東疆黑戈壁太陽紫外輻射變化特征

阿吉古麗·沙依提 ，張 坤 ，王 豫

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗基地，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆氣象學(xué)會，新疆 烏魯木齊830002；4.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830002）

太陽紫外輻射（Solar Ultraviolet Radiation）是指波長在太陽輻射紫外波段的電磁輻射，其波長范圍約在100～400 nm[1]。紫外輻射按照其輻射波段的不同又可劃分為3個波段，即：紫外輻射A（UVA，波長在315～400 nm）占太陽輻射總量的6%、紫外輻射B（UVB，波長在280～315 nm）占太陽輻射總量的1.5%和紫外輻射 C（UVC，波長在 100～280 nm）占太陽輻射總量的0.5%[2-4]。但是，平流層中的臭氧把大部分的UVB和幾乎全部的UVC給吸收掉了，所以，到達(dá)近地面的紫外輻射主要包括UVA和少量的UVB波段的能量。紫外輻射給人們的生活帶來了極大影響，特別是UVB波段，時刻影響著人體健康和農(nóng)作物的生長，可能導(dǎo)致曬傷、眼損傷、皮膚癌、皮膚老化和皺紋、免疫系統(tǒng)減弱，并可能改變植物生長[5-9]。

近幾十年來，我國紫外線輻射分布和趨勢的研究取得了進展。周允華[10]根據(jù)直接輻射的分光數(shù)據(jù)，得到了估算紫外（波長＜0.4滋m）直接輻射的經(jīng)驗公式和空間分布圖。何清等[11]研究了塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)紫外輻射的特征以及影響因子，結(jié)果表明，紫外輻射7月最大，12月最小，紫外輻射年均值占總輻射年均值的4.99%。買買提艾力·買買提依明等[12]研究了塔克拉瑪干沙漠北緣過渡帶肖塘地區(qū)紫外輻射和總輻射特征，表明紫外輻射和總輻射的變化趨勢基本相同，紫外輻射年曝輻量和輻照度最大值分別為242.62、62.7 W·m-2。傅瑋東[13]研究了新疆紫外輻射的分布特征，表明了新疆紫外輻射南多北少，東部地區(qū)多于西部地區(qū)。張興華等[14]對拉薩地區(qū)紫外輻射進行了分析，結(jié)果表明，紫外輻射和總輻射的變化基本一致，6月最大，1月最小。姜峻等[15]研究了安塞黃土丘陵區(qū)紫外輻射的分布變化特征，表明了紫外輻射強度與總輻射、氣溫呈正相關(guān)，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)。黃梅玲等[16]研究了中國生態(tài)區(qū)紫外輻射的時空演變特征，表明在我國紫外輻射呈現(xiàn)西部高、東部低的總體格局。閉建榮等[17]研究了民勤地區(qū)紫外輻射的觀測研究，建立了民勤地區(qū)紫外輻射的估算方程。劉慧等[18]結(jié)合氣溫、降水和露點溫度資料建立了禹城地區(qū)的紫外輻射估測方程。

戈壁在我國西北地區(qū)分布范圍廣闊，主要集中分布在中國西部地區(qū)[19]，面積約66.1萬km2，約占我國國土總面積的6.9%[20]。作為面積較大的陸地地表單元，戈壁區(qū)域和周圍綠洲的水汽、能量交換對局地大氣環(huán)流和小氣候產(chǎn)生重要影響[21]。本文以東疆哈密地區(qū)黑戈壁區(qū)域作為研究區(qū)，對該區(qū)域的紫外輻射變化進行研究，揭示了東疆黑戈壁地區(qū)太陽紫外輻射的演變規(guī)律，從而為戈壁區(qū)域太陽能資源開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)域與資料

