如果直接采用它們的算術平均值或中位值可能會帶來較大的誤差。因此，筆者采用了Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計算法，這種算法在數據分布符合正態分布規律，但是分布范圍較廣，以及有少數極端值存在的情況下，可以得到比算術平均更加接近真值的平均值。表1中列出了根據典型氣象年逐時數據，在各個云量水平下，采用Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計算法得到的總輻射/天文輻射比例系數和直接輻射/總輻射比例系數。

表1不同云量下總輻射/天文輻射及直接輻射/總輻射比例系數的最大似然均值云量總輻射/天文輻射直接輻射/總輻射

0.201996.629582

1.225952.707603

2.279112.794809

3.286788.821102

4.273717.821468

5.276085.796764

6.238903.723629

7.199643.612589

8.146616.399326

9.089103.134332

10.028377.006261

從表中數據可以看出，(1)最多只有不到30%的太陽天文輻射能量到達地面；(2)當云量為2、3和4時，到達地面的太陽輻射能量最多；(3)當云量為3和4時，在到達地面的太陽輻射能量中，直接輻射所占的比例最大，超過了80%。

根據表1中的數據，可以得到兩個擬合公式：

(1)

(2)

式中：k1---總輻射/天文輻射

k2---直接輻射/總輻射

cc---云量

公式(1)的R2值為0.9899，公式(2)的R2值為0.9873，擬合曲線見圖5。

圖5總輻射/天文輻射和直接輻射/總輻射擬合曲線

在得到上述擬合公式以后，就可以計算實際氣象年的逐時太陽輻射數據了。具體步驟如下：

1)利用天文學公式計算出當地全年逐時太陽天文輻射值，并剔除那些輻射值為0（太陽位于地平線以下）的時段。

2)根據實際氣象年的逐時天氣狀況，對云量值進行量化，并對變化劇烈的時段進行人工平滑處理，得到逐時云量值。

3)由1)和2)的結果，應用公式(1)或直接采用表1中的數據，計算得到當地實際氣象年逐時水平面太陽總輻射量。

4)由3)的結果，應用公式(2)或直接采用表1中的數據，計算得到當地實際氣象年逐時法線方向太陽直射輻射量。

由于計算全年數據時的數據量很大，因此在計算2004年上海逐時太陽輻射數據時，所有的計算均由一筆者自編的計算機程序完成。由此得到的太陽輻射數據已經作為2004年上海逐時氣象參數的一部分，應用于上海某高層建筑計算機能耗模擬與分析項目。

3結論

1.根據影響因子分析的結果，在忽略大氣污染影響的前提下，水平面太陽輻射總量與大氣層外水平面太陽輻射總量之間的關系只與云量相關。同樣，法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽輻射總量的關系也只與云量相關。

2.盡管在各個不同的云量水平下，水平面太陽輻射總量與大氣層外水平面太陽輻射總量的比例系數，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽輻射總量的比例系數，都分布在一個相當寬的范圍內，但是這些數據都很好地服從正態分布。

3.上述兩個與不同云量水平相對應的比例系數，可以采用Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計算法計算得到，這種算法能得到比算術平均更加接近真值的平均值。這兩個比例系數的最大似然均值與云量的對應關系，可以很好地分別用一個二次三項式來擬合。

4.結合采用天文學公式計算得到的當地大氣層外水平面逐時太陽輻射總量數據，以及從當地實際氣象年的逐時天氣狀況中得到的云量數據，應用上述兩個比例系數，就可以得到實際氣象年的逐時太陽輻射數據。

5.由于本計算方法的基礎是當地的典型氣象年逐時太陽輻射數據和當地實際氣象年的逐時云量數據，因此本方法可以適用于任何地點和任何年份的逐時太陽輻射數據計算。

參考文獻

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