AG  >> Vol. 8 No. 4 (August 2018)

    建筑物对临河站日照时数观测的影响与订正
    The Effects of Buildings on the Sunshine Duration Measurement at Linhe Station and Its Correction

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作者:  

孔德胤,刘源鑫,刘伟:内蒙古巴彦淖尔市农业气象试验站,内蒙古 巴彦淖尔

关键词:
日照时数太阳高角棒影比率订正方程Sunshine-Hour Solar Elevation Stick-Shadow Rate Revising Equation

摘要:

为计算楼房对临河站日照的影响,特引用棒影比率计算公式,算出冬至日8:00和16:00,楼房与日照计的临界距离,即楼房与日照计高度差的11.38倍。临河站日照计距地面6 m,高度为18 m和15 m的楼房与其高度差分别为12 m和9 m,它们与日照计的临界距离为136.6 m和102.4 m。而在1985~2009年24年间,西北-正西向15 m高的楼房与日照计的最近距离为86.7 m;在1994~2009年15年间,西-西南方向18 m高的楼房与日照计的最近距离为96.0 m,在2000~2009年9年间,东-东南方向18米两栋楼房最近距离分别为84.8 m和119.6 m。因此三个方位的楼房均影响光线进入日照计。1959~1984年临河站冬半年平均日照时数为1438.1 h,1985~2009年为1330.7 h,减少107.4 h,减幅为7.5%。陕坝站对应年代日照时数分别为1420.6 h和1423.7 h,增加3.1 h,增幅0.2%。临河迁站后,2010~2017年,冬半年平均日照时数为1442.9 h,比建楼前增加4.8 h,增幅0.3%。陕坝站对应年代日照时数1448.5 h,增加27.9 h,增幅为1.9%。利用相临陕坝站的资料,建立临河站日照时数订正方程,方程均通过0.01的显著性检验,历史拟合较好。

To investigate the buildings’ effects on the sunshine duration measurement at Linhe station, we adopted stick-shadow formula, which is 11.38 times the height difference between a building and sunshine recorder, to calculate the required critical distance at 8:00 am and 4:00 pm on the day of winter solstice. At Linhe station, the solar recorder is sited at a height of 6 m; a height difference to 18 m high and 15 m high buildings is 12 m and 9 m respectively, so the calculated critical distance for these two buildings are 136.6 m and 102.4 m. Over the 24 years from 1985 to 2009, the closet distance between a 15 m high building situated in northwest-west and sunshine recorder is 86.7 m; Over the 15 years from 1994 to 2009, the closest distance of 18 m high building situated in west-southwest to the sunshine recorder is 96.0 m; from 2000 to 2009, closest distance between two buildings of 18 m in height located in east-southeast to recorder is 84.8 m and 119.6 m. Therefore, the buildings located in all three directions affect the measurement of sunshine duration collection. The mean total sunshine duration data collected by Linhe station over winter-half year from 1959 to 1984 was 1438.1 hours and dropped to 1330.7 hours from 1985 to 2009, which is decreased by 107.4 hours (7.5%). At Shanba station, for the same time periods, the sunshine duration increased from about 1420.6 hours to 1423.7 hours, increased by 3.1 hours (0.2%). After the relocation of Linhe station, the average sunshine duration over winter-half year from 2010 to 2017 was about 1442.9 hours, increased by 4.8 hours (0.3%) compared to the old station where buildings around were not constructed yet (1959-1984). At the same time, the average sunshine duration of Shanba station was about 1448.5 hours respectively, increased by 27.9 hours (1.9%). For providing more accurate meteorological information, an empirical model was developed by using data from Shanba station to correct the buildings’ effects on the measurement of sunshine duration at Linhe station. The developed empirical model has statistical significance of 0.01 and is in a good coincidence.

