連続的標準天空の構成に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

連続的標準天空の構成に関する研究

松澤, 朋子

https://doi.org/10.11501/3117324

出版情報：Kyushu University, 1996, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

第3章 天空状態に関する指標

3.1 はじめに

本研究で提案する天空輝度分布の構成には、 天空状態を表す指標として、 昼 光に関するクラウド ・レイショを用いる。 天空状態に関する指標として、 昼光 に関するクラウド・レイショのほか、 大気透過率、 大気の混濁因子、 日照時間、

雲に関する資料なども考えられる。 本章では、 これらについても概説する。

3.2 クラウド ・ レイショ

クラウド・レイシヨ(cloud ratio)は、 水平面グローバル放射照度に対する水平 面拡散放射照度の比 として定義されている。 元来、 放射照 度の研究の為に工夫 された指標であるが、 近年、 昼光に関 する同等の比、 すな わち、 グローバル 照 度に対する全天空照度の比を昼光の研 究に用いるようになった。 本研究では 、 水平面グローバル放 射照度に対する水平面拡散放射照度の比を、 放射に関す る

クラウド・レイシヨ(Ce)と称し、 グローバル照度に対する全天空照度の比を、 昼 光に関するクラウド・レイシヨ(Cv)と称することにする。

すなわち、 放射に関するクラウド・レイショは、 次のようである。

Ce e=⁼ 一一Eed = ^{T' 1 T'} (-)

Eeg Eed ⁺ Ees 'siny ^s

Ce:放射に関するクラウド・レイシヨ (- )、

Eed:地表面での水平面拡散放射照度(W 1m2)、

Eeg:地表面での水平面グローバル放射照度(W1m2)、

Ees :地表面での法線直達放射照度(W1m2)、

r ^s .太陽高度(rad. or deg.)。

昼光に関するクラウド・レイショは、 次のようである。

91

--- 2 ^. 3 . 1

Evd Evd

Cv ^{=一一=，-， . -= -} (-)

Evg Evd + Evs ^. siny ^s

Cv :昼光に関するクラウド・レイシヨ(-)、

Evd:地表面での全天空照度(klx)、

Evg. 地表面でのグローバル照度(klx)、

Evs:地表面での法線直射照度(klx)、

y ^s .太陽高度(rad. or deg.)。

--2 ^. 3 ^. 2

直達、 あるいは、 直射成分が無いとき、 すなわち、 拡散 成分とグローパル 成 分が等しい理想的な曇天空のときは、 放射、 および、 昼光に関するクラウド ・

レイショは、 理論的にIである。

放射、 および、 昼光に関するクラウ ド・レイショを天空状態を表す指標と す る既往の研究には、 以下のようなものがある。

Treado， S.らは、 ワシントンD.C.での測定により、 放射照度からグローバル照 度への変換係数を求めるときに、 昼光に関するクラウド・レイショを誘導し、

それを用いて係数を表した。 また、 昼 光に関するクラウド・レイショが天空の 曇りの度合いをよく表すことを示したi。

Gillette， G.らは、 昼光照明計算のプログラムを作成するに当たり、晴天空と曇 天空の聞の中間天空状態の輝度分布を、 昼光に関するクラウド・レイショを重 み係数とした晴天空と曇天空の輝度分布の簡単な組み合わせにより求めた20

Perraudeau， M.らは、 ナントでの1年間の昼光の測定により、天空状態を昼光 に関するクラウド・レイショを用いて 晴天空、 曇天空と、 中間晴天空、 中間 天 空、 中間曇天空の5つのタイプに分類し、 それぞれの天空の輝度モデルを求め た3，4.50

Perez， R.らは、ニューヨークでの天空放射の測定により、天空の明るさと放射 に関するクラウド・ レイショを天候条件として曇天空から 晴天空までの天空状 態を表し、 それらの天候条件に対応する傾斜面における非等方性拡散放射モデ

ルを求めた6.780

Kittler， R.は、 太陽放射と昼光の共通の環境である天空状態を、 太陽放射定数

92

の水平面成分に対するグローバル放射照度の水平面成分、 あるいは、 太陽照 度 定数の水平面成分に対するグローバル照度の水平面成分の比で表す大気のクリ アネス ・インデックス(atmospheric clearness index)と、 放射と昼光に関するクラ ウド・レイショを用いることを提案した9.1 0 0

3.3

大気透過率

大気透過率は、 大気の清澄の程度に関する指標であり、 レーリー(Rayleigh)の 散乱理論に基づいて定義されている。 すなわち、 太陽が天頂にあるとしたとき の、 直達日射、 および、 直射日光の地表面における大気の透過率である。 本研 究では、 直達日射の地表面における大気の透過率を、 放射 に関する大気透過率 (Pe)と称し、直射日光の地表面における大気の透過率を、 昼光に関する大気透過

