不同光气候分区日光光谱特性实验研究 - 图文

不同光气候分区日光光谱特性实验研究?

杨春宇 梁树英 张青文 冯凯

（重庆大学 a.建筑城规学院 b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室）

（重庆 400045）

摘 要：为了找到不同光气候分区日光光谱对建筑色彩产生影响的关系，达到建筑色彩设计更科学化的目的，本课题分析了典型日光理论，分别对我国I~V类光气候分区代表性城市的日光光谱进行跟踪测试，并将实测日光与典型日光的相对光谱功率分布进行比较，研究结果表明一天中日光光谱功率分布曲线走向基本一致，总体呈先上升后下降的趋势，I~V类光气候分区的日光光谱功率分布曲线走向也基本一致，日光光谱辐射能量主要与日面状况和太阳高度角相关，不同相关色温的实测日光相对光谱分布与重组日光的相对光谱功率分布曲线有很好的符合，典型日光理论计算公式S????S0????M1S1????M2S2???较为准确。

关键词：光气候分区 日光光谱特性 典型日光理论

An experiment Study of daylight spectrum characters in different daylight

climate partitions

YANG Chun-yu, LIANG Shu-ying, ZHANG Qing-wen, Feng Kai

(Faculty of Architecture and Urban Planning of Chongqing University, Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China) Abstract: In order to find relationships between different daylight climate partitions and architectural colors, and to make architectural color design more scientific, this article analyses the typical daylight theory and does an tracking test of daylight spectrum characters in representative cities of I ～ V daylight climate partitions. Then this article compares the measured daylight relative spectral power distribution with the typical daylight relative spectral power distribution. The results of research indicate that the daylight spectrum curves are concordant during one day with the overall trend of decline after rising first. And the daylight

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51078364）

“研究生科技创新基金”自主研究项目（CDJXS12190008）

作者简介：杨春宇男，教授，博士，博士生导师，主要从事建筑技术科学研究，（E-mail）ycu11@163.com。

spectrum curves of I ～ V daylight climate partitions are concordant too. The power of daylight spectrum is mainly associated with solar surface condition and solar altitude. And there is a distinct correspond relation between the measured daylight relative spectral power distribution and the typical daylight relative spectral power distribution, so the calculation formula typical daylight theory S???characters；typical daylight theory

?S0????M1S1????M2S2??? is accurate.

Key words: different daylight climate partitions ; daylight spectrum

长期以来建筑色彩设计多是从历史、文脉、习俗、审美等方面进行的定性分析，忽视了科学的定量研究。建筑色彩是在自然空间中呈现出来的，必然会受到日光的影响。我国地域辽阔，各地光气候有很大区别，根据室外总照度年平均值，全国划分为I～V类光气候分区[1]。不同光气候分区的日光光谱特性如何，是否存在差异，会对建筑色彩产生怎样的影响？目前，还缺乏针对上述问题的深入研究。因此，对不同光气候分区的日光光谱特性进行研究是一项重要的基础理论研究。笔者根据我国光气候分区图和城市地理分布，在I～V类光气候分区选择了7个代表性城市，根据不同的太阳高度角将一天分为不同时段，对日光进行跟踪观测，分析不同光气候分区日光光谱特性，同时对比分析实测日光和典型日光的相对光谱功率分布，对典型日光理论进行验证。 1 典型日光理论

人们习惯在日光下观察颜色。但是，日光有很多时相，如日出后、日落前的日光，直射日光和阴天的日光等。不同时相的日光有不同的光谱功率分布，在它们的照射下，物体表面所呈现的颜色也不尽相同。为了便于色度学研究，国际照明委员会（CIE）推荐了四种标准照明体A、B、C、D来规范颜色测量。CIE标准照明体D也叫做典型日光或重组日光。其在CIE1931色度图上表示为一条位于黑体轨迹上方的典型日光色度轨迹。这条轨迹是根据CIE1931色度图上许多实测的日光色度点的分布定出的，包括了4000~40000K典型日光的色度点。

典型日光色度轨迹是由两类实验数据定出的：一类数据来自1963年Condit等人测量的622例不同地区和不同时相的太阳光和天空光光谱分布[3]；另一类数据是同年完成的两组视觉色度测量，即Nayatani和Wyszecki、Chambeilin等人分别对加拿大渥太华和英国南部的北天空日光的直接视觉观察[4-5]。这两类数据在色度图上的色度点都聚集在典型日光色度轨迹的周围，说明这两类数据具有很好的一致性。针对Condit等人测量的622例日光光谱分布，Judd、Macadam和Wyszecki

