基于气溶胶光学厚度的重庆晴天空照度模型研究

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当前的建筑设计正在朝着可持续方向发展,要求建筑在建造和使用的过程中尽量做到节约资源,并且在建筑设计之初就要考虑多利用太阳能等可再生资源。光环境是建筑环境设计的主要内容之一,人工照明不仅需要耗费电力而且长久处于人工光源下不利于儿童的视力健康,相比之下天然采光可以节约能源,并且有利于身心健康。光气候指的是太阳直射光、天空散射光和地面反射光形成的天然光的平均状况,天然光照度是光气候的重要组成部分,天然光照度数据的传统获取方法是直接测量或由天空亮度、辐射等数据转化计算得到。由于一般气象站点的常规观测项目不包含天然光照度,因此其直接测量数据非常少,所以通过天空亮度、辐射等转化计算依然是传统获取天然光照度数据的主要方法。随着卫星遥感技术在气象领域被广泛应用,近年来出现了利用卫星遥感数据计算天然光照度的新趋势,卫星遥感的优势是数据信息在空间上具有连续性。本研究在国家自然科学基金项目“大气污染对天然光照度影响研究-以重庆为例”(1)的支持下,致力于研究大气中的气溶胶粒子对天然光的影响。理论上影响晴天空天然光照度的主要因素包括太阳高度角和大气消光,其中太阳高度角受观测点地理坐标、日数及真太阳时影响,影响晴天空大气消光的主要物质是气溶胶和大气分子。气溶胶对天然光的散射主要为米散射,其前向散射远大于后向散射,因此对照度的影响非常大。大气分子对天然光的散射主要是瑞利散射,散射的光线在光线前进方向和反方向上的程度是相同的,对照度的影响较小。气溶胶对天然光的衰减可以通过气溶胶光学厚度AOD来表示,气溶胶光学厚度AOD可由卫星遥感获得。本文的主要目的是研究晴天空条件下气溶胶光学厚度AOD与室外天然光照度的关系,建立AOD-照度模型。由于卫星遥感只有在无云或薄云(少量云时可以通过去云处理消除薄云对AOD数据的影响)时才能够得到AOD数据,因此本研究中涉及的晴天空指的是能够得到有效卫星遥感AOD数据的天空状况。在本研究中不考虑周围环境对天然光照度的影响,因此文中的照度指的是室外无遮挡水平面上的天然光总照度。本文主要研究内容如下:(1)用地基CE318太阳光度计验证MODIS MCD19-A2产品的数据精度,检验MODIS AOD数据精度是否能够达到作为基础数据建模的要求。(2)根据对晴天空照度影响程度,选择太阳高度角正弦值sinH和大气可降水含量W作为校正因子,与气溶胶光学厚度AOD共同构成重庆地区的晴天空照度模型。(3)利用建立的模型反演重庆地区11个站点的全年晴天照度值,并通过空间插值的方法得到整个重庆地区的年均、季均及月均晴天空照度分布图。通过分析,全年的晴天空照度呈现明显的季节性,夏季照度明显高于冬季照度,冬季全市范围的晴天空照度差异大于夏季;同时,晴天空照度的分布也具有一定的地域特征,在江津和万县(现万州)存在两个明显的高值区。后续研究可以将本模型应用于建筑采光模拟,探索晴天室外照度对室内照度的影响以及对天然光的合理利用等问题。
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