武漢市紫外線輻射強(qiáng)度特征分析及其預(yù)測(cè)模型的建立

翟紅楠，李 明

(湖北省武漢市氣象局，湖北武漢 430040)

?

武漢市紫外線輻射強(qiáng)度特征分析及其預(yù)測(cè)模型的建立

翟紅楠，李 明

(湖北省武漢市氣象局，湖北武漢 430040)

利用武漢市2011～2013年的紫外線輻射強(qiáng)度資料和同期氣象資料，對(duì)武漢市紫外線輻射強(qiáng)度與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行了分析與統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強(qiáng)度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征；1～2月和11～12月紫外線輻射強(qiáng)度最小，3～10月較大，7～8月最大；近3年來武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無明顯年際增減變化，其季節(jié)變化特征為紫外線輻射強(qiáng)度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外線輻射強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)最少的為5級(jí)，僅69 d；出現(xiàn)最多的為4級(jí)，共667 d；紫外線輻射強(qiáng)度的變化與天氣條件聯(lián)系密切，對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度與大氣環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)分析，并得出了等級(jí)預(yù)測(cè)模型，預(yù)報(bào)效果較為滿意。

紫外線輻射強(qiáng)度；紫外線指數(shù)；氣象因子；等級(jí)預(yù)報(bào)方程

紫外輻射在太陽輻射光譜中的譜區(qū)范圍是100～400 nm，其能量占太陽輻射總量的8%，按照紫外線的不同波長所起的生物作用，可分為3個(gè)部分：紫外線A段，波長320～400 nm，約占太陽輻射總量的6.0%，主要是色素沉著作用；紫外線B段，波長290～320 nm，約占太陽輻射總量的1.5%，此段對(duì)人體影響較大，主要作用是抗佝僂病和紅斑作用，是引起皮膚癌、白內(nèi)障、免疫系統(tǒng)能力下降的主要原因之一；紫外線C段，波長100～290 nm，約占太陽輻射總量的0.5%，由于幾乎完全被臭氧層吸收而不能到達(dá)地面[1]。 盡管紫外線輻射所占太陽輻射能量比例比較少，但由于其光量子能量較高，產(chǎn)生的光學(xué)作用和生物效應(yīng)十分顯著，對(duì)地球氣候、生態(tài)環(huán)境以及人類健康具有重要的影響[2]。適宜強(qiáng)度的紫外線可以消毒殺菌、促進(jìn)骨骼發(fā)育，而強(qiáng)度過高的紫外線是造成人體佝僂病和紅斑病，引起皮膚癌、白內(nèi)障、免疫系統(tǒng)能力下降的主要原因，過量的紫外線輻射還將導(dǎo)致人體免疫功能變異[3]。由于地球大氣平流層O3空洞及局部地區(qū)O3保護(hù)層的變化，使到達(dá)地表的紫外線輻射有局部增加的趨勢(shì)，國際上越來越重視到達(dá)地面的紫外線輻射量的變化，許多國家加強(qiáng)了對(duì)紫外線輻射、臭氧的監(jiān)測(cè)和研究，并將結(jié)果通過媒體定期發(fā)布。在我國，雖然此項(xiàng)工作起步較晚，但近幾年紫外線強(qiáng)度指數(shù)預(yù)報(bào)已在全國各個(gè)城市迅速地開展起來[4]。