率(PV)と称することにする。

すなわち、 放射に関する大気透過率は、 地表面における 法線直達放射照度、

太陽放射定数を地球と太陽の比距離の2乗で除した大気圏外における法線直達 放射照度、 大気路程などで次のように表される1 1 ⁰

Pe =

�Ees/Eeo (-)

Pe :放射に関する大気透過率(-)、

Ees:地表面での法線直達放射照度(W1m2)、

Eeo:大気圏外における法線直達放射照度(W1m2)、

m:大気路程(-)。

--2 . 3 . 3

昼光に関する大気透過率は、 地表面における法線直射照度、 太陽照度定数を 地球と太陽の比距離の2乗で除した大気圏外における法線直射照度、 大気路 程 などで次のように表される。

PV =

�Evs/Evo (-)

PV :昼光に関する大気透過率(- )、

Evs:地表面での法線直射照度(klx)、

Evo:大気圏外における法線直射照度(klx)、

m:大気路程(-)。

93

一一-2.3.4

大気路程は、 直射日光が大気圏外か ら地表に到達するまで、の経路に沿って の 空気量で、 太陽が天頂にあるときを単位として表す。 その 数値に関しては、 古 くから多くの提案があるが、Bemporadの提案値1 2が最もよく用いら れてきてい る。 また、 これに対する近似式も多く提案されている。 さらに、 最近の理科年 表1 3には、 Bemporadの提案値と僅かに異なる数値も記載されている。 これらに 関しては、(APPENDIX 8)に紹介する。

本研究では、 次の近似式を用いる90

2.

(.J

J

m = ‘ ^!.. (^-)

0.0031465

一一2.3.5

m:大気路程(-⁾、

y s .太陽高度(rad. or deg.)。

3.4

大気の混濁因子

大気の混濁因子は、 リンケ(Linke， F.)によって提唱された。 その後、 若干の改 良がなされている12ょうであるが、 一般にリンケの混濁因子という。

リンケの混濁因子は、 混濁した大気による直達日射の消散係数と乾燥清澄大 気による直達日射の消散係数により、 次の式で表される。

TL = 土 (_-)

aR

-- 2 . 3 . 6

TL:リンケの混濁因子(-)、

a :混濁した大気による直達日射の消散係数(-)、

aR .乾燥清澄大気による直達日射の消散係数十)。

リンケの混濁因子と放射に関する大気透過率との関係は次のようである。

Pe = ^e-aR.TL (^-) ^{。，，u つυ 門i}

Pe :放射に関する大気透過率(- )、

TL :リンケの混濁因子(-)、

94

aR .乾燥清澄大気による直達日射の消散係数(-)。

乾燥清澄大気による直達日射の消散係数として次の式1 4を用いた場合の、 放 射に関する大気透過率(Pe)とリンケの混濁因子(TL)の関係をFig.2.3.1に示す。

aR = l (・)

9.4+ O.9.m

--2.3.8

aR .乾燥清澄大気による直達日射の消散係数(-)、 m:大気路程(ー)。

昼光に関するリンケの混濁因子 、 すなわち、 照度混濁因子(TvL) 1 5，1 6も、放射 に関するリンケの混濁因子(TL)と同様に、 次の式で表される。

TvL=2L(-)

a ^'R

一-2.3.9

TyL:照度混濁因子(ー)、

ay :混濁した大気による直射日光の消散係数(-)、

ay R .乾燥清澄大気による直射日光の消散係数(-)⁰ 昼光に関する大気透過率 との関係は次の式で表される。

pv = ^{e-avR 'TvL} (_{_}) ^{つん n，J 可'4 ハU}

PV :昼光に関する大気透過率 (-)、

av R .乾燥清澄大気による直射日光の消散係数(-)、

TyL:照度混濁因子(-)。

Navv ab， M.らは、乾燥清澄大気による直射日光の消散係数(avR)として次の式を 提案している。これによる昼光に関する大気透過率(PV)と照度混濁因子(TyL)の関 係をFig.2.3 .2に示す。

avR= (-)

9.9 + 0.043' m

可Eよ噌Ein〈υつム

av R .乾燥清澄大気による直射日光の消散係数(-)、

95

m:大気路程(-)。

3.5

日照時間

日の出から日没までの時間を可照時 間という。 気象学上 の可照時間は、 1 日 のあいだで太陽の中心の高度が- ₅ 0'以上となる昼間の時間数を言う。 可照時 間のうちで、 実際に直射日光が地表を 照射した時間を日照 時間という。 日照 時 間の可照時間に対す る百分率を相対日照率という。 日照時間は、 重要な気象 要 素の一つである。 気象観測では、 1時間ごとに、 その時間内に直射日光が照射 した時間を記録している。 この変動は 、 天空状態の変動を示すーっの指標で あ るo WMO (世界気象機関)は、 直射日光の有無の限界を 、 法線直達放射照度 で1 2 0 W/m2としている。

