新疆地表太阳辐射的卫星反演资料在建筑采暖研究中的应用

【摘要】：新疆地区全年太阳能资源丰富,但记录辐射相关参数的气象站仅有11个,而卫星反演数据可弥补地面观测数据的不足,因此了解地表太阳辐射的卫星反演误差,并将卫星反演辐射值用于建筑能耗模拟,既可为建筑采暖研究,也可为太阳能的开发利用提供参考。因此,本文首先基于2003-2018年Aqua卫星MODIS C6.1数据集的气溶胶光学厚度(AOD)和CERES SSF Aqua MODIS Edition 4A数据集的云光学厚度(COD)数据,研究了新疆地区AOD和COD的时空分布特征,以喀什站为例,利用Accu RT辐射传输模式定量化研究了主要影响因子——气溶胶和云对太阳辐射的影响;然后,基于2017年新疆地区地面观测和卫星反演的辐射数据,分析了地表太阳辐射的时间分布特征、年均空间分布及采暖期和非采暖期空间分布特征,并探究了无云清洁天、无云非清洁天、少云清洁天、少云非清洁天、大部分云和阴天这六种天空状况下,全年及采暖期地面观测和卫星反演的辐射数据的最优拟合结果,并简要分析卫星反演的辐射数据的误差原因;新疆没有地面辐射观测数据的奇台县的建筑作为研究对象,利用CFD数值模拟了玻璃幕墙房间的温度场、速度场及外围护结构的传热量及传热系数、建筑采暖能耗等,对比了以邻近的乌鲁木齐地面辐射观测数据和卫星反演辐射数据分别作为数值模拟辐射输入数据的采暖情况。主要结论如下:(1)新疆地区AOD年变化呈双峰值分布,非采暖期的AOD均值高于采暖期;年均值分布在0.1400–0.1745范围内;AOD格点平均值分布在0.0180–1.6703范围内;对于采暖期,南疆地区的AOD高值区主要分布在塔里木盆地的周边区域,而北疆地区的高值区主要分布在准噶尔盆地;对于非采暖期,南疆地区的AOD高值区域为塔里木盆地。新疆地区采暖期的AOD格点均值介于0.05–0.10之间,分布频率在36°N达到最大值60%;非采暖期AOD格点均值总体小于0.45,分布频率在36°N达到最大值82%。(2)新疆地区COD年变化呈双峰值分布,非采暖期的COD均值略高于采暖期;新疆地区COD年均值分布在7.13–7.82范围内。新疆地区COD多年格点平均值分布在5.23–11.00范围内,北疆地区采暖期的COD格点均值分布特征与多年相似;非采暖期的COD格点均值明显高于多年平均及采暖期。北疆地区COD格点均值在小于2.5的范围出现频率最高;南疆地区的COD格点均值在2.5–5.0范围内时,频率达到最大值28%。(3)以喀什站点为例,利用Accu RT辐射传输模式分析AOD、COD对地表短波辐射的影响。当AOD由0.05增加为0.80时,采暖期+非采暖期、采暖期和非采暖期的总辐射分别由733.10 W·m~(-2)变化为417.78 W·m~(-2)、由734.73 W·m~(-2)变化为412.70 W·m~(-2)、由731.52W·m~(-2)变化为423.10 W·m~(-2);当水云的COD由5.00增加为13.00时,总辐射下降了166–170 W·m~(-2),当冰云的COD由4.00增加为16.00时,总辐射降低了229–235 W·m~(-2),散射辐射大小与总辐射基本一致;AOD和COD的减少变化导致的总辐射和散射辐射变化敏感度高于AOD和COD增加所导致的变化敏感度。(4)除若羌站点外,其它10个站点的地表太阳辐射年变化均呈单峰值分布;2017年非采暖期辐射均值最大值在哈密,达到了322.77W·m~(-2),采暖期辐射均值最大值出现在乌鲁木齐,达到70.69W·m~(-2);2017年新疆地区地表太阳辐射格点平均的年均值集中于211?373 W·m~(-2),采暖期和非采暖期格点均值分别分布在132?341 W·m~(-2)、242?444 W·m~(-2),南疆地区的地表太阳辐射格点均值整体高于北疆地区。(5)2017年全年和采暖期无云清洁天、全年少云非清洁天时,伊宁站和阿克苏站卫星反演精度最高。全年无云非清洁天时,焉耆站卫星反演效果最好,采暖期无云非清洁天和少云非清洁天阿勒泰站卫星反演效果最好。少云清洁天时,与无云清洁天相比,受部分云的影响,卫星反演的地表太阳辐射和地面观测结果匹配数据离散度明显高于无云清洁天,反演效果明显差于后者。大部分云天和阴天时,太阳辐射受云的影响显著,卫星反演存在不同程度的高低估现象,其中大部分云天时,11个站点RMSE均超过900,即使RB小的站点,R~2也基本小于0.75,阴天时11个站点RMSE基本超过800,仅在乌鲁木齐站采暖期时RMSE小于800,但该站点RB为71.17%。(6)以新疆奇台县某建筑为例,建立了玻璃幕墙房间,以上送上回的空调器采暖方式的数值模拟模型。以临近的乌鲁木齐地面观测辐射值作为CFD输入数据时,房间受太阳辐射加热的得热量较少,房间采暖负荷较大;人体工作面空气平均温度达到291 K(18℃);且人体工作面所在的1.1 m平面上,玻璃幕墙受到外部冷空气的影响较大。以奇台县的卫星反演的辐射值为CFD输入时,房间空气温度比以乌鲁木齐地面观测辐射值为模拟输入时有略微提高,工作面位置平均温度保持在292 K(19℃)的水平,两种不同输入时均可以达到采暖设计要求。以卫星反演辐射值作为输入时,建筑采暖能耗低于以乌鲁木齐地面观测作为输入时的采暖能耗,太阳辐射越大,采暖能耗越小。对于没有地面数据的奇台县,以临近城市数据作为模拟值时,建筑平均采暖能耗和平均热指标偏差达到33.96%。可见订正卫星反演的太阳辐射数据,能够为修正建筑采暖能耗,为卫星资料在建筑采暖的应用提供参考。