武漢市地處中緯度地帶，太陽投射角年內(nèi)存在變化，天氣復(fù)雜，云量多變，同時(shí)空氣中所含水汽變化亦大，導(dǎo)致地面紫外線輻射強(qiáng)度變化復(fù)雜，因此掌握紫外線指數(shù)變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行紫外線輻射指數(shù)預(yù)報(bào)尤為必要。筆者利用武漢市現(xiàn)有紫外線輻射強(qiáng)度的完整觀測(cè)資料，對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度的時(shí)間變化特征及與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，增加對(duì)武漢市紫外線輻射強(qiáng)度變化特征的新認(rèn)識(shí)，從而進(jìn)一步了解影響紫外線輻射強(qiáng)度的主要環(huán)境氣象因子，為更好地開展武漢市紫外線輻射強(qiáng)度的預(yù)報(bào)服務(wù)工作奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1紫外線輻射強(qiáng)度資料。選取2011年1月～2013年12月紫外線輻射強(qiáng)度觀測(cè)資料進(jìn)行分析。觀測(cè)設(shè)備為上海長望氣象科技有限公司所生產(chǎn)的TFU_I型紫外線觀測(cè)儀(波段280～400 nm),觀測(cè)儀采樣頻率為10 s，1 min輸出一個(gè)觀測(cè)值。儀器安裝在武漢市觀象臺(tái)，環(huán)境周圍無明顯污染源，輻射資料有較好的代表性。文中的紫外線輻射值是指10:00～14:00的4 h平均紫外線輻射值，氣象要素也為此時(shí)段資料。

1.1.2大氣環(huán)境資料。該資料由武漢市氣象局提供，時(shí)間序列為2011年1月～2013年12月；主要要素包括武漢市逐日地面平均氣壓、日平均氣溫、日溫差、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日最小相對(duì)濕度、24 h降水量、日平均風(fēng)速、日平均總云量；武漢市空氣中逐日SO2、NO2、PM103種物質(zhì)的濃度。

1.2 分析方法主要采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)武漢市紫外線輻射強(qiáng)度與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行研究，首先統(tǒng)計(jì)分析到達(dá)地面的紫外線輻射強(qiáng)度時(shí)間序列特征，分析逐日紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測(cè)值與同期太陽高度角、氣象要素(云、溫、壓、濕、風(fēng)和降水等)、空氣質(zhì)量要素的相關(guān)關(guān)系，篩選出相關(guān)性較高或關(guān)鍵性氣象影響因子、天氣過程等綜合指標(biāo)，最后采用逐步回歸的方法建立紫外線等級(jí)氣象條件的預(yù)報(bào)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢市紫外線輻射強(qiáng)度的時(shí)間序列變化特征

2.1.1日際變化特征。選取2014年1月1日武漢市紫外線輻射強(qiáng)度監(jiān)測(cè)資料，當(dāng)日為晴好天氣。從圖1可以看出，在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強(qiáng)度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征，即從06：00開始紫外線輻射強(qiáng)度逐漸增大，到12：00左右為一天中紫外線輻射強(qiáng)度最大的時(shí)段，13：00以后漸小，到18：00趨于0。分析表明，當(dāng)天氣狀況發(fā)生變化時(shí)，日紫外線呈正態(tài)分布的形態(tài)也隨之改變了。紫外線輻射強(qiáng)度和輻射強(qiáng)度的日變化均與天空云量多寡密切相關(guān)，云量少，輻射強(qiáng)度大且輻射強(qiáng)度的日變化幅度較大；云量多，輻射強(qiáng)度弱且日變化幅度??；陰雨天，紫外線輻射強(qiáng)度最弱，輻射強(qiáng)度日變化幅度也最??；天空晴朗少云時(shí)，各季節(jié)紫外線輻射強(qiáng)度等級(jí)的日變化均呈平滑的拋物線。

圖1 2014年1月1日武漢市紫外線輻射強(qiáng)度日變化

2.1.2月際變化特征。由圖2可見，武漢市紫外線輻射強(qiáng)度月際變化特征呈現(xiàn)雙峰特征。這是由于受太陽高度角的變化使紫外線指數(shù)發(fā)生相應(yīng)的日、月、季變化外，到達(dá)地面的紫外線輻射強(qiáng)度受天氣狀況變化的影響也是很大的。1～2月和11～12月紫外線輻射強(qiáng)度最小，3～10月較大，7～8月最大。這種分布主要與太陽高度角變化有關(guān)，還與地面反照率、大氣污染狀況、平流層臭氧以及每天的天空狀況等諸多因素的影響有關(guān)。雖然一年中夏至(6月21日或6月22日)太陽高度角達(dá)到一年中最大值，但由于5、6月份武漢市處于雨季。云雨天氣較多，而紫外線輻射強(qiáng)度反而有所下降，7、8月份隨著雨水天氣的減少，紫外線輻射強(qiáng)度有所回升。