3.6

雲に関する資料

気象観測所では、 雲に関して、 その種類、 高度、 雲量などを詳細に 気象観測 し、 記録している。 これらは、 天空状態を表す重要な気象要素で、ある。 しかし、

現段階では、 これらを天空状態を表す指標として有用に活用する手法が見あた らない。

3.7 小結

以上、 天空状態に関与すると考え、 指標となる可能性のあるものについて概 説した。 これらのう ち、 大気透過率と大気の混濁因子は、 雲が無く空気が清澄 な晴天空に関してのみ定義されている。 したがって、 中間 天空の一部や曇天 空 などには適用できない。 日照時間は、 たとえば年間を通しての平均的な天空 状 態を表す指標として有用であるが、 その時々の天空状態を表す指標として用い ることはできない。 雲に関する資料を 天空状態を表す指標 として用いる方法は 現在のところ見あたらない。

上述のように、 放射、 および、 昼光に関するクラウド・ レイショは、 天空 状 態を表す指標として、 既にかなり用いられている。 天空状態を比較的簡便に 表 すと考えられているのであろう。

したがって、 本研究で提案する天空輝度分布の構成には、 天空状態に関す る

96

指標として、 昼光に関するクラウド ・ レイショを用いることにする。

1 Treado， S.、Gillette， G.、Measurements of sky luminance， sky illuminance， and horizontal solar radiation、

]ournal of IES、 pp.130・135、 19830

2 Gillette， G.、 Kusuda， T.、 A daylighting computation procedure for use in DOE-2 and other dynamic building energy analysis programs、]ournal of IES、 pp.78-85、 19830

3 Perraudeau， M.、 Chauvel，P 、 One year's measurements of luminous climate in Nantes、Proc. 1986 lnternational Daylighting Conference、 Long Beach.、 pp.83-88、 19860

4 Perraudeau， M.、 Daylight availability from energetic data、Proc.lnternational Daylighting Conference Moscow、 A17、 19900

5 Perraudeau， M.、 Daylight illuminance data for the European Economic Community、 Proc. 2 2nd CIE session、 Vo1.1、 Part 1、 pp.104-105、 19910

6 Perez， R.、Stewart， R.、Arbogast， C.、Seals，R.、An anisotropic hourly diffuse radiation model for sloping surfaces: description， performance validation， site dependency evaluation、 Solar Energy、 Vo1.36、 NO.6、

pp.481・497、 19860

7 Perez， R.、 Seals， R 、 lneichen， P.、 Stewart， R.、 Menicucci， D.、 A new simplified version of the Perez diffuse irradiance model for tilted surfaces、 Solar Energy、 Vo1.39、 NO.3、pp.221-231、 19870

8 Perez， R.、lneichen，P.、 Seals， R.、Modeling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance、 Solar Energy、 Vo1.44、 NO.5、 pp.271-289、 19900

9 Kittler， R.、 A new concept for standardizing the daylight climate state、 Proc.6th Lux Europa、 Vo1.1、

pp.303-312、 19890

1 0 Kittler， R.、 Ruck， N.C.、 A model correlating solar radiation and daylighting availability data for

computer based design、 Proc. 22nd CIE session、 Vo1.1、 Part1、 pp.27-30、 19910 11小島武男、 中村洋共編、 現代建築環境計画、 オーム社。

1 2藤原咲平、 北岡龍海、 岩波講座 物理学四A気象光学、 岩波書店、 P.60

1 3理科年表、 国立天文台編、 丸善、 p.172、 19950

1 4 Kasten， F.、 A simple parameterization of the pyrheliometric formula for determining the Linke turbidity factor、 Meteorol. Rdsch.、 33、 pp.124-127、 19800

1 5 Navvab， M.、 Karayel，M.、 Ne'eman， E.、Selkowitz， S.、 Analysis of atmospheric turbidity for daylight calculations、 Energy and Buildings、 Vo1.6、 pp.293-303、 19840

1 6 Spatial distribution of daylight - Luminance distributions of various reference skies、Pub. CIE NO.110、

19940

97

TL=l

トー」一ι一一ι二一

:

トーJ一一一人一

一一一

�斗ιζ三三

�

4

pc=三ヰ三二; ;

1.0

0.8 0.9 (・一ω仏)ωυロ52自のロご判

0.7

0.6

どいω同{巳ωo日ω〈

0.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Solar al ti tude (γ s : deg.)

放射に関する大気透過率とリンケの混濁因子の関係

Pe :放射に関する大気透過率(ー) TL:リンケの混濁因子(ー) Fi疋.2.3.1

」 ....---，

ド...__.

ト~ι三 :

2 nv

Gd 1よ ハU (・一〉仏)ωυロszasむ

どいω【{巳ωo日判吋ωロO口一日ロJ ^TvL=l

0.8

0.5 0 0.7

0.6

80 90 70

60 50

40。

30 20

10

Solar altitude (y s : deg.)

