天然采光设计中的参考天空分类

何 荥,胡英奎,翁 季

（1.重庆大学a.建筑城规学院;b.土木工程学院,重庆 400045;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510640）

天空亮度分布是瞬息万变的,不仅与当地地理纬度、地形地貌等相关联,同时也受到气候条件、太阳高度角、大气透明度等因素的影响,如中国北方晴天多阴天少、南方特别是重庆、四川盆地及贵州等地则是阴天多晴天少,因此各地天空亮度分布也大不相同。采用真实的天空来描述天空亮度分布是很困难的,为了解决这问题,通常使用参考天空来表示众多变化的真实天空,并把参考天空作为采光设计和计算的基础[1]。

参考天空是从亮度分布出发,对真实天空加以统计平均描述。真实天空亮度是千变万化的,因此仅通过参考天空定义来描述参考天空代表的真实天空是不可能的。为了更加准确的描述天空亮度分布状况,科学研究工作者以CIE晴天空亮度分布模型为基础,使用定量的（可测性好）、易被观测的参量,用以定义和分类参考天空所代表的真实天空,其天空亮度可以近似描述对应真实天空统计平均亮度分布。具有代表性的分类方法有日本的Norio Igaw a等[2]采用无云指数（Cle）将天空分类为5类;重庆大学陈仲林将中间天空划分为似晴天空及似阴天空[3];CIE一般天空亮度分布标准[4]将参考天空类型分为3大类,分别为晴天空、阴天空和中间天空,每类天空包含5小类细分的天空类型。在CIE一般天空亮度分布标准的基础上科研工作者分别结合当地气候条件对地中海及中欧[5]、香港[6-8]、曼谷[9]、新加坡[10]及英格兰中部[11]的参考天空分类进行研究。

CIE参考天空分类在描述天空特征时使用了较为模糊的语言,这对实际操作过程中辨别正确的天空模式是相当困难的,并且部分分类存在重叠的情况;Norio Igaw a分类方法相对较为复杂,并需要仪器辅助才能完成,不利于实际观测运用。陈仲林分类方法由于分类过于简单而造成较大的误差;这对正确选择相应的参考天空类别带来了较大的困难。

因此,在已有研究成果的基础上,建立分类明确、易于观测识别并具有较好连续性的参考天空分类方法,将为天空亮度的观测及研究奠定基础。

1 参考天空分类参量研究

参考天空相对亮度分布取决于2个特征量,一是相对亮度最大元在天空中的位置,二是从此开始相对亮度在各方向递减的相对亮度变化率[1]。因此不同的气候状况将极大的影响参考天空亮度分布表达式。CIE一般天空模型采用了太阳日面状况、云量、天顶与地平亮度变化情况及太阳周边光环大小作为划分天空类型的主要气象参量。

为了避免分类模糊所造成的不便于实际运用的情况,参考CIE一般天空分类标准及重庆大学陈仲林等人的天空分类研究成果[3],采用一些便于观察的指标对参考天空进行分类。

在实际观测中,天空状况（云量等）、太阳日面状况、水平区域到天顶亮度渐变状况等气象参量是容易被观察与辨别的,且这些参量对天空亮度有较大的影响,因此这些气象参量被选择为天空亮度分类的基本参量对天空亮度进行分类。这些参量的选择不仅使得参考天空分类与地面测试观察与测试数据相联系,而且使得对真实天空的分类工作得以进行与完成。在对参考天空分类之前,首先明确各气象参量的含义,太阳日面状况见表1,天空状况（云量等）见表2,水平区域到天顶亮度渐变状况是指水平区域相对天空亮度的变化情况,从参考天空的变化状况来看,通常可采用变亮、不变及变暗来描述。在明确各参量的含义后,对所选择气象参量分别进行分析。

表1 日面状况各参量含义

表 2 天空状况（云量）各参量含义

1.1 云量

在划分天空类型时,如果把云量作为区划的唯一标准,则通常可以分为3类：全晴天空、中间天空和全阴天空。全晴天空对应云量为0,日面状况为☉2,中间天空对应云量为1～9,日面状况为☉、☉0、☉2及Π,全阴天空对应的云量为10,日面状况不仅有Π,而且还出现了由于云层较薄,太阳光透过云层,日面状况记为☉和☉0的天气现象,此时,天空亮度分布规律显然与阴天空亮度分布规律差别极大。根据气候特点不同的6个日射站（重庆、西安、长春、二连、玉树、乌鲁木齐、上海）连续两年定时观测资料统计分析表明这种天气现象在重庆地区出现的概率大于3%（表3）。

由此可以得到一个重要结论,即云量尽管对天空亮度分布有重要的影响,但是由于云层厚薄、云层形态及位置的不同而使得日面状况在天空中呈现出不同的状态,会形成不同的天空亮度分布模式,因此太阳日面状况是影响天空亮度分布的另一个关键因素。