圖2 2011～2013年武漢市逐月平均紫外線輻射強(qiáng)度變化

2.1.3年變化特征。由圖3可見，近3年來武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無明顯年際增減變化；其季節(jié)變化特征為紫外線輻射強(qiáng)度夏季>春季>秋季>冬季。

圖3 2011～2013年武漢市紫外線輻射強(qiáng)度月變化(a)和季變化(b)

由武漢市紫外線強(qiáng)度等級(jí)逐月分布(表1)可見，一年中紫外線達(dá)到4級(jí)的天數(shù)最多，其分布比重分別為1級(jí)天數(shù)占12.5%、2級(jí)天數(shù)占11.0%、3級(jí)天數(shù)占9.3%、4級(jí)天數(shù)占60.9%、5級(jí)天數(shù)占6.3%；紫外線輻射強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)最少的為5級(jí)，僅69 d；出現(xiàn)最多的為4級(jí)，共667 d。

表1 武漢市紫外線強(qiáng)度等級(jí)逐月分布

2.2 影響紫外線輻射強(qiáng)度的大氣環(huán)境因子對(duì)逐日紫外線輻射強(qiáng)度值與太陽高度角、溫濕壓、云量、空氣質(zhì)量及其變量進(jìn)行相關(guān)分析，尋找關(guān)鍵的影響因子，得出影響武漢市紫外線輻射強(qiáng)度的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?、云量、太陽高度角、云量和相?duì)濕度等。按照相關(guān)系數(shù)大小排序?yàn)闀円箿夭?日最小相對(duì)濕度>日最高氣溫>日平均總云量>日平均低云量>日平均氣溫>日平均相對(duì)濕度>太陽高度角>日溫差>日平均氣壓>日降水量>日均風(fēng)速；武漢市紫外線輻射強(qiáng)度與城市空氣質(zhì)量要素相關(guān)性并不極其顯著。

表2 武漢市紫外線強(qiáng)度與大氣環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示通過信度為95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

2.3 建立武漢市紫外線輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型根據(jù)以下兩點(diǎn)原則選擇統(tǒng)計(jì)建模的大氣環(huán)境因子：與紫外線輻射強(qiáng)度相關(guān)性顯著、能正確反映紫外線輻射強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)演變；在實(shí)際評(píng)估或預(yù)測(cè)中易于獲取。選取2011～2012年數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本用來建立模型，2013年數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本用于檢驗(yàn)測(cè)試預(yù)報(bào)效果，得到預(yù)測(cè)模型為：Y=10.139+0.577X1+0.270X2-0.164X3-0.669X4,式中，Y為紫外線輻射強(qiáng)度(W/m2)，X1為晝夜溫差(℃)，X2為正午太陽高度角(°)，X3為日最小相對(duì)濕度(%),X4為總云量(成)。

X2太陽高度角計(jì)算公式為h=90°-|30.37-ED|、ED=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9sin2θ-0.171 2sin3θ-0.758 0cosθ+0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ，其中θ稱日角，即θ=2πt/365.242 2；這里t又由兩部分組成，即t=N-N0,其中N為積日，所謂積日就是日期在年內(nèi)的順序號(hào)，如1月1日其積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為366；N0=79.676 4+0.242 2×(年份-1985)-INT〔(年份-1985)/4〕，式中，INT表示取整數(shù)部分，如INT(3.25)=3。將測(cè)試樣本代入相應(yīng)的預(yù)報(bào)方程得到統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)值，并按照中國氣象規(guī)定的紫外線等級(jí)劃分指數(shù)(表3)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為擬合值與實(shí)測(cè)值兩者處于同一級(jí)算對(duì)，否則算錯(cuò)，則預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為83.56%；若檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為擬合值與實(shí)測(cè)值兩者處于同一級(jí)或差一級(jí)算對(duì)，否則算錯(cuò)，則預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為96.16%。