[2]

用统计学的特征矢量分析重新组合出一定相关色温的典型日光光谱功率分布。由这622例日光光谱分布曲线可以得到一条平均曲线S0，分析这些曲线偏离S0的变化，可以找到偏离S0的最突出特征矢量S1和第二个最突出特征矢量S2，以及第3特征矢量S3和第4特征矢量S4等。一般而言，用特征矢量S1、S2和相应的乘数M1、M2就能很好地符合不同色温的日光光谱分布[2]（图1）。

[6]

图 1 日光光谱分布的平均曲线S0及第1、第2特征矢量曲线

［2］

根据典型日光理论，不同色温日光的相对光谱功率分布公式为： S???式中：

S(λ)为某一相关色温典型日光波长λ的相对光谱功率。相关资料[2，3]给出了4000K～40000K范围内的典型日光平均曲线S0、特征矢量S1、S2和相应的乘数M1、M2的值。这些数据是根据622例原始材料整理出来的：S0波长560nm的数值归一为100，其他波长用S(λ)/ S560比值表示，特征矢量S1和S2在560nm处调整为零。利用这些数据，根据式（1）即可算出各种相关色温典型日光的相对光谱功率分布。

根据上述理论，不同时相的日光对应着不同相关色温的典型日光，也就对应着不同的相对光谱功率分布。定义典型日光的实验数据来源于实测日光，其相对光谱功率分布与实测日光很相似，和其他标准照明体相比，典型日光的色度点与实际日光更符合，因此CIE推荐研究时实测日光用典型日光D55（相关色温5503K）、D65（相关色温6504K）和D75（相关色温7504K）来代替，并尽可能使用典型日光D65。

2 日光光谱特性实验研究

?S0????M1S1????M2S2??? (1)

2.1实验原理

根据我国光气候分区图和城市地理分布，I类光气候分区选择了昆明市，II类光气候分区选择了西宁市，III类光气候分区选择了北京市、深圳市，IV类光气候分区选择了南京市、南昌市，V类光气候分区选择了重庆市。本文跟踪观测各城市一天中正对太阳直射光的标准白板直射面的各项参数，分析一天中日光光谱自身的变化规律，并将实测日光与典型日光的相对光谱功率分布曲线进行比较，对典型日光理论进行验证。 2.2实验步骤

昆明市的具体测试时间为2013年5月28日，正午太阳高度角为85.15°，日出和日落分别为6时29分和19时49分，日正中天为13时09分。西宁市的具体测试时间为2013年8月8日，正午太阳高度角为69.75°，日出和日落分别为6时23分和20时3分，日正中天为13时13分。北京市的具体测试时间为2013年7月5日，正午太阳高度角为72.93°，日出和日落分别为4时51分和19时37分，日正中天为12时14分。深圳市的具体测试时间为2013年5月24日，正午太阳高度角为87.85°，日出和日落分别为5时48分和19时0分，日正中天为12时24分。南京市的具体测试时间为2013年5月20日，正午太阳高度角为77.8°，日出和日落分别为5时13分和18时57分，日正中天为12时5分。南昌市的具体测试时间为2013年7月1日，正午太阳高度角为84.75°，日出和日落分别为5时25分和19时11分，日正中天为12时18分。重庆市的具体测试时间为2013年4月14日，正午太阳高度角为69.83°，日出和日落分别为6时33分和19时15分，日正中天为12时54分。

测试时，在室外条件下正对太阳直射光垂直放置标准白板，并按太阳高度角间隔10°将一天分为不同时段，同时增加5°、-5°和太阳高度角最大值三个时间点（文中定义上午太阳高度角为正，下午太阳高度角为负），按照CIE推荐标准照明/观测条件中垂直/45°布置测试仪器，并在不同时间点用PR650亮度色度计联机测量白板直射面色温和光谱功率分布等，测量数据由计算机TXT文件方式保存，同时记录云状、云量和日面状况等天气情况。文中所有数据均使用Origin 8.0软件进行绘图和分析。 2.3 实测日光光谱功率分布分析 2.3.1一天中日光光谱变化规律分析

