導(dǎo)語(yǔ)：太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)計(jì)算管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：逐時(shí)氣象參數(shù)是建筑物全年能耗計(jì)算機(jī)模擬的必要輸入?yún)?shù)之一，其中的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)通常難以得到。本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)的逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)計(jì)算方法，在計(jì)算出大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用典型氣象年逐時(shí)氣象參數(shù)中的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，擬合出水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量之間的關(guān)系，以及法線方向太陽(yáng)直射輻射量與水平面太陽(yáng)總輻射量之間的關(guān)系，再結(jié)合實(shí)際氣象年的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，從而可以計(jì)算得到實(shí)際氣象年的逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣象參數(shù)太陽(yáng)輻射統(tǒng)計(jì)

0前言

當(dāng)前，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)建筑物的全年能耗進(jìn)行分析越來(lái)越普遍，這種方法既可以在設(shè)計(jì)階段，對(duì)新建建筑的能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)建筑物能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使之符合國(guó)家相關(guān)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，也可以用于已建建筑，對(duì)建筑物的能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并為對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造的可能性及其效果進(jìn)行預(yù)估。目前，常用于建筑物全年能耗模擬的計(jì)算機(jī)軟件有DOE-2（包括VisualDOE）、EnergyPlus、eQUEST和DeST等。

由于空調(diào)系統(tǒng)在整個(gè)建筑物的全年能耗中占有相當(dāng)大的比例，因此，在對(duì)建筑物的全年能耗進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的時(shí)候，不可避免地要計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗，而空調(diào)系統(tǒng)的能耗，與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，特別是溫度、濕度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度緊密相關(guān)。通常，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行建筑物能耗預(yù)測(cè)時(shí)，一般采用典型氣象年數(shù)據(jù)；而在對(duì)已建建筑進(jìn)行全年能耗分析的時(shí)候，由于已經(jīng)可以取得建筑物運(yùn)行的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)實(shí)際能耗數(shù)據(jù)和實(shí)際氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行校準(zhǔn)(calibration)，以保證模型具有足夠的精度，然后再采用標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。這種建?！Ｐ托?zhǔn)→計(jì)算及結(jié)果評(píng)價(jià)的方法也是IPMVP2002(InternationalPerformanceandMeasurementVerificationProtocol)中所推薦的方法。

1基本計(jì)算方法

根據(jù)DOE-2程序的要求，計(jì)算空調(diào)負(fù)荷用的逐時(shí)氣象參數(shù)有濕球溫度、干球溫度、大氣壓力、云量、雪、雨、風(fēng)向、空氣絕對(duì)含濕量、空氣密度、空氣焓值、水平面太陽(yáng)總輻射量、法線方向太陽(yáng)直射輻射量、云的類型與風(fēng)速等14項(xiàng)。除了與太陽(yáng)輻射有關(guān)的兩項(xiàng)參數(shù)外，都可以由當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站公布的逐時(shí)氣象參數(shù)直接取得，或者通過(guò)一定的計(jì)算和量化取得。

與此不同的是，有關(guān)太陽(yáng)輻射的兩項(xiàng)參數(shù)的取得則比較困難。由于我國(guó)的氣象臺(tái)站均不公布逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，因此有些學(xué)者采用半正弦模型進(jìn)行插值，有些采用混合回歸的方法，在一些要求不高的場(chǎng)合，則干脆直接采用典型氣象年的數(shù)據(jù)。

筆者認(rèn)為，由于大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量只與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度有關(guān)，而這可以通過(guò)天文學(xué)的有關(guān)公式精確計(jì)算得到，所以我們需要求取的，只是水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量之間的關(guān)系及其影響因子，以及法線方向太陽(yáng)直射輻射量與水平面太陽(yáng)總輻射量之間的關(guān)系及其影響因子。只要能夠得到這些關(guān)系，我們就可以從大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量，得到水平面逐時(shí)太陽(yáng)輻射總量；然后再?gòu)乃矫嬷饡r(shí)太陽(yáng)輻射總量，得到法線方向逐時(shí)太陽(yáng)直射輻射量。而這些關(guān)系和及其影響因子，筆者認(rèn)為，都可以從當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r(shí)數(shù)據(jù)中采用統(tǒng)計(jì)的方法取得。為了敘述方便，以下均以求取上海地區(qū)2004年逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)為例。

2數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、擬合及應(yīng)用

首先考慮水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量（以下簡(jiǎn)稱為總輻射/天文輻射）之間的關(guān)系。