表3 紫外線指數(shù)分級(jí)

3 小結(jié)與討論

(1)在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強(qiáng)度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現(xiàn)正態(tài)分布的特征。

(2)1～2月和11～12月紫外線輻射強(qiáng)度最小，3～10月較大，7～8月最大。

(3)近3年來武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無明顯年際增減變化；其季節(jié)變化特征為紫外線輻射強(qiáng)度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外線輻射強(qiáng)度等級(jí)出現(xiàn)最少的為5級(jí)，僅69 d；出現(xiàn)最多的為4級(jí)，共667 d。

(4)紫外線輻射強(qiáng)度的變化與天氣條件聯(lián)系密切，對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度與大氣環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)分析，得出影響武漢市紫外線輻射強(qiáng)度的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁?、云量、太陽高度角、云量和相?duì)濕度等，武漢市紫外線輻射強(qiáng)度與城市空氣質(zhì)量要素相關(guān)性并不極其顯著。同時(shí)文中得出了等級(jí)預(yù)測(cè)模型，預(yù)報(bào)效果較為滿意。

(5)由于資料時(shí)間序列長度問題，未能反映出紫外線輻射的年際變化特征，未能探討紫外線輻射強(qiáng)度年際變化與大氣臭氧含量、平流層臭氧含量間的關(guān)系。下一步統(tǒng)計(jì)分析紫外線輻射強(qiáng)度的年際變化特征以及其與太陽總輻射的關(guān)系。

[1] 劉敏，康邵鈞，徐鳳梅，等．商丘紫外線指數(shù)變化規(guī)律及氣象因子影響分析[J]．氣象科技，2007(6)：845-847.

[2] 王繼鵬，魏敏，張冉．魯中山區(qū)紫外線指數(shù)強(qiáng)度分布特征研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(36)：16034-16035.

[3] 沈元芳，況石.紫外線模式預(yù)報(bào)方法的研究和試驗(yàn)[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002(13)：223-230.

[4] 祝青林，于貴瑞，蔡福，等．中國紫外輻射的空間分布特征[J].資源科學(xué)，2005，27(1)：113-116.

The Characteristics of Ultraviolet Radiation Intensity in Wuhan and Its Meteorological Forecast Model

ZHAI Hong-nan, LI Ming

(Wuhan Meteorological Service, Wuhan, Hubei 430040)

The relationship between ultraviolet radiation intensity and meteorological factors in Wuhan is analyzed by using the detailed data of ultraviolet radiation intensity and meteorological data from 2011 to 2013.The results show that in the absence of other factors, the ultraviolet radiation intensity curve of diurnal variation keep consistent with the solar height angle, they basicly present the characteristics of normal distribution; the data of ultraviolet radiation intensity in January-February and November-December is the minimum, the data in March-October is higher, and in July-August reaches the maximum; the ultraviolet radiation intensity values remained stable in Wuhan City nearly three years, without obvious interannual change.The seasonal variation for the intensity of ultraviolet radiation in summer > spring > autumn > winter; In the recent three years the ultraviolet radiation intensity grade for at least is five level, just only 69 days; and the most is four level, a total of 667 days; ultraviolet radiation intensity closely link with the weather conditions, the intensity of ultraviolet radiation and atmospheric environmental factors are analyzed, the rating prediction model is obtained, the prediction effect is satisfactory.

Ultraviolet radiation intensity; The UV index; Meteorological factor; The hierarchy forecast equation

武漢市氣象自立課題(086064)。

翟紅楠(1984-)，女，河北邢臺(tái)人，工程師，碩士，從事環(huán)境氣象研究。

2015-02-02

S 161

A

0517-6611(2015)08-157-03