经过测量，I～V类光气候分区昆明、西宁、北京、深圳、南京、南昌和重庆各城市一天中不同太阳高度角对应的日光光谱功率分布曲线、色温、云状、云量和日面状况详见图2～图8。

图 2 I类光气候分区（昆明市）日光光谱功率分布图

图 3 II类光气候分区（西宁市）日光光谱功率分布图

图 4 III类光气候分区（北京市）日光光谱功率分布图

图 7 IV类光气候分区（南昌市）日光光谱功率分布图

图 6 IV类光气候分区（南京市）日光光谱功率分布图

图 5 III类光气候分区（深圳市）日光光谱功率分布图

图 8 V类光气候分区（重庆市）日光光谱功率分布图

从图2～图8中各光气候分区一天中日光光谱分布图中可以看出：一天中日光光谱功率分布曲线的走向基本一致，总体呈先上升后下降的趋势，380nm～700nm之间曲线平稳，700nm之后曲线出现较大起伏，最大峰值出现在475nm附近；日面状况较为稳定的天气（如图3、图4、图6、图8），上午随着太阳高度角的加大，光谱功率分布曲线上移，并在太阳高度角最大时达到最高，下午随着太阳高度角的减小，光谱功率分布曲线下移；光谱辐射能量受日面状况的影响较大（如图2、图5、图7），当太阳高度角达到最大时，由于日面状况分别处于Л、⊙、⊙①，其光谱功率分布曲线低于其他太阳高度角。 2.3.2不同光气候分区日光光谱对比分析

根据以上的分析，日光光谱辐射能量受太阳高度和日面状况的影响较大，为了对比分析各光气候分区日光光谱功率分布情况，选择日面状况均为⊙2、太阳高度角为20°、50°和-60°的I～V类光气候分区各城市，进行对比分析（图9～图11）。

①

图 9 不同光气候分区日光光谱对比分析图（高度角20°） 日面状况的表示符号及其定义：Л，透过云层看不到太阳轮廓，地面无阴影；⊙，透过薄云依稀可见太阳轮廓，地面无阴影；⊙0，可见太阳轮廓，地面阴影较弱；⊙2，太阳轮廓清晰，地面阴影较强。

图 11 不同光气候分区日光光谱对比分析图（高度角-60°）

图 10 不同光气候分区日光光谱对比分析图（高度角50°）

从图9～11中I～V类光气候分区日光光谱功率分布对比图中可以看出：相同日面状况、太阳高度角条件下，I～V类光气候分区的日光光谱功率分布曲线走向一致，未发现明显区别，再次说明日光光谱功率分布与日面状况、太阳高度角密切相关。

2.4实测日光与典型日光相对光谱功率分布对比分析

根据典型日光理论和相关资料给出的4000K～40000K范围内典型日光的平均曲线S0、特征矢量S1、S2和相应的乘数M1、M2的详细研究数据，由式（1）可以得到不同色温日光的相对光谱功率。由于典型日光是由实测日光得到的，其与实测日光有很好的符合，根据调研的I～V类光气候分区城市的日光光谱功率分布，对比分析其与典型日光相对光谱功率分布曲线的异同，检验式（1）的准确性，验证

典型日光理论。为了和典型日光进行比较，将实测日光波长560nm的光谱功率数值归一为100，其他波长用S（λ）/ S560比值表示。

I类光气候分区选择了昆明市，II类光气候分区选择了西宁市，III类光气候分区选择了深圳市，IV类光气候分区选择了南京市，V类光气候分区选择了重庆市。每个城市均选择太阳高度角为20°（早晨）、最大值（中午）和-20°（傍晚）为例，根据测得的色温，由相关资料查到对应的M1和M2值，根据式（1）算出典型日光相对光谱功率，并与实测日光相对光谱功率分布进行比较（图12～图16）。

图 13 II类光气候分区（西宁市）实测日光与典型日光相对光谱功率对比图

图 12 I类光气候分区（昆明市）实测日光与典型日光相对光谱功率对比图

图 14 III类光气候分区（深圳市）实测日光与典型日光相对光谱功率对比图

图 15 IV类光气候分区（南京市）实测日光与典型日光相对光谱功率对比图

图 16 V类光气候分区（重庆市）实测日光与典型日光相对光谱功率对比图

从图12～图16中I～V类光气候分区实测日光与典型日光相对光谱功率分布对比图中可以看出：不同相关色温的实测日光相对光谱分布与重组日光的相对光谱功率分布曲线有很好的符合，不仅曲线走向一致，纵坐标的数值也比较接近。因此，式（1）不同色温日光的相对光谱功率分布计算公式较为准确，再次证明了典型日光理论的准确性。