1.1 研究區(qū)域

本文選擇紅柳河區(qū)域開展戈壁區(qū)域的紫外輻射研究。紅柳河位于新疆東部哈密地區(qū)和甘肅省交界處，這里周圍上百公里范圍內(nèi)無其他觀測站。該區(qū)域下墊面主要為礫石和砂礫。土壤發(fā)育微弱，石膏化過程和積鹽過程突出，表層具極不穩(wěn)定的孔狀結(jié)皮，其下為棕紅色緊實層及石膏層，其下的心土層為石膏結(jié)晶層，土壤發(fā)育為石膏棕色荒漠土。植被覆蓋稀疏，蓋度不足10%，屬于暖性干旱極干旱戈壁區(qū)[22]。紅柳河年平均氣溫為6.1℃，極端最高氣溫40.6℃，最低氣溫-35.1℃，年平均降水量為50.9 mm[23]。

1.2 資料與方法

本文數(shù)據(jù)來自中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所2016年5月在新疆與甘肅交界的紅柳河地區(qū)建設(shè)的戈壁下墊面陸氣相互作用觀測站（94°43.8′E，41°32′N，海拔 1579 m）和紅柳河國家基本觀測站。紅柳河戈壁陸氣相互作用觀測站由35 m梯度探測系統(tǒng)、渦動相關(guān)系統(tǒng)和基于地面輻射基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)BSRN（Baseline Surface Radiation Network）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的基準(zhǔn)輻射觀測系統(tǒng)組成。地表基準(zhǔn)輻射觀測系統(tǒng)由大氣短波輻射儀、地面短波輻射儀、大氣長波輻射儀、地面長波輻射儀、散射輻射儀、太陽直接輻射儀、太陽自動跟蹤器、日照計、雙波段紫外輻射儀和光合有效輻射儀組成（表1）。數(shù)據(jù)采集器采用美國Campbell公司的CR6系列，采集頻率為1 Hz，并輸出 1 s、10 s、1 min、30 min 和 1 h 不同時間步長的平均數(shù)據(jù)。

表1 紅柳河基準(zhǔn)輻射觀測系統(tǒng)儀器參數(shù)

為了研究不同天氣情況下的紫外輻射，利用紅柳河國家基本氣象站人工觀測的天氣現(xiàn)象記錄，對晴天、少云、多云、陰天和雨天數(shù)據(jù)進行分類[22]。使用地表基準(zhǔn)輻射觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對不同天氣條件下的紫外輻射變化特征進行了分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外輻射UVA和UVB的日變化

由圖1可以看出紫外輻射UVA和UVB4個季節(jié)的平均日變化大致呈單峰分布，早晚小，中午大，最大值均出現(xiàn)在正午12時。10—14時大氣質(zhì)量相對穩(wěn)定，紫外輻射隨著太陽高度角的變化小，對應(yīng)這段曲線變化較平緩。另外，7月的紫外輻射的變化幅度明顯高于其他季節(jié)，這是由于在7月，太陽高度角最大。而1月太陽高度角最小，春季次之。

2.2 紫外輻射UVA和UVB的季節(jié)變化

圖2顯示了紫外輻射UVA和UVB的四季（用1、4、7、10 月分別代表春、夏、秋、冬 4 個季節(jié)）日曝輻量變化。從圖中可以看出，紫外輻射總體呈現(xiàn)夏季最高，冬季最低，春季高于秋季的趨勢。這是同太陽高度角隨季節(jié)的變化相適應(yīng)的，在夏季，太陽高度角大，紫外輻射到達(dá)地表所要經(jīng)歷的光程較短，被吸收而散失的量較少。而冬季，太陽高度較小，紫外輻射到達(dá)地面所要經(jīng)歷的光程就比較長，會有較多的吸收，因此強度和輻射量變小[27]。