筆者首先假定，影響總輻射/天文輻射之間的關(guān)系的因子有三項(xiàng)：云量、太陽(yáng)入射角和空氣絕對(duì)含濕量。其中，云的多少直接對(duì)太陽(yáng)輻射起了遮擋作用，因此云量多少對(duì)水平面太陽(yáng)總輻射量的影響是不言而喻的；太陽(yáng)入射角的大小將影響水平面太陽(yáng)總輻射量，入射角越小，則太陽(yáng)總輻射量越低；空氣中的水蒸氣將對(duì)太陽(yáng)輻射起散射和吸收作用，水蒸氣濃度越高（即絕對(duì)含濕量越高），則水平面太陽(yáng)總輻射量就越低。當(dāng)然，在考慮總輻射/天文輻射之間的關(guān)系時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮大氣污染對(duì)水平面太陽(yáng)總輻射量的影響，可是由于筆者無(wú)法取得有關(guān)大氣污染情況的數(shù)據(jù)，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(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)”中上海典型氣象年的逐時(shí)氣象參數(shù)，以云量、太陽(yáng)入射角和空氣絕對(duì)含濕量作為影響因子，采用SPSS程序分析它們對(duì)總輻射/天文輻射之間關(guān)系的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)入射角和空氣絕對(duì)含濕量對(duì)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(guān)系僅與云量相關(guān)。

對(duì)于這個(gè)結(jié)果，筆者是這樣認(rèn)為的：云量作為主要影響因子是符合預(yù)期的；太陽(yáng)入射角的影響幾乎為零，只是說(shuō)明這一因子的影響已經(jīng)包含在大氣層外水平面逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量的變動(dòng)中了；而空氣絕對(duì)含濕量的影響幾乎為零，可能有兩個(gè)原因，一是在上海地區(qū)，空氣中水蒸氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射并不是很嚴(yán)重，二是空氣絕對(duì)含濕量與云量之間多少有些關(guān)系，這個(gè)因子的部分影響已經(jīng)包含在云量這個(gè)因子中了。

這樣，在忽略大氣污染對(duì)太陽(yáng)輻射影響的前提下，求取總輻射/天文輻射之間的關(guān)系，就簡(jiǎn)化為求取在各個(gè)云量水平下，與不同云量相對(duì)應(yīng)的總輻射/天文輻射比例系數(shù)。

由于2004年上海地區(qū)太陽(yáng)位于地平線以上的時(shí)間為4385小時(shí)，對(duì)應(yīng)與每個(gè)云量的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)基本上都有上百個(gè)之多，個(gè)別的甚至超過(guò)了一千個(gè)，數(shù)據(jù)分布范圍也很廣（見圖1，其中紅色部分為50%置信區(qū)間）。

這些數(shù)據(jù)的分布范圍比較廣的原因，筆者認(rèn)為，在氣象學(xué)中，云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)(0~10)，它并不反映太陽(yáng)與云的相對(duì)位置。因此，由于太陽(yáng)既可能被云遮擋，也可能不被云遮擋，所以同一云量所對(duì)應(yīng)的水平面太陽(yáng)輻射總量會(huì)有很大的差異，在云量較少的情況下尤為明顯。

同時(shí)，如果筆者這個(gè)想法是正確的，那么，由于太陽(yáng)與云的相對(duì)位置的隨機(jī)性，在各個(gè)云量水平下，總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)的分布應(yīng)當(dāng)服從正態(tài)分布。因此，在求取比例系數(shù)前，必須首先檢查在各個(gè)云量水平下，總輻射/天文輻射的比例系數(shù)是否符合正態(tài)分布。

圖1不同云量下總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)的分布

同樣采用SPSS程序，筆者對(duì)每個(gè)云量水平所對(duì)應(yīng)的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)分布均很好地滿足正態(tài)分布，這為下一步求取比例系數(shù)提供了基礎(chǔ)。圖2為檢驗(yàn)結(jié)果之一。

圖2當(dāng)云量為6時(shí)總輻射/天文輻射的正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