从光源的显色性来分析，其显色性是由光源的光谱功率分布决定的，连续光谱的光源具有较好的显色性。日光是连续光谱，日光色温不仅能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。从色度实践的角度而言，研究日光的光谱功率分布意义不大，且有一定的难度。因此一般在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度测量和分析。 3 结论

通过观测和分析I～V类光气候分区代表性城市的日光光谱变化规律，一天中日光光谱功率分布曲线的走向基本一致，总体呈先上升后下降的趋势，380nm～700nm之间曲线平稳，700nm之后曲线出现较大起伏，最大峰值出现在475nm附近， I~V类光气候分区的日光光谱功率分布曲线走向基本一致，日光光谱辐射能量与日面状况和太阳高度角密切相关。同时，实验研究表明不同相关色温的实测日光相对光谱分布与重组日光的相对光谱功率分布曲线有很好的符合，不同色温日光的相对光谱功率分布计算公式S???测量和分析。

参 考 文 献

[1] 刘加平．建筑物理[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000． [2] 何国兴．颜色科学[M]．上海：东华大学出版社，2004．

[3] 喻柏林，荆其诚．光源的色温和CIE标准光源[J]．国外计量，1977（1）：41-49． [4] Nayatani Y，Wyszecki G．Color of daylight from north sky[J]．JOSA，1963，53（5）：626-629． [5] Chambeilin G J，Lawrence A，Belbin A A．Observations on the related colour temperature of

north daylight in Southern England[J]．Light and Lighting，1963，（3）：70．

[6] Judd D B，Macadam D L，Wyszecki G，et al．Spectral distribution of typical daylight as a

function of correlated color temperature[J]．JOSA，1964，54（8）：1031-1040．

?S0????M1S1????M2S2???较为准确，典型日光理论

准确可靠。因此，在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度

从图12～图16中I～V类光气候分区实测日光与典型日光相对光谱功率分布对比图中可以看出：不同相关色温的实测日光相对光谱分布与重组日光的相对光谱功率分布曲线有很好的符合，不仅曲线走向一致，纵坐标的数值也比较接近。因此，式（1）不同色温日光的相对光谱功率分布计算公式较为准确，再次证明了典型日光理论的准确性。

从光源的显色性来分析，其显色性是由光源的光谱功率分布决定的，连续光谱的光源具有较好的显色性。日光是连续光谱，日光色温不仅能代表其光谱功率分布，也能反映其显色性。从色度实践的角度而言，研究日光的光谱功率分布意义不大，且有一定的难度。因此一般在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度测量和分析。 3 结论

通过观测和分析I～V类光气候分区代表性城市的日光光谱变化规律，一天中日光光谱功率分布曲线的走向基本一致，总体呈先上升后下降的趋势，380nm～700nm之间曲线平稳，700nm之后曲线出现较大起伏，最大峰值出现在475nm附近， I~V类光气候分区的日光光谱功率分布曲线走向基本一致，日光光谱辐射能量与日面状况和太阳高度角密切相关。同时，实验研究表明不同相关色温的实测日光相对光谱分布与重组日光的相对光谱功率分布曲线有很好的符合，不同色温日光的相对光谱功率分布计算公式S???测量和分析。

参 考 文 献

[1] 刘加平．建筑物理[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000． [2] 何国兴．颜色科学[M]．上海：东华大学出版社，2004．

[3] 喻柏林，荆其诚．光源的色温和CIE标准光源[J]．国外计量，1977（1）：41-49． [4] Nayatani Y，Wyszecki G．Color of daylight from north sky[J]．JOSA，1963，53（5）：626-629． [5] Chambeilin G J，Lawrence A，Belbin A A．Observations on the related colour temperature of

north daylight in Southern England[J]．Light and Lighting，1963，（3）：70．

[6] Judd D B，Macadam D L，Wyszecki G，et al．Spectral distribution of typical daylight as a

function of correlated color temperature[J]．JOSA，1964，54（8）：1031-1040．

?S0????M1S1????M2S2???较为准确，典型日光理论

准确可靠。因此，在日光光源条件下，可用日光色温来衡量其显色性，进行色度

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