圖1 UVA和UVB輻照度月平均日變化

圖2 各季節(jié)紫外輻射的日曝輻量均值

另外，從圖中可以看出，各季節(jié)逐日紫外輻射UVA和UVB變動的離散度在夏季最大，冬季最小，春季大于秋季。這是由于云量影響所致。比如，在春季，紫外輻射UVA與UVB日曝輻量的變化相位基本相同，UVA在8日以及18日出現(xiàn)了低谷，達(dá)到了 0.62、0.60 MJ·m-2，根據(jù)天氣記錄數(shù)據(jù)得知，8日和18日這兩天的日平均總云量達(dá)到了10成，相比日平均總云量為0成的21日，紫外輻射UVA相差了 1.13 MJ·m-2。 同樣，UVB變化情況也隨之相同，在8日和18日分別出現(xiàn)了低谷現(xiàn)象?？梢娒刻斓脑茮r不同是造成這種差距的主要原因。在有云的天氣條件下，云量的多少在很大程度上造成了紫外輻射不同程度的增減，云層越厚，太陽紫外輻射大部分就會被云層吸收，達(dá)到地表的紫外輻射就會越弱。

2.3 紫外輻射UVA和UVB的年變化

由圖3可知，在紅柳河地區(qū)紫外輻射UVA和UVB變化位相基本相同，大體呈現(xiàn)倒“U”型分布，呈現(xiàn)出夏高冬低的趨勢，紫外輻射UVA月曝輻量最大值在5月，為53.67 MJ·m-2，遠(yuǎn)高于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區(qū)，最大值在 7月，為 38.03 MJ·m-2[24]，這主要是由于5月塔中地區(qū)沙塵頻發(fā)，沙塵削弱了到達(dá)地面的紫外輻射。紫外輻射UVB月曝輻量最大值在7月，為1.27 MJ·m-2，與塔克拉瑪干沙漠腹地大致相同，其最大值也是出現(xiàn)在7月，為1.24 MJ·m-2[27]。紫外輻射UVA、UVB月曝輻量最小值均出現(xiàn)在12月，分別為 14.92、0.18 MJ·m-2。 在 5—8 月，UVB的值相差比較接近，為0.06 MJ·m-2。 紫外輻射UVA、UVB的年曝輻量分別為 400.31、8.63 MJ·m-2。

圖3 紫外輻射UVA和UVB曝輻量的年變化

2.4 紫外輻射和總輻射的關(guān)系

2.4.1 紫外輻射在總輻射中所占的比例

表2給出了2017年1—12月的紫外輻射和總輻射的月平均日總量和各月的紫外輻射在總輻射中所占的比例的變化情況。從表中可以看出，紅柳河地區(qū)的紫外輻射的年變化和總輻射的年變化位相基本相同，最小值都出現(xiàn)在12月，分別為0.49、8.30 MJ·m-2，最大值也都出現(xiàn)在 5 月，分別為1.73 MJ·m-2和 26.11 MJ·m-2。紫外輻射在總輻射中所占的比例的年變化也呈現(xiàn)出夏季多、冬季少的特點。最大值出現(xiàn)在7月，為6.97%，最小值出現(xiàn)在11月，為5.86%，紅柳河地區(qū)紫外輻射占太陽總輻射比例的平均值為6.53%，而世界各地的紫外輻射占太陽總輻射的比值為4.6%～5.9%，平均為5.4%[28]。其瞬時最大值出現(xiàn)在6月，為73.22 W·m-2，最小值出現(xiàn)在12月，為29.61 W·m-2。

表2 紫外輻射和總輻射月平均日總量及其比例的變化

2.4.2 典型天氣下紫外輻射在總輻射中所占的比例的日變化

根據(jù)天氣記錄數(shù)據(jù)選取了6種典型天氣，即晴天（5月26日）、多云（6月7日）、陰天（4月23日）、揚沙（3月22日）、霧（2月22日）以及降雨（7月1日）。根據(jù)6 d的典型天氣數(shù)據(jù)，分析不同天氣下紫外輻射占總輻射比例日變化（圖4），得出以下結(jié)論：