昼光に関する大気透過率と照度混濁因子の関係

PV :昼光に関する大気透過率(-) Tム:照度混濁因子(-)

98 Fi疋.2.3.2

第4章 クラウド ・ レイショ

4.1 はじめに

本研究で提案する天空輝度分布の構成に用いるクラウド・レイショについて、

国際昼光測定プログラム(IDMP: International Daylight Measurement Programme) で取得した実測データに基づくクラウド・レイショの実態の検討、 また、 理論 的な検討を試みる。

4.2 国際昼光測定プログラムとクラウド ・ レイショに関する 実測データ

1 973年の第1次、 1979年の 第2次エネルギーショック以来、 化石資 源に代替する自然資源の開発が時代の必須の課題となった。 建築の分野でも自 然資源である太陽エネルギーの活用が強く叫ばれるようになった。

しかし、 建築で利用する太陽エネルギーである日射や昼光の実態を示す基礎 的な資料 は極めて乏しいのが実情であった。 満足な実測さえ試みられていな か った。

C _{1 E} (Commission Internationale de l'主clairage :国際照明委員会)は、 このよ うな事態を憂慮して、 世界的な規模での昼光と日射の測定とその資料の収集、

整備、 さらに、 国際交換を目的として、技術委員会TC 3 0 7 Preparation of a Programme of Work for International Collaboration in Daylight Availability Measurements (略称、 昼光資料の収集)を1 983年に、 続いて、 199 1 年

に、TC 3 2 5 Coordination and Development of the International Daylight Measurement Programme (IDMP) and its Data (昼光測定プログラム(IDMP) 及びそのデータの調整と展開)を組織した。

この目的のために、TC325は、 1 D M P (International Daylight Measure­

ment Programme :

国際昼光測定プログラム)を企画したi。 これに呼応して、

世界各地に5 0ヶ所近くのIDMP測定所が建設された。 日本では、 九州大学 を初めとし、 13ヶ所のI DMP測定所が設置された2。 現在、 IDMPは 、

99

TC325を中心にして活動している。

本章の検討では、九州大学のIDMP測定所(福岡、33・31'10"N， 130・28'45"E) において、 1991 年2月より1992年1月の1年間に取得した実測デー タ を用いる。

昼光に関するクラウド・レイショは、 グローパル照度と全天空照度から求め ること ができる。 放射に関するク ラウド・レイショを求める には 、 水平面 グ ローバル放射照度と水平面拡散放射照度の実測データが必要で、ある。 IDMP 測定所では、 昼光と日射に関する大部分のデータを1分お きに取得することに なっている。 これらのデータは総てl分おきに、 九州大学のIDMP測定所で 取得されている。

IDMP測定所で取得したデータは、 その信頼性を確認するために品質管理 を行うことになっている。本研究で用いるデータは、 TC307が編集した「昼 光の測定方法の推奨ガイドJ 3に示されている実測データの品質管理に関するテ ストの方法を採用した。

この品質管理 は、 太陽高度 が4・以上で、 水平面グ ローバル放射照度が2 0 W/m2を越えるときの実測データに関し、その1 0分 間の平均値に対して行うも のである。 この品質管理の詳細と、 テストによる結果は(APPENDIX 9)に示す。

また、 九州大学のIDMP測定所では、 毎日l回、 測定機器の保守、 および、

調整を行なっている。 同時に、 観測日誌に天候状態などを記録している。 本研 究では、 実測データの品質管理テスト の結果と、 観測日誌の記録を照合し、 不 良と判断する実測データを含む日は、 その日の総ての取得データを除外した。

以上の結果、 1 9 9 1 年2月から19 9 2年1月の 取得デ ータのうち、

2 5 9日 分、 170，0 94の データを 用いることになった。 月別の詳細を

Table 2.4.1に示す。

実測データによるクラウド・レイショは、 3つの天空状態、 すなわち、 晴天 空、 中間天空、 曇天空に分類して整理 した。 この天空状態は、 便宜的に、 デー

タ取得日の終日の相対日照率で以下のように決めた。

晴天空のクラウド ・レイショ: 終日日照率90%以上の日の取得デー タ

ハUハU唱E'a

によるもの

中間天空のクラウド・レイショ:終日日照率90%未満、 0%以外の日の 取得データによるもの

曇天空のクラウド・レイショ: 終日日照率0%の日の取得データによ る もの

この結果を月別にTable 2 .4.1に示す。なお、 199 1年2月から1992 年1月のデータ取得日の終日日照率を(APPENDIX 9)に付記する。

以上の手続きの上 、 昼光に関するクラウド・レイショをグローパル照度と全 天空照度、 放射に関するクラウド・レイショを水平面グローパル放射照度と 水 平面拡散放射照度よりそれぞれ求めた。