表3 云量为10,日面状况为☉,☉0的天气现象出现概率

1.2 日面状况

尽管当今气象观测不再把日面状况作为常规观察的一个项目[12],但是由于日面状况对天空亮度分布具有及其重要的影响。因此,依然采用日面状况作为研究天空亮度分布的一个重要指标进行研究。全晴天空就是日面状况为☉2的无云天空,全阴天空是指日面状况为 Π的全部是云的天空。除了晴天空及阴天空外,一般可以认为云在天空中出现的方位是随机的,所以对于一般地区而言,尤其是当该地区附近的地理条件大致相似时,云在天空中各个方位上出现的可能性是相同的,因而从多年统计平均的观点看,云在平均天空各个方位上出现的概率是相等的。即,云在平均天空中是以均匀状态分布的,因此当太阳面被云遮挡时,可认为此种中间天空的亮度分布规律类似于标准阴天空的亮度分布规律[13];当太阳面上无云时,可认为此种中间天空的亮度分布规律类似于标准晴天空的亮度分布规律[13]。

实际天空中还存在一种过渡类型,即太阳虽被云遮挡,但是由于云层较薄,其轮廓可见、日面状况记为☉0的天空状况。在这种天空情况下,太阳附近处的天空亮度会明显高于其它天空部分,这一点与晴天空亮度分布相同,从云在平均天空中均匀分布这个统计平均观点来看,可认为此种天空的亮度分布类似于晴天空。

1.2.1 日面状况理论基础 自Bouguer在18世纪的研究并发展了任意方向表面的指数函数后,在理论物理和光学研究的主要关注集中于直射照度PV构成的表达式的研究,目前使用的是其现代形式[7]：

其中PVa分别为在任意倾斜面和朝向的平面上的平行光束辐射或照度,EV0为大气层外水平照度值,m为大气光学质量;

T V分别为在整个太阳光谱和可见光部分的混浊度因素;i为太阳光束与被辐射面或被照度面的法线所夹的入射角。通常对水平面而言,cosi=sin γs,因此

当PVn被测量后,这些等式通常用来计算混浊度因素,也就是

当仅仅测试了总照度GV与总漫射照度DV,那么可以相当方便的利用等式计算出直射照度PV,进而可计算出TV。

研究表明,大多数情况下的DV/EV比值依靠太阳高度角γs和TV值,当TV＜8时,Dumortier推荐了一个晴天空经验公式[15]：

由公式可知,当TV值过高后,DV/EV比值就与太阳高度角无关了,在低TV时,随太阳高度角的变化,DV/EV值相应的变化,在高TV时,随太阳高度角的变化,DV/EV值与太阳高度角无关了。由于EV值通常仅跟太阳高度角和椭圆修正有关,因此大气混浊度TV对光气候的影响可以被漫射光照度DV值所体现。这也表示了天空状况随大气浑浊度的变化而由太阳由清晰可见到模糊不可见的变化过程,这也解释了在全阴天太阳不可见时整个天空亮度不受太阳高度角的影响,而在晴天及中间天空情况下却随太阳高度角的变化而发生较大变化。

1.2.2 日面状况对天空分类的影响 参数LV/DV已经作为光气候研究中最重要的参数之一,当天顶亮度和漫射光照度同时测定后,LV/DV值就能对应相应的天空亮度分布状况,利用LV/DV值来研究日面状况对天空分类的影响。通过分析重庆1991年7月（图1a）和1993年 1月（图1b）IDMP观测的LV/DV数据,发现7月出现的CIE天空类型较多,几乎分布了各种天空类型,并以晴天居多,而1993年1月以阴天空为主,且LV/DV值主要分布在0.25～0.5之间,以阴天及多云天空为主,大气浑浊度较大,这也与实际气候状况统计情况相一致。

为了验证日面状况对天空亮度分类的影响,认为大气浑浊度TV＜5时为晴天空,5＜TV＜20时为中间天空,TV＞20时为雾天及阴天空,当大气浑浊度不同时,LV/DV的取值范围不同[15]。通常认为在太阳高度角不超过30度时,LV/DV能较好的表示天空类型,当LV/DV在0.3以上时,通常对应阴天空,LV/DV小于0.16通常对应晴天空,中间的部分值对应中间天空。

在冬季低太阳高度角时,无阳光条件下LZ/DV值主要分布在0.25以上,相应的GV/EV值主要分布在0.25以下。而了解GV/EV与LZ/DV之间的关系对了解一个区域或时期内的各种天空类型的分布比例是有帮助的。图2为重庆1991年7月1分钟数据的GV/EV与LZ/DV图,从图中可以看出晴天空区域、阴天空区域和中间天空区域所占的比例。并可直观了解,1月重庆的气候状况以阴天空为主,仅有较少的多云天空,晴天空出现的几率极少,而在7月的重庆,阴天空也占有一定的比率,但这一时期是以中间天空为主,晴天空出现的比例依然较低。

图1 重庆1991年7月及1993年1月光气候数据在CIE在标准LZ/DV曲线中的分布图

图2 重庆1991年7月及1993年1月光气候数据GV/EV-LZ/DV分布图

从以上分析可以看出LZ/DV与GV/EV值有关,而GV/EV是反映了太阳透过大气的状况,也就间接反映了日面状况,GV/EV值越小,意味着日面状况被遮挡越严重,因此可以认为日面状况是划分天空类型的重要气象参量。