紫外輻射在總輻射中所占的比例在不同的天氣條件下其變化幅度的情況也不盡相同，最大值或最小值基本上會出現(xiàn)在早晨或傍晚，此段時間內(nèi)，太陽高度較低，總輻射值較小，導(dǎo)致紫外輻射所占比例增高。紫外輻射在總輻射中所占的比例呈：雨天>霧天>揚沙天>陰天>云天>晴天，即在太陽高度角一定的條件下，降水、揚沙和云量對總輻射均有削弱作用，但對紫外輻射的削弱能力不大，說明云雨條件下太陽輻射的削弱因子對不同波長段的作用有差異。在晴天、陰天其變化幅度最小，除去晴天的傍晚時分，其余時刻其變化幅度都比較平緩，但在有霧或者降雨天氣條件下，其變化波動最大，其中在降雨天氣下，紫外輻射在總輻射中所占的比例最大值和最小值相差最大，為9.81%。在陰天天氣條件下，紫外輻射在總輻射中所占比例的最大值和最小值相差最小，為1.08%。紫外輻射在總輻射中所占比例的最大值出現(xiàn)在降雨天氣為15.17%，最小值出現(xiàn)在揚沙天氣為4.45%。可見，隨著云量的增多，紫外輻射在總輻射中的比例就會增大，相反，隨著沙塵的增多，比值就會減小。

2.5 典型天氣下紫外輻射UVA和UVB的變化特征

根據(jù)6種典型天氣下的紫外輻射UVA和UVB數(shù)據(jù)分別做出了日變化趨勢圖（圖5）。在晴天天氣下，無論是UVA還是UVB輻射都呈現(xiàn)正態(tài)分布，即中午高，早晚低，均在中午12時出現(xiàn)最大值，分別為66.89、2.89 W·m-2。這是由于中午太陽高度角最大，所以地面所獲得的紫外輻射相應(yīng)增加，相反早晚太陽高度角較小，所獲得的紫外輻射也會相應(yīng)變?。辉诙嘣铺鞖庀?，紫外輻射UVA和UVB都發(fā)生較大的波動，在這一天日平均總云量達(dá)到了7成，UVA波段在9—11時出現(xiàn)低谷，最后又逐漸增加，到13時達(dá)到最大值，為70.61 W·m-2，隨后開始呈現(xiàn)下降趨勢，其UVB波段也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，9—11時呈現(xiàn)緩慢的增長趨勢，13時達(dá)到最大值為2.00 W·m-2，隨后開始呈現(xiàn)遞減趨勢?？梢娫屏繉ψ贤廨椛湟灿幸欢ǖ挠绊懀辉陉幪焯鞖庀?，紫外輻射UVA和UVB也有一定的波動，在這一天，日平均總云量達(dá)到了9成，UVA和UVB波段都在12時出現(xiàn)了最大值分別為57.57、1.69 W·m-2。和晴天天氣下UVA和UVB的最大值相差了9.32、1.2 W·m-2。這是由于云量多，云層厚，到達(dá)地面的紫外輻射有一部分被大氣層中反射，所以到達(dá)地面的紫外輻射相比晴天來說就會變少；在揚沙天氣下，紫外輻射UVA和UVB上下變化幅度都開始變小。