4.3 クラウド・ レイショの日変動

天空状態ごとに、 昼光と日射に関するクラウド・レイショを検討する。

Fig.2 .4.1に、 晴天空の昼光に関するクラウド・レイショと放射に関する ク ラウド・レイショの、 1分ごとに取得したデータによる日 変動、 および、 1 0 分ごとの平均値による日変動の例を示す。 APPENDIX 1 0 ( 1 )と(2 )に、 同日の 昼光に関するクラウド・ レイショと放射に関するクラウド ・レイショの30分 ごとの 平 均値、 標準偏差、 最大値、 およ び、 最小値を、 それぞれ示 す 。 APPENDIX 1 1 _{( 1} )と(2 )に、 同日の昼光に関するクラウド・レイショと放射に 関するクラウド・レイショの太陽高度6・ごとの平均値、 標準偏差、 最大値、 お よび、 最小値を、 それぞれ示す。

晴天空の昼光と放射に関するクラウド・レイショは、 共に太陽の位置に依存 するようである。 その値は、 太陽高度が高いときにほぼ一定の値、 0. 2から

0.3となる。太陽高度が低くなるほど1に近くなる。

Fig.2 .4 . 2に、 曇天空の昼光に関するクラウド・レイショと放射に関するク ラウド・レイショの、 1分ごとに取得したデータによる日 変動、 および、 1 0 分ごとの平均値による日変動の例を示す。 APPENDIX 1 2 ( 1 )と(2 )に、 同日の 昼光に関するクラウド・レイショと放射に関するクラウド ・レイショの30分 ごとの平 均 値、 標準偏差、 最大値、 およ び、 最小値を、 それぞれ示 す 。

'EEA nu -'aA

APPENDIX 1 3 ( 1 )と(2 )に、 同日の昼光に関するクラウド・レイショと放射に 関するクラウド・レイショの太陽高度6・ごとの平均値、 標準偏差、 最大値、 お

よび、 最小値を、 それぞれ示す。

曇天空のクラウド ・ レイショの値は 、 終日、 ほぼ一定で ある。 これは理論値 と一致する。なお、 曇天空に関するク ラウド・レイショで1を僅かに越える と きがある。これは若干の測定上の誤差などによると考える。

Fig.2 _.4 .3に、 中間天空の昼光に関するクラウド・レイショと放射に関す る クラウド・ レイショの、 1分ごと に取 得したデータによ る日変動、 お よび、

1 0分ごとの 平均値 による 日変動の例を示すo _APPENDIX 1 ₄ ( 1 )と(2 )に 、 同日の昼光に関するクラウド・レイショと放射に関するク ラウド・ レイショ の

3 0分ごとの平均値、 標準偏差、 最大値、 および、 最小値を、 それぞれ示す。

APPENDIX 1 ₅ ( 1 )と(2 )に、 同日の昼光に関するクラウド・レイショと放射に 関するクラウド・ レイショの太陽高度6・ ごとの平均値、 標準偏差、 最大値、 お

よび、 最小値を、 それぞれ示す。

中間天空のクラウド・ レイショの値は、 通常、 終日大きく変動する。晴天空 と見なせる値から 曇天空と見なせる値へと、 瞬時的に変動することがある。 ク ラウド ・ レイショの 1 0分ごとの平均 値の変動は、 中間天空のクラウド・レイ ショの変動の概略を示し、 それに晴天空と曇天空のクラウ ド・ レイシヨが混在

していることを示す。

なお、 放射に関するクラウド・ レイショの値は、 昼光に 関するクラウド・ レ イショの値より小さくなることが しば しばある。この理由は、 遮蔽リングの補 正方法など測定機器の特性によるかも知れないが、 明確で、はない。

4.4 昼光に関するクラウド・ レイショの出現頻度

ここでは、 1991年2月から1992年1月の1年間の取得データのうち、

品質管理などの後、本研究で用いたデータに基づいて、昼光に関するクラウド ・ レイショの出現の実態に関する検討を行う。

APPENDIX 1 6 ( 1 )から(12)に、 昼光に関するクラウド ・レイショの月別の 太陽高度別の出現頻度を示す。 昼光に 関するクラウド・レ イショの月別の太陽

102

高度別の出現頻度は、 年間を通して、 ほぼ同様の出現傾向を示すようである。

Table 2.4.2に、 昼光に関するクラウド・レイショの、年間の太陽高度別の

出現頻度を示す。

Fig.2.4.4に、 太陽高度の年間の出現頻度を示す。 取得データから不良デ ー タを除外しているため、 太陽高度が3 0・、 および50・のときの出現頻度が若 干小さくなっている。

Fig.2 .4.5に、 昼光に関するクラウド・レイショの年間の出現頻度を示す 。 昼光に関するクラウド・レイショを0.05ごとに検討すると、0.95の出現頻 度は6.80%、0.95以上の出現頻度は48.29%である。すなわち、昼光に 関するクラウド・レイショは、 出現頻度50%以上が0.9以上である。 昼光に 関するクラウド・レイショが0.9以上であることは、 日照が無いか、 有っても 極めて弱いかで、ある。これは、 我が国における日照率の年間の平均が50% 以 下であること4，5，6と符合する。