1. 引言

近年来有不少学者对日照时数的气候变化进行了研究,普遍得出日照时数呈下降趋势的结论 [1] [2] [3] [4] [5] 。在影响因素研究方面,贾金欢等 [6] [7] [8] 研究认为造成日照减少的气候原因主要是空气污染逐年加重,加之风速逐年减小,利于大气气溶胶在低空积聚,空气湿度增大,轻雾日数增多,造成大气透明度降低。非气候因素的影响主要是观测场周围障碍物高度角逐年增高,遮挡了部分阳光,使记录到的日照时数减少。靳利梅 [9] 认为冬季日照时数的减少与水汽压和降水量的增加有关。黄美霞等 [10] 认为日照时数趋于减少,其原因与观测场周围环境改变、低云量增多有关。杨志彪 [11] 以宜昌站为例,给出了测站障碍物对日照记录影响分析流程。日照作为太阳活动最重要的表现形式,既是气候变化的主要影响因素,也是气候资源的重要组成部分。日照情况一般采用日照时数来表示,它代表某地区一天日照时间的长短。笔者根据太阳高度角、太阳方位角及棒影比率计算公式,计算临河站冬至日08时和16时日照计与建筑物的临界距离,从理论上计算日照减少的主要原因,并建立订正方程。

通过对1959~2017年冬季日照时数的变化特征及其影响因素进行全面的分析,以期了解近59a临河日照时数的变化规律及其变化原因,为合理布局反季节农业生产、调整种植结构,城市规划设计及太阳能资源利用等方面提供科学依据。

2. 方法与资料来源

2.1. 研究区概括

研究区临河站位于内蒙古河套平原(塞外粮仓),属温带大陆性气候,年日照时数3131~3214 h,10℃以上活动积温3052℃~3339℃,无霜期138~154 d,农作物一年一熟,大部地区降水量136~211 mm,东多西少,在时间分配上雨热同季。

2.2. 测站太阳位置

确定测站的太阳位置,即太阳高度角和太阳方位角,根据建筑物相对日照计的位置,可以判断建筑物对日照测量是否产生影响。用下列符号表示各参量:ψ为测站地理纬度;δ太阳赤纬角,即太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角;ω为时角,即一天中地球自转在不同时刻的角,正午时角为0˚,上午时角为负值,下午时角为正值。地球自转一周360˚,对应的时间为24 h,即每小时相应的时角为15˚,每4 min的时角为1˚;h为太阳高度角,即太阳光线与地平面间的夹角 [12] ;A为太阳方位角。

2.3. 太阳高角和任意时刻太阳方位角

根据参考文献 [13] [14] 给出的辐射计算公式,太阳高度角h和任意时刻太阳方位角A可转化为下列公式求得。

h = sin 1 ( sin ψ sin δ + cos ψ cos δ cos ω ) (1)

A = cos 1 ( ( sin h sin ψ sin δ ) / ( cos h cos ψ ) ) (2)

通过参考文献 [13] 所给公式,计算得到时角ω值和赤纬δ值(两者单位均为角度(˚)),可以求得h和A值。

由于建筑物的方位通常以正北为0˚,顺时针方向的角度来表示,所以将太阳方位角转化为太阳所处的方位来表示,说明其与建筑物的位置关系,用Ar表示日出时刻太阳所处的方位,As表示日落时刻太阳所处的方位。由于日出、日落时刻太阳高度角为0˚,(2)式可简化为:

(3)

则有:

(4)

(5)

公式(4)、(5)求得的日出、日落时刻太阳所处的方位,单位为角度(˚)。

2.4. 棒影比率

(6)

式中K为棒影比率 [15] (即障碍物阴影长度L与障碍物高度H之比);h为太阳高度角。

2.5. 资料来源

临河、陕坝1959~2016年逐旬日照时数来源于巴彦淖尔市气象局。随着经济的发展和人口的增长,作为巴彦淖尔市首府的临河区城市建设日新月异(见图1,来源于谷歌高清地图,为便于标注去除其它影像)。1985年,在测站西西北方向,建起15 m高的气象局家属楼,家属楼两端分别距日照计86.7 m和108.3 m,方位角为277˚~301.8˚;在1994年,临河站西西南方向和东东北方向分别建起18 m高居民楼,西西南方向楼,居民楼两端分别距日照计96.0 m和126.2 m,方位角为187.2˚~239.3˚东东北方向楼,居民楼两端分别距日照计最近端58.4 m和77.0 m,方位角为31˚~61.8˚;2000年,东东南方向建起18 m高的两栋楼房,居民楼两端分别距日照计122.5 m和131.8 m,方位角为75˚~117.8˚;周边环境明显改变,对气象要素的影响也表露出来,特别是对冬半年日照的影响更加明显。由表1日落方位角与图1比较,仅有东东北方向的楼房不影响日照。这一点可在旬月报中得到证实,在巴彦淖尔市的9个测站中,冬半年临河的日照时数最少的几率占95%以上。2010年1月1日,临河站迁站到城郊,日照计不受阻挡,日照资料恢复正常。