上述方法也可應(yīng)用于分析法線方向太陽(yáng)直射輻射量與水平面太陽(yáng)總輻射量（以下簡(jiǎn)稱直接輻射/總輻射）之間的關(guān)系。同樣，筆者發(fā)現(xiàn)直接輻射/總輻射之間的關(guān)系也只有云量這一個(gè)影響因子，所以問(wèn)題就同樣簡(jiǎn)化為求取在各個(gè)云量水平下，若干個(gè)與不同云量對(duì)應(yīng)的直接輻射/總輻射比例系數(shù)。盡管2004年上海有太陽(yáng)直接照射的時(shí)間僅3845小時(shí)，但是，各云量水平所對(duì)應(yīng)的直接輻射/總輻射數(shù)據(jù)基本上也都有成百上千個(gè)，根據(jù)與前述相同的原因，同樣需要進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，在各個(gè)云量水平下，直接輻射/總輻射數(shù)據(jù)也都很好地服從正態(tài)分布。比例系數(shù)的具體分布情況見圖3，正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果之一見圖4。

盡管在各個(gè)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(shù)分布都滿足正態(tài)分布，但是由于數(shù)據(jù)分布范圍較廣，其中還存在一些極端值，因此筆者認(rèn)為，如果直接采用它們的算術(shù)平均值或中位值可能會(huì)帶來(lái)較大的誤差。因此，筆者采用了Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計(jì)算法，這種算法在數(shù)據(jù)分布符合正態(tài)分布規(guī)律，但是分布范圍較廣，以及有少數(shù)極端值存在的情況下，可以得到比算術(shù)平均更加接近真值的平均值。表1中列出了根據(jù)典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，在各個(gè)云量水平下，采用Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計(jì)算法得到的總輻射/天文輻射比例系數(shù)和直接輻射/總輻射比例系數(shù)。

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(shù)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(shù)據(jù)可以看出，(1)最多只有不到30%的太陽(yáng)天文輻射能量到達(dá)地面；(2)當(dāng)云量為2、3和4時(shí)，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量最多；(3)當(dāng)云量為3和4時(shí)，在到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量中，直接輻射所占的比例最大，超過(guò)了80%。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以得到兩個(gè)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(jì)算實(shí)際氣象年的逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)了。具體步驟如下：

1)利用天文學(xué)公式計(jì)算出當(dāng)?shù)厝曛饡r(shí)太陽(yáng)天文輻射值，并剔除那些輻射值為0（太陽(yáng)位于地平線以下）的時(shí)段。

2)根據(jù)實(shí)際氣象年的逐時(shí)天氣狀況，對(duì)云量值進(jìn)行量化，并對(duì)變化劇烈的時(shí)段進(jìn)行人工平滑處理，得到逐時(shí)云量值。

3)由1)和2)的結(jié)果，應(yīng)用公式(1)或直接采用表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年逐時(shí)水平面太陽(yáng)總輻射量。

4)由3)的結(jié)果，應(yīng)用公式(2)或直接采用表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年逐時(shí)法線方向太陽(yáng)直射輻射量。

由于計(jì)算全年數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)量很大，因此在計(jì)算2004年上海逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)時(shí)，所有的計(jì)算均由一筆者自編的計(jì)算機(jī)程序完成。由此得到的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)已經(jīng)作為2004年上海逐時(shí)氣象參數(shù)的一部分，應(yīng)用于上海某高層建筑計(jì)算機(jī)能耗模擬與分析項(xiàng)目。

3結(jié)論

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

2.盡管在各個(gè)不同的云量水平下，水平面太陽(yáng)輻射總量與大氣層外水平面太陽(yáng)輻射總量的比例系數(shù)，以及法線方向太陽(yáng)直射輻射量與水平面太陽(yáng)輻射總量的比例系數(shù)，都分布在一個(gè)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，但是這些數(shù)據(jù)都很好地服從正態(tài)分布。

3.上述兩個(gè)與不同云量水平相對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，可以采用Hampel''''sredescendingM-estimator最大似然均值估計(jì)算法計(jì)算得到，這種算法能得到比算術(shù)平均更加接近真值的平均值。這兩個(gè)比例系數(shù)的最大似然均值與云量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以很好地分別用一個(gè)二次三項(xiàng)式來(lái)擬合。

4.結(jié)合采用天文學(xué)公式計(jì)算得到的當(dāng)?shù)卮髿鈱油馑矫嬷饡r(shí)太陽(yáng)輻射總量數(shù)據(jù)，以及從當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年的逐時(shí)天氣狀況中得到的云量數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述兩個(gè)比例系數(shù)，就可以得到實(shí)際氣象年的逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)。

5.由于本計(jì)算方法的基礎(chǔ)是當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年的逐時(shí)云量數(shù)據(jù)，因此本方法可以適用于任何地點(diǎn)和任何年份的逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)計(jì)算。

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