0.90未満の昼光に関するクラウド・レイショの出現頻度は44.9 1 %であ る。 この範囲では、昼光に関するクラウド・レイショが0.3 5から0.40で最 大値4.57%を示すが、 出現頻度とその変動の幅は小さいようである。

Fig.2 .4.6に、 昼光に関するクラウド・レイショの年間の太陽高度別の出現 頻度を例示する。 年間の太陽高度別の出現頻度は、 総ての太陽高度の範囲で 、 Fig.2 .4.5とほぼ同様の出現傾向を示す。北海道大学のIDMP測定所(札幌、

43.05・N、 141.33. E)において、 1991年1月より1992年1 2月の1年間 に取得した実測データに基づいて、 同様の検討を行った。 結果は殆ど同じ傾向 を示した。 日本の各地の平均日照率には、 大きな差異が見られない。 したがっ て、 本章での結果は、 日本の各地における昼光に関するクラウド・レイショの 出現頻度の一般的傾向と考える。

4.5 昼光に関するクラウド・ レイショの年間の平均

本研究では、 太陽高度別の昼光に関するクラウド・レイショを、 天空状態、を 表す指標として用いる。 ここでは、 19 9 1年2月から1 9 9 2年1月の1年 間の取得データに基づいて、 昼光に関するクラウド・レイショの年間の太陽 高 度別の平均を求め7、 それを数式化する。

103

Table 2.4.3に、 昼光に関するクラウド・レイショの年間の太陽高度別の平 均値と標準偏差を示す。 Fig.2.4.7に、 平均をプロットし、 その上下に標準偏 差を示す。

ここでは、 この昼光に関するクラウド・ レイショの年間の太陽高度別の平均 値を、 次の式で回帰した80

Cvin

(y J

y s

-

ys

Cvin( y s) :昼光に関するクラウド・ レイショの年間の平均値(- )、

y s .太陽高度(rad.)。

4.6 実測データによる昼光に関するクラウド・ レイショと 理論値の比較

晴天空の昼光に関するクラウド・ レイショは理論的に計算で求めることが で きる。 ここでは、 実測データから求めた晴天空の昼光に関するクラウド・ レイ ショと計算による理論値を比較して、 前者の信頼性を確認する。 また、 この結

果は、 本研究で用いる晴天空の分類の妥当性の確認にもつながる。

晴天空の全天空照度は、CIE標準晴天空910を全天にわたり積分し、それに 天頂輝度を乗じて求められる。

CIE標準晴天空は、 第1編で述べたように以下の式で表されている。

1 --cl (Ys ，y，�) f( と)・ ゆ(y )

LclR(y s，y ，�)

:

.�\"=，J .，，\1<

) Lzcl(y s) f(π/2 -y J ・ゆ (TC/2)

、、E，，，O6 1E・41i ，，st、

Lcl R (y s， y ， s) :太陽高度y s のときのCIE標準晴天空の天空要素(高度:

y、 太陽との角距離:s)の相対輝度(- )、

Lcl(γs， y ， s):太陽高度γsのときのCIE標準晴天空の天空要素(高度:γ、

太陽との角距離:s)の輝度(kcd/m2)、

Lzcl(γs) :太陽高度ysのときの晴天空の天頂輝度(kcd/m2)。

104

f(

，)

・

⁽

^{.， )}

・

^2， (散乱インデカトリックス)

ゆ(y ) = ¹

-

-

.

・

f(π/2 - Y 5) = ^{0.91 +} 10・exp( -3 . (rc/2 - y 5)) ⁺ 0.45・cos 2(π/2 -y

J

ゆ(π/2)= ^0.27385

y s .太陽高度(rad.)、

γ :天空要素の高度(rad.)、

ど:太陽と天空要素の角距離(rad.)。

なお、 太陽と天空要素の角距離どは、 次の式で、求められる。

，

αs .太陽の方位角(rad. or deg.)、

α:天空要素の方位角(rad. or deg.)。

CIE標準晴天空の全天にわたる 積分は次の式による。

Evdcl( y s) ^{1r�2 2:}

Lzcl…=r

f

f

^，，)

Evdcl( y s) :太陽高度γsのときのCIE標準晴天空の全天空照度の理論値 (klx)、

Lzcl(γs) :太陽高度y sのときの晴天空の天頂輝度(kcd/m2)、

LclR(γ s， y ， t) :太陽高度y s のときのCIE標準晴天空の天空要素(高度:

γ、 太陽との角距離:ど)の相対輝度(-)、

y s .太陽高度(rad.)、

y . 天空要素の高度(rad.)、

ど:太陽と天空要素の角距離(rad.)、

α:天空要素の方位角(rad.)。

式2.4.2の値は、 次のように、 天空要素の高度と方位を、 それぞれ、 1・ ご とに数値積分して計算した。

α

v d V AU

"Y' AU pa ハU

C

γ'

n

P3 vI ←Ld R V' hマムω k dy/μ川

vI - s

・山 ω 一 (アげ

FN 一 七

105

晴天空の天頂輝度に関しては、 いくつかの提案式がある11。 ここでは、 太陽 高度と昼光に関する大気透過率に従属する次の式を用いる120

叫 5υノ川川，Pハ川P恥町Vけ) =

;古3誌おt包5

f(TC/2 - y J = 0.91 + 10・exp( -3・(TC/2 - Y s) ) + 0.45・cos\ TC /2 - y s ) PvcoぉCY， ^_ pv

ψ(Ys ，Pv) ^{= -=:}

1 - cosecy _s

但し、 y s=π/2の場合、 ψ(TC/2，Pv) = PV・(一lnPv)

Lzcl(γ S， Pv) :太陽高度y S，昼光に関する大気透過率PVのときの 晴天空の天頂輝度(kcd/m2)、

y s .太陽高度(rad.)、

PV :昼光に関する大気透過率(-)、

一2.4.4

Evo:大気圏外における法線直射照度(klx)、 ここでは太 陽照度定数を距離 補正し ないで用いる。 すなわち、 Evo = _133.7 (klx)とする。

したがって、 晴天空の全天空照度の理論値は、 次の式で求めることができる。

Evdcl( y s)

Evdcl( y s' Pv) = ・Lzcl(ys' Pv) (klx)

Lzcl(y J ^{-- 2 .4}

. 5

Evdcl( y s， Pv) :太陽高度y s，昼光に関する大気透過率PVのときの CIE標準晴天空の全天空照度の理論値(klx)、

Evdcl( y s)

:太陽高度y sのときの

Lzcl(Y s) '

CIE標準晴天空の全天にわたる積分値( _kcd/m

以:-)

Lzcl( y s， Pv) :太陽高度y s，昼光に関する大気透過率PVのときの 晴天空の天頂輝度(kcd/m2)、

y s .太陽高度(rad.)、

PV :昼光に関する大気透過率(-)。

なお、 汚染された大気に対して示されているCIE標準散乱インデカトリツ

106

クスf'(t )、 および、f'(π/2-y s)は用いない。

晴天空のグローバル照度は晴天空の 全天空照度と直射照 度の水平面成分の和 として求める。

直射照度の水平面成分の理論値は、 大気圏外における法線直射照度を太陽と 地球の距離の変動を無視して、 次の式で求めることができる。

Evshcl( y 5' Pv) ⁼ Evo・Pvm • siny 5 (klx)

Evshcl( y s. Pv) :直射照度の水平面成分の理論値(klx)、

PV :昼光に関する大気透過率(-)、

-- 2 .4 .6

Evo:大気圏外における法線直射照度(klx)、 ここではEvo = 133.7 (klx)、

m:大気路程(- )、 式2.3.5参照、

y s .太陽高度(rad.)。

したがって、 晴天空のグローバル照度の理論値は次のよ うに表すことができ る。

Evgcl(y 5'PV) = EvdcI( y 5'Pv) + Evshcl(y 5'PV)

Evgcl( y s. Pv) :太陽高度γs，昼光に関する大気透過率PVのときの 晴天空のグローバル照度の理論値(klx)、

Evdcl( y s. Pv) :太陽高度γs，昼光に関する大気透過率Pvのときの CIE標準晴天空の全天空照度の理論値(klx)、

Evshcl( y s. Pv) :直射照度の水平面成分の理論値(klx)、

Pv :昼光に関する大気透過率(- )、

γs .太陽高度(rad.)。

以上のようにして、 晴天空の昼光に関するクラウド・レ イショの理論値は、

太陽高度と昼光に関する大気透過率の関数として、 次のようになる。

EvdcI(y 5 ，Pv) EvdcI( y ^s ，Pv) Cvcl(y宝. ，Pv) =

EvgcI(y 5 ，Pv) EvdcI(y 5' Pv) + Evshcl( y s' Pv) (- ) 一一一2.4.7 Cvcl( y s， Pv) :晴天空の昼光に関するクラウド ・レイショの理論値(ー)、

107

Evdcl( y s， Pv) :太陽高度y s，昼光に関する大気透過率PVのときの CIE標準晴天空の全天空照度の理論値(klx)、

Evgcl( y s， Pv) :太陽高度γs，昼光に関する大気透過率PVのときの 晴天空のグローバル照度の理論値(klx)、

Evshcl(γs， Pv) :直射照度の 水平面成分の理論値(klx)、

PV :昼光に関する大気透過率(-)、

y s .太陽高度 (rad.)。

Fig. ² . ^{4 .} 8 _{( 1} )からFig. ² . ⁴ . 8 ( 6 )に、 昼光に関する大気透過率が0.85、

0.80、 0.75� 0.70、 0.6 5� 0.6 0の場合のCIE標準晴天空の昼光 に関するクラウド・ レイショの理論値と実測による取得デ ータからの値を、 そ れぞれ、 併せて示す。