Figure 1. The location of sunshine recorder and buildings around Linhe station

图1. 临河站周边建筑物与日照计方位示意图

Table 1. The main azimuth of solar term and local time at Linhe station in winter

表1. 临河站冬季主要节气方位角与地方时

3. 结果分析

3.1. 居民楼对光线的阻挡

每年的秋分开始天文学上作为进入冬半年的起始,到春分为冬半年结束。根据公式(4)、(5)求得的每天日出、日落时刻太阳所处的方位角。临河站春秋分太阳赤纬δ = 0˚,冬至δ = 23.38˚,临河站秋分、立冬、冬至、立春和春分日出时刻太阳所处的方位角分别为89.1˚、113.3˚、119.6˚、110.9˚和90.7˚。日落时刻太阳所处的方位角分别为270.9˚、246.7˚、240.4˚、249.1˚和269.3˚。冬季随太阳高度角的降低,太阳斜射时间增多,直射时间减少,日照计周围的楼房影响光线的全部射入,日照时数由此而减少。为探索居民楼对日照时数的影响程度,尝试用⑹数学公式计算太阳斜照时,两侧楼房对日光的遮蔽。

由(1)、(6)式可以算出临河站(ψ = 40.75˚N, λ = 107.42˚E)各季h、K值。以白昼最短的冬至日为例,日出日落前后(08时和16时),K值为11.38,即日照计距楼房的距离应是楼房与日照计高度差的11.38倍。临河日照计距地面6 m,18 m和15 m的楼房与其高度差分别为12 m和9 m,它们与日照计的临界距离136.6 m和102.4 m。而在1985~2009年24年间,西西北-正西向15 m高的楼房与日照计的最近距离为86.7 m;在1994~2009年15年间,西西南方向18 m楼房与日照计的最近距离分别为96.0 m;2000~2009年,东东南方向18 m高的两栋楼房,居民楼两端分别距日照计122.5 m和131.8 m,方位角为75˚~117.8˚因此三个方位的楼房均影响光线进入日照计。日出1 h后以及日落1 h前(09时和15时),K值为4.2,18 m和15 m的楼房它们与日照计的临界距离降为50.4 m和37.8 m,因此,日出1 h后以及日落1 h前则不受影响。根据地面气象观测规范要求,观测场四周必须空旷平坦,四周障碍物的影子不应投射到日照仪器的受光面上,然而两座居民楼对临河站观测场形成的遮挡,可以说是日照时数减少的原因之一。

另外,烟尘的影响也不可忽视。城市由于汽车、工厂较多,排放的各种污染物数量也多,致使空气中烟雾增加,特别是冬半年采暖期内,城区上空排放的烟尘、汽车尾气数量较多,形成雾霾的机会就多,大气颗粒浓度增加影响了大气透明度,削弱了太阳辐射,造成日照时数减少。

3.2. 临河站冬半年各月日照时数变化分析

为分析临河站日照变化情况,选则与临河直线距离相距25 km的陕坝站进行对比分析。由图2可以看出,1959~1984年,冬半年日照时数两站数据相互交错,不同年份各有高低,1985~2009年,临河站冬半年日照时数均比陕坝站偏低。到2010年以后,临河站迁站后,两站冬半年日照时数两站数据相互交错。

表2中可以看出,临河站西西北-正西方位建楼以前(1959~1984年)冬半年(10月~3月)平均日照时数为1438.1 h,建楼后(1985~2009年)为1330.7 h,减少107.4 h,减幅为7.5%。陕坝站对应年代日照时数分别为1420.6 h和1423.7 h,增加3.1 h,增幅0.2%。临河迁站后,2010~2017年,冬半年平均日照时数为1442.9h,比建楼前增加4.8 h,增幅0.3%。陕坝站对应年代日照时数1448.5 h,增加27.9 h,增幅为1.9%。

