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

摘要：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(méi)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(yáng)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(lái)武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無(wú)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。

關(guān)鍵詞：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

中圖分類(lèi)號(hào)：S161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）08-157-03

紫外輻射在太陽(yáng)輻射光譜中的譜區(qū)范圍是100～400 nm，其能量占太陽(yáng)輻射總量的8%，按照紫外線的不同波長(zhǎng)所起的生物作用，可分為3個(gè)部分：紫外線A段，波長(zhǎng)320～400 nm，約占太陽(yáng)輻射總量的6.0%，主要是色素沉著作用；紫外線B段，波長(zhǎng)290～320 nm，約占太陽(yáng)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(zhǎng)100～290 nm，約占太陽(yáng)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(yáng)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(lèi)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(guò)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(guò)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(guó)際上越來(lái)越重視到達(dá)地面的紫外線輻射量的變化，許多國(guó)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(guò)媒體定期發(fā)布。在我國(guó)，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(guó)各個(gè)城市迅速地開(kāi)展起來(lái)[4]。

武漢市地處中緯度地帶，太陽(yáng)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(kāi)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(lái)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(zhǎng)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?chē)鸁o(wú)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、PM10 3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(yáng)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(guò)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(méi)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(yáng)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(kāi)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。

2.1.2 月際變化特征。由圖2可見(jiàn)，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(yáng)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(yáng)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(yáng)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。

2.1.3 年變化特征。由圖3可見(jiàn)，近3年來(lái)武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無(wú)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。

由武漢市紫外線強(qiáng)度等級(jí)逐月分布（表1）可見(jiàn)，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。

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(yáng)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?yáng)高度角、云量和相對(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(yáng)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。

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(lái)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(yáng)高度角（°），X3為日最小相對(duì)濕度（%）， X4為總云量（成）。

X2太陽(yáng)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(chēng)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(guó)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%。

3 小結(jié)與討論

（1）在沒(méi)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(yáng)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(lái)武漢市年紫外線輻射強(qiáng)度值基本持平，無(wú)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)庀笠蜃邮菤鉁亍⒃屏?、太?yáng)高度角、云量和相對(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(zhǎng)度問(wèn)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(yáng)總輻射的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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