この両者はよく一致している。 した がって、 実測による取得データから求め るクラウド・レイショと本研究で用いている晴天空の範囲は妥当と考える。

4.7 小結

国際昼光測定プログラム(IDMP)の所以とその 測定所、 さらに、 ここでは、 九 州大学のIDMP測定所での取得データを用いることにつ いて述べた。 実測デ ータによる昼光と放射 に関するクラウド・ レイショは、 信頼性を確認するため に品質管理を経て、 グローバル照度と全天空照度、 および、 水平面グローバル 放射照度と水平面拡散放射照度から求めることについても述べた。

実測データによるクラウド・レイショは、 データ取得時の終日日照率により、

3つの天空状態に分類して整理し、 それぞれの日変動の特性を検討し、 晴天空 のクラウド・レイショは、 太陽の位置に依存すること、 曇天空のクラウド・ レ イショは、 終日、 ほぼ一定であること、 中間天空のクラウド・ レイショは、 終

日、 大きく変動 することを示した。

また、 昼光に関するクラウド・レイショの 実態について検討を行い、 出現頻 度50%以上 が0.9以上であることを示した。

さらに、 昼光に関するクラウド・レイショの年間の太陽高度別の平均値を 求 め、 それ を数式化した。

108

最後に、 実測データによる昼光に関するクラウド・レイショと理論値を比較 し、 前者の信頼性を確認した。

l中村洋、 国際昼光測定プログラムとこれに対する本邦の対応、 照明学会誌、 第75巻、 第9号、

pp.42・44、19910

2中村洋、 国際昼光測定プログラム(IDMP)について、 照明委員会誌、 第11巻、 第3号、 pp.2-8、

19940

3 Guide to recommended practice of daylight measurement、 Pub. CIE No.108 ISBN 3 900 734 50 X、

19940

4中村洋、 沖允人、 岩田(松j畢)朋子、 日照率による晴天空、 中間天空、 曇天空の出現頻度の推定 ( 3 )(世界の各地における日照率・ その1 )、 日本建築学会東海支部研究報告、 pp.193-196、 19870

5中村洋、 沖允人、 岩田(松津)朋子、 日照率による晴天空、 中間天空、 曇天空の出現頻度の推定 (3 )(世界の各地における日照率・ その2 )、 日本建築学会東海支部研究報告、 pp.197-200、 19870

6 Nakamura， H.、 Oki， M.、Iwata (Matsuzawa)， T.、 et al.、 Relative sunshine duration at various points in the world、 Proc.of the 22nd CIE session、 Vo1.1、 Part 1、 pp.7.8、 19910

7 Matsuzawa， T.、Nakamura，H.、Koga， Y.、et al.、An investigation on cloud ratio、Proc.7th Lux Europa、

Vo1.2、 pp.303-312、 19890

8松淳朋子、 中村洋、 古賀靖子、 他、 Cloud Ratioを指標とする中間天空の輝度分布の連続的構 成、 日本建築学会中国・ 九州支部研究報告、 第9号、 pp.13-16、 19930

9 Standardization of luminance distribution on clear skies、 Pub.CIE No.22 (TC-4.2.)、 19730

1 0 Spatial distribution of daylight - Overcast sky and clear sky、 Pub. CIE DS 003.2、 19940

11たとえば、 Krochmann，J.、 Kittler， R.、 Dogniaux， R.、 Nakamura， H. などの提案式がある。

1 2 N agata， T.、 Luminance distribution on clear skies， Part 2. Theoretical consideration、 Trans. A.IJ.、

No.186、 pp.41-50、 19710

109

Table 2. 4. 1 月別の検討日数、 および、 データ数

R. _s. d. (%)

Year NUlIlber of NUlIlber Data

/ Month 注90 < 90， > ^{0 =0 Days}

1991/ 2 1 5 4 2 ₁ 1 2， 1 35

/ 3 1 1 1 2 1 5， 508

/ 4 1 2 2 ₁ 14.377

/ 5 1 7 2 7 _{20. 190}

/ 6 。 1 6 8 24 17.680

/ 7 。 22 2 7 20，013

/ 8 。 1 8 。 1 8 13，399

/ 9 14 4 20 1 3. 145

/10 1 8 24 1 5. 1 52

/11 1 8 2 1 1 1. 56 1

/1 2 。 14 1 6 8， 603

1992/ 1 。 1 3 8， 331

T ₀ t a 1 1 5 188 56 259 170.094 R. _s. d. :終日日照率(%)

110