紫外輻射UVA在11時出現(xiàn)最大值，為39.57 W·m-2，11時之后急劇衰減，根據(jù)天氣記錄數(shù)據(jù)得知，11：14—12：34 出現(xiàn)了揚沙，同時伴有大風(fēng)，揚沙出現(xiàn)的時段其UVA和UVB值分別只有晴天相應(yīng)時段的38.68%和19.38%；在霧天，紫外輻射的最大值比晴天小，UVA最大值在12時，為39.07 W·m-2。UVB波段的變化較大，最大值在12時為0.79 W·m-2。起霧的時刻（8：12—9：28，9：45—9：57，10：18—10：24）紫外輻射值也比較低，UVA和UVB的變化幅度也相對較小，這是由于在有霧時，一些紫外輻射會隨著空氣中的顆粒、塵埃發(fā)生折射散射現(xiàn)象，導(dǎo)致到達(dá)地面的紫外輻射變少；在降雨天氣條件下，紫外輻射UVA和UVB變化幅度都比較小，最大值也僅為24、0.76 W·m-2。這與晴天天氣條件下相應(yīng)時刻的值相差了42.89、2.13 W·m-2。這說明降雨天氣對太陽紫外輻射有一定的衰減作用，云量多，達(dá)到地面的紫外輻射就會隨之減少。

2.6 與其他地區(qū)的比較

為確定紅柳河站點紫外輻射的有效性和獨特性，與塔克拉瑪干沙漠塔中地區(qū)、黑河綠洲區(qū)、五道梁地區(qū)以及太湖流域這4個不同下墊面的地區(qū)進行了比較，其結(jié)果見表3。

圖4 不同天氣條件下紫外輻射占總輻射比例的日變化

從表3中可以看出，紅柳河戈壁下墊面與塔中沙漠下墊面、黑河綠洲下墊面、五道梁高原下墊面以及太湖平原下墊面的紫外輻射相比有較大的區(qū)別。紅柳河地區(qū)的紫外輻射月平均日總量最大值和最小值分別出現(xiàn)在5月和1月，不同于其他地區(qū)出現(xiàn)在7月和12月。年平均值紅柳河地區(qū)也明顯高于其他地區(qū)，達(dá)到了1.24 MJ·m-2。另外，紅柳河戈壁紫外輻射年均值占總輻射年均值之比也明顯高于其他地區(qū)。這是由于紅柳河地區(qū)地處戈壁，下墊面植被稀少，加上海拔高度相對較高，云層薄，太陽輻射中到達(dá)地面的紫外輻射就會多。

表3 紅柳河站與其他地區(qū)紫外輻射曝幅量/（MJ·m-2）的比較

3 結(jié)論

通過分析2017年紫外輻射UVA和UVB不同時間尺度以及典型天氣條件下的變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）紫外輻射UVA和UVB平均日變化成單峰分布，4個季節(jié)的最大值均出現(xiàn)在12時。7月太陽高度角最大，其紫外輻射的變化幅度最大。相反，1月的紫外輻射變化幅度最小。可見，太陽高度角的大小也對紫外輻射有重要的影響。UVA、UVB最大瞬時輻照度為67.97、2.15 W·m-2，日均最大曝輻量為2.09、0.05 MJ·m-2。

（2）紫外輻射UVA和UVB的季節(jié)變化呈夏季最高，冬季最低，春季高于秋季的趨勢，這是由于太陽高度角的原因所致。其波動的離散程度也呈現(xiàn)出相同的變化特點，這和云量的多少有關(guān)。

（3）紫外輻射UVA和UVB的年變化的位相基本相同，大致呈倒“U”型。總體趨勢為夏季高，冬季低。兩者的年曝輻量分別為 400.31、8.63 MJ·m-2。

（4）紫外輻射在總輻射中所占的比例的月變化呈現(xiàn)夏季高、冬季低的特點。在晴天和陰天條件下，其日變化幅度最小，在降雨條件下，變化幅度最大。

（5）紫外輻射UVA和UVB，在晴天呈正態(tài)型分布，總體變化幅度較大，其輻射量也比較大。而在其他天氣，其變化會隨著某一時刻的天氣變化而變化，特別是在降雨天氣條件下，其變化幅度最小，輻射量也比較小。

圖5 典型天氣條件下紫外輻射UVA和UVB輻照度的日變化

（6）紅柳河戈壁下墊面的太陽紫外輻射月平均值、年平均值以及紫外輻射年均值占總輻射年均值的比例都明顯高于其他地區(qū)。