入射する日射量は、太陽から発生し、大気中を伝播するにつれて変化し、さらに地形と地表面の地物により変化して、地球の表面に直達成分、散乱成分、および反射成分として到達します。 直達日射は、太陽を起点とする直線で、妨げられることなく到達する日射です。散乱日射は、雲や埃などの大気中の成分により散乱する日射です。 反射日射は、地表面の地物から反射される日射です。 直達日射量、散乱日射量、および反射日射量の合計を、総日射量または全天日射量と呼びます。
一般的に、直達日射は総日射量のうち最も大きい成分で、散乱日射は 2 番目に大きい成分です。 通常、反射日射は、雪面などの反射率が非常に高い表面に囲まれた場所を除き、総日射量に占める割合はごくわずかです。 日射量ツールの総日射量の計算には、反射日射は含まれていません。 このため、総日射量は、直達日射量と散乱日射量の合計として計算されます。
日射量ツールは、ポイント位置または地理エリア全体に対して計算を実行できます。 以下の 4 つのステップを実行します。
- 地形に基づいて上半球の可視領域を計算する。
- 可視領域を直接太陽軌道図にオーバーレイして直達日射量を推定する。
- 可視領域を拡散天空図にオーバーレイして散乱日射量を推定する。
- 各位置に対してプロセスを繰り返して日射量マップを生成する。
日射量は地形と地表面の地物から大きく影響を受けることがあるため、計算アルゴリズムの主要な成分を求めるには、各位置の上半球の可視領域をデジタル標高モデル (DEM) で生成する必要があります。 半球の可視領域は、上半球 (魚眼) の写真に類似しており、プラネタリウムのように空全体を地表から見上げたものです。 天空の可視領域の広さは、その位置の日射量において重要な役割を果たします。 たとえば、開けた野原に設置したセンサーでは、深い峡谷に設置したセンサーよりも日射量が高くなります。
次の画像は上半球の写真で、天空の可視領域と、周囲の地形や地表面の地物によって不可視となっている天空の方向を示しています。 これは、人間が地表から全方向を見上げたときの景色に似ています。
可視領域の計算
可視領域は全天のラスター表現で、特定の位置から見たときの可視領域と視界が妨げられる領域を示します。 可視領域は、対象位置の周囲の指定した方向数に対して検索し、天空の障害物の最大角度 (水平角) を決定することで計算されます。 その他すべての未検索方向に対して、水平角が内挿されます。 その後、水平角は半球座標系に変換され、方向を示す 3 次元の半球が 2 次元のラスター画像として表されます。 可視領域のラスターの各セルには、天空の方向が可視か不可視かに対応する値が割り当てられます。 出力セルの位置 (行と列) は、方向を示す半球の天頂角 θ (垂直線からの角度) と方位角 α (北からの角度) に対応しています。
以下の図は、DEM の 1 つのセルの可視領域の計算を示しています。 水平角は、指定した方向数に沿って計算され、天空の半球表現の作成に使用されます。 生成された可視領域は、天空の方向が可視 (白で表示) か不可視 (グレーで表示) かを特徴付けています。 理論を説明するため、半球写真にオーバーレイした可視領域を示しています。
可視領域を、太陽の位置 (太陽軌道図) と天空の方向 (天空図) の情報と組み合わせて使用することで、各位置の直達日射量、散乱日射量、および総日射量 (直達日射量 + 散乱日射量) が計算され、正確な日射量マップが生成されます。
太陽軌道図の計算
天空の各方向から発生する直達日射量は、可視領域と同じ半球投影で太陽軌道図を使用して計算されます。 太陽軌道図は太陽の軌道、つまり 1 日、および 1 年間で変化する見かけの太陽の位置を表すラスター表現です。 太陽軌道図は、一定期間に天空を移動する太陽の位置を見上げて観察したものに似ています。 太陽軌道図は、1 日 (時間単位) および 1 年 (日単位または月単位) の特定の期間における太陽の位置を定義する不連続な区域で構成されています。 太陽の軌道は、分析範囲の緯度、および太陽軌道図の区域を定義する時間構成に基づいて計算されます。 太陽軌道図の各区域に対して、一意の識別値とともに、その重心の天頂角と方位角が指定されます。 各区域から発生する日射量が個別に計算され、可視領域が太陽軌道図にオーバーレイされて、直達日射量が計算されます。
以下の図は、冬至 (12 月 21 日) から夏至 (6 月 21 日) までの期間で計算された北緯 45 度の太陽軌道図を示しています。 太陽軌道図の各区域 (色分けされた四角形) は、30 分間隔で 1 日間、および 1 か月間隔で 1 年間観測した太陽の位置を表しています。 この画像は、上方の可視領域と同じ半球投影であることに注意する必要があります。 太陽の位置は、1 日および 1 年で太陽が天空を移動するのに合わせて表されます。
天空図の計算
散乱日射は、大気中の成分 (雲、粒子など) による散乱の結果として、天空の全方向から発生します。 特定の位置の散乱日射を計算するため、全天の半球図を天頂角と方位角によって定義される一連の天空域に分割して表す天空図が作成されます。 各区域に対して、一意の識別値とともに、その重心の天頂角と方位角が割り当てられます。 散乱日射は、方向 (天頂と方位) に基づいて、天空域ごとに計算されます。
以下の図は、8 個の天頂分割、16 個の方位分割によって定義された天空域を含む天空図を示しています。 それぞれの色は、散乱日射が発生する一意の天空域 (天空の部分) を表しています。
太陽軌道図と天空図を含む可視領域のオーバーレイ
日射量を計算する際は、可視領域ラスターが太陽軌道図ラスターと天空図ラスターにオーバーレイされ、天空の各方向から到達する散乱日射量と直達日射量が計算されます。 各区域における天空の可視領域の割合は、その区域に属するセルの総数で可視のセルの数を除算して計算されます。 部分的に不可視の天空域も許容されます。
以下の図は、太陽軌道図と天空図に可視領域をオーバーレイしたものを示しています。 グレーは、不可視の天空方向を示しています。 可視の天空方向から発生する直達日射量と散乱日射量を合計して、日射量が計算されます。