1.3 地平到天顶亮度渐变状况

假如不考虑太阳对天空亮度的影响,那么无云的天空具有亮的地平和暗的天顶,而全阴天空正好相反,天顶是亮的,地平是暗的。而参考天空认为从全晴天空到全阴天空可以认为是均匀分布在参考天空中的衰减物质逐渐增厚,一直到太阳完全不可见的全阴天。因此在实际天空中,除全阴天及全晴天外,可以推论在一个忽晴忽阴的天空中,应该具有一个亮度接近均匀的平均天空这也有一定的数学依据[1],因此对中间天空可以通过观察其地平相对天顶亮度的变化状况,并且可以根据观察情况按照变亮、变暗及不变进行区分,这不仅容易区分,而且有利于观察。

2 参考天空分类

而在前面通过对天空亮度分布影响较大的气候参量进行分析,知道太阳日面状况是影响相对亮度最大元在天空中位置的关键气象参量,而云量及地平到天顶亮度渐变状况是影响相对亮度在各方向递减的重要气象参量。而且这3类气象参量容易通过人眼观察辨别得到,这就为正确辨别天空亮度类型奠定了基础。

因此,除了一般需要人工照明的下雨、沙暴和雪暴等特殊天气现象外,参考天空可根据关键气候参量日面状况的变化来描述由全阴天到全晴天的变化情况,并结合天空状况（云量）及地平到天顶亮度渐变状况,将参考天空划分为6类,如表4。

3 结论

通过分析各种气象参量对天空亮度分布的影响,提出采用以日面状况为主要参量,结合云量、地平到天顶亮度渐变状况2个辅助参量的分类方法;根据参考天空从全晴天空到全阴天空可以认为是均匀分布在参考天空中的衰减物质逐渐增厚,一直到太阳完全不可见的全阴天的变化过程的假设,将参考天空划分为6类,分别代表太阳日面状况由☉2到☉到☉0到Π的变化过程。

表4 参考天空分类

该参考天空分类方法具有物理意义明确,天空类型划分明确,易于人眼观测识别,并具有较好连续性,覆盖了各种天空类型,为天空亮度分布研究及天然光的运用奠定了基础。

[1]何荥.用信息分析法研究天空亮度分布[D].重庆：重庆大学建筑城规学院,2008.

[2]NORIO LGAWA,YASUKO KOGA,TOMOKO MATSUZAWA,et a l.Models of sky radiance dirtribution and sky lum inance distribution[J].Solar Energy,2004,77：137-157.

[3]陈仲林.中间天空是由似阴天空和似晴天空组成[J].重庆建筑工程学院学报,1991,13（1）：22-30.

CHEN ZHONG-LIN.The intermediate sky is com posed of the preudo-clear sky and the preudo-overcast sky[J].Journa l of Chongqing Institute of A rchitecture and Engineering,1991,13（1）：22-30.

[4]Comm ission Internationale de l′Eclairage（CIE）.S011/E-2003 Spatial distribution of day light-CIE standard general sky[S].

[5]BARTZOKAS A,KAMBEZIDIS H D,DARULA S,et al.Comparison betw een winter and summer skylum inance distribution in Central Europe and in the Eastern Mediterranean[J].Journal of A tmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2005,67：709-718.

[6]DANNY H W LI,H L TANG,ERICW M LEE,et al.Classification of CIE standard skies using p robabilistic neural networks[J].International Journal of Climatology,2009,30（2）：305-315.

[7]EDWARD NG,VICKY CHENG,ANKUR GADI,et al.Defining standard skies for Hong Kong[J].Building and Environment,2007,42：866-876.

[8]DANNY H W LI,CHRIS C S LAU,JOSEPH C LAM.Overcast sky condition and lum inance distribution in Hong Kong[J].Build Environ,2004,39：101-108.

[9]SURAPONG CH IRARATTANANON, PIPAT CHA IWIWATWORAKUL.Distributions of sky lum inance and radiance of North Bangkok under standard distributions[J].Renew able Energy,2007,32：1328-1345.

[10]SK W ITTKOPF,LK SOON.Analysing sky lum inance scans and predic ting frequent sky patterns in singapore[J].Lighting Res.Technol,2007,39（1）：31-51.

[11]MARKOU M T,KAMBEZIDIS H D,BARTZOKAS A,et al.Sky type classification in Central England during winter[J].Energy,2005,30：1667-1674.

[12]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社,2003.

[13]康德拉捷夫.太阳辐射能[M].北京：科学出版社,1962.

[14]STANISLAV DARULA,RICHARD KITTLER,HARRY DIM ITRIOS KAMBEZID IS.Guidelines for more realistic day light exterior conditions in energy conscious designs[S].SK-GR 013/1998.

[15]KITTLER R,DARULA S.Prevailing sky conditions：Identifying sim p le parameters for definition[J].Light.Res.and Techno l.,1997,29（2）：63-68.

（编辑王秀玲）