3.3. 订正方程的建立

为便于在实际工作中运用,们选1959~1983年,2010~2016年两站冬半年各月日照时数进行一元线性回归分析,以Yi (i表示月的序号)代表临河站各月日照时数,以Xi代表陕坝站各月日照时数,建立各月回归方程(见表3)。

3.4. 拟合情况

利用所建订正方程,计算出临河站1984~2009各月日照时数订正值,最后计算出冬半年日照时数,将临河站订正好的数据与陕坝站进行对比,绘成图3,与图2比较可以看出,该图有效消除了楼房对日照的影响,且拟合效果较好,可用订正好的数据开展气候论证和太阳能计算等工作。

4. 结论

1) 临河站春分、冬至日出时刻太阳所处的方位角分别为90.7˚,119.6˚。春分、冬至日落时刻太阳所处的方位角分别为269.3˚,240.4˚。冬季随太阳高度角的降低,太阳斜射时间增多,直射时间减少,日照计周围的楼房影响光线的全部射入,日照时数由此而减少。

2) 根据计算,冬至日出日落前后,楼房与日照计的临界距离,为楼房与日照计高度差的11.38倍,

Figure 2. Yearly variation of winter half year sunshine duration over Linhe and Shanba Station from 1959 to 2017

图2. 1959~2017年临河与陕坝站冬半年日照时数逐年变化

Table 2. Comparison of Linhe and Shanba Station monthly sunshine hours in winter half year

表2. 临河站冬半年各月日照时数与陕坝站比较

Table 3. Correction equations of Linhe Station monthly sunshine duration in winter half year

表3. 临河站冬半年各月日照时数订正方程

注:**分别表示相关系数通过0.01水平的显著性检验。

Figure 3. Yearly variation of winter half year sunshine duration over Linhe(sunshine hours is fitted values in 1984-2009) and Shanba Station from 1959 to 2017

图3. 1959~2017年临河(1984~2009为拟合值)与陕坝站冬半年日照时数逐年变化

冬至日楼房与日照计的临界距离,即楼房与日照计高度差的11.38倍。临河日照计距地面6 m,18 m和15 m的楼房与其高度差分别为12 m和9 m,它们与日照计的临界距离为136.6 m和102.4 m。

3) 分析得出,临河站冬半年平均日照时数在1985年以前为1438.1 h,建楼后(1985~2009年)为1330.7 h,减少107.4 h,减幅为7.5%。陕坝站对应年代日照时数分别为1420.6 h和1423.7 h,增加3.1 h,增幅0.2%。

3) 利用相临河站和陕坝站的资料,建立临河站冬半年各月日照时数订正方程,方程均通过0.01的显著性检验。应用月订正方程,可有效订正因楼房阻挡光线造成的误差,且拟合效果较好,用此资料可为分析冬季太阳能资源提供更可靠的数据。

为分析临河站日照变化情况,选择与临河直线距离相距25 km的陕坝站进行对比分析。由图2可以看出,1959~1984年,冬半年日照时数两站数据相互交错,不同年份各有高低,1985~2009年,临河站冬半年日照时数均比陕坝站偏低。到2010年以后,临河站迁站后,两站冬半年日照时数两站数据相互交错。

表2中可以看出,临河站西西北-正西方位建楼以前(1959~1984年)冬半年(10月~3月)平均日照时数为1438.1 h,建楼后(1985~2009年)为1330.7 h,减少107.4 h,减幅为7.5%。陕坝站对应年代日照时数分别为1420.6 h和1423.7 h,增加3.1 h,增幅0.2%。临河迁站后,2010~2017年,冬半年平均日照时数为1442.9 h,比建楼前增加4.8 h,增幅0.3%。陕坝站对应年代日照时数1448.5 h,增加27.9 h,增幅为1.9%。

文章引用:
孔德胤, 刘源鑫, 刘伟. 建筑物对临河站日照时数观测的影响与订正[J]. 地球科学前沿, 2018, 8(4): 852-859. https://doi.org/10.12677/AG.2018.84093

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