拉薩市紫外線輻射強(qiáng)度指數(shù)變化特征分析

＊閆睿 黃磊 魯同所* 旦增克珠 四郎措姆 洛桑卓嘎

（1.西藏大學(xué)理學(xué)院物理系 西藏 850000 2.拉薩市氣象局 西藏 850000）

紫外線，簡(jiǎn)稱UV，是指波長(zhǎng)在100-400nm之間，能量很高的一種光線。適量的紫外線有殺菌消毒、誘導(dǎo)皮膚產(chǎn)生維生素D的功能，但過量的紫外線卻是名副其實(shí)的“看不見的殺手”。主要表現(xiàn)在：（1）紫外線可以穿過真皮層，直接引起皮膚損傷；（2）紫外線可以造成細(xì)胞DNA的損傷，引起細(xì)胞基因突變，進(jìn)而誘發(fā)皮膚癌的產(chǎn)生；（3）紫外線可以被眼睛中晶狀體吸收，損傷晶狀體細(xì)胞DNA，導(dǎo)致晶體混濁，引發(fā)白內(nèi)障[1]。

青藏高原是我國公認(rèn)的紫外線輻射強(qiáng)度最高的地區(qū)，由于海拔高，大氣層低、空氣稀薄，大氣中可以吸收紫外線的水蒸氣、二氧化碳、塵埃、氣溶膠等物質(zhì)大幅度減少，以致高原地區(qū)紫外線與平原最多可相差6倍[2]；此外由于這里緯度較低，太陽高度角偏大，高海拔又使得大氣稀薄而潔凈，太陽輻射在大氣中的損耗較少，導(dǎo)致日照時(shí)間長(zhǎng)，也意味著每日紫外線輻照總量隨之增加。如果防范措施不到位，會(huì)產(chǎn)生機(jī)體損傷，如皮膚出現(xiàn)紅腫紅斑、水泡等癥狀，這也是白內(nèi)障、皮膚癌等在高原地區(qū)頻發(fā)的原因。作為高原最具代表性的城市拉薩，不僅是西藏自治區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、教育、文化和宗教中心，而且因?yàn)樨S富的旅游資源而廣為人知，每年到拉薩觀光的游客較多，大部分對(duì)紫外線的防護(hù)意識(shí)淡薄，防護(hù)措施不健全，極易成為紫外線誘發(fā)相關(guān)疾病的高危人群。

本文主要通過拉薩市采集到的2018-2019年的紫外線輻射相關(guān)數(shù)據(jù)，研究分析近兩年拉薩市紫外線強(qiáng)度的變化特征，著重討論了影響紫外線強(qiáng)度的因素，并簡(jiǎn)要介紹了紫外線的作用及危害程度，且有針對(duì)性地給出一些具體的防護(hù)建議，降低居民和游客不必要的心理負(fù)擔(dān)，促進(jìn)西藏旅游業(yè)健康而長(zhǎng)久的發(fā)展。

表1 紫外線輻射等級(jí)劃分

1.測(cè)量?jī)x器介紹和數(shù)據(jù)插值處理

(1)測(cè)量?jī)x器介紹

為詳細(xì)描述紫外線的變化特征，需要長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè)和與其他影響因素如總輻射強(qiáng)度、日照時(shí)長(zhǎng)、太陽高度角、云層狀況等進(jìn)行聯(lián)合分析。本文所采用的資料均來自拉薩國家氣象站2018-2019年在西藏自治區(qū)拉薩市林廓北路2號(hào)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。紫外輻射表采用荷蘭Kipp&Zonen寬波紫外輻射傳感器CUV5，光譜波長(zhǎng)：280～400nm，輸出范圍：0～400W/m2，靈敏度：300～500μV/W/m2，響應(yīng)時(shí)間：＜1s。總輻射表采用TBQ-2-B型總輻射表，光譜測(cè)量范圍為0.28～3.0μm，輸出范圍0～2000W/m2，電阻約219Ω，靈敏度1288μV/W/m2，響應(yīng)時(shí)間16s。本文中紫外線輻照度是指在單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的紫外線輻射能，即觀測(cè)到的瞬時(shí)值，單位為W/m2。

(2)數(shù)據(jù)插值處理

由于觀測(cè)儀器及相關(guān)硬件的不穩(wěn)定等因素，在這24個(gè)月中一共有46天的紫外線數(shù)據(jù)資料缺測(cè)或部分缺測(cè)。為減少訂正誤差，在本文中涉及到紫外線變化趨勢(shì)以及紫外線強(qiáng)度級(jí)別統(tǒng)計(jì)分析的圖表，缺測(cè)資料均根據(jù)歷年同期時(shí)段相同天空狀況下的平均紫外線強(qiáng)度級(jí)別進(jìn)行了臨近插值處理。

2.紫外線強(qiáng)度變化特征

紫外線和總輻射強(qiáng)度變化特征分析：

紫外線輻射強(qiáng)度和總輻射強(qiáng)度均取自2018-2019年每日紫外線強(qiáng)度和總輻照強(qiáng)度的最大值。盡管每天的觀測(cè)結(jié)果都因?yàn)槭艿街T如溫度、濕度、氣溶膠等各種因素的影響而有所差異，但整體來看，各月份太陽總輻射和紫外輻射的變化趨勢(shì)和規(guī)律都呈現(xiàn)出相對(duì)一致的特征。從圖中可以看出，每年的紫外線和總輻射變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的單峰型。即夏秋大，春冬小。夏季總輻射瞬時(shí)值和紫外線日最高瞬時(shí)值可達(dá)160.5W/m2（2019-07-15）和66W/m2（2019-07-15），紫外線2年內(nèi)太陽總輻射日累計(jì)值10～40MJ/m2之間，遠(yuǎn)高于我國大部分城市[3]。一方面青藏高原海拔高度較高，到達(dá)地面的紫外線強(qiáng)度大。再者因?yàn)榭諝庀”?，大氣中可以吸收紫外線的水蒸氣、二氧化碳、塵埃、氣溶膠等物質(zhì)大幅度減少，所以太陽輻射瞬時(shí)值較大。另一方面，青藏高原的日照時(shí)間較長(zhǎng)，2018-2019兩年中平均每個(gè)月的日照時(shí)長(zhǎng)高達(dá)247h左右，這就造成太陽輻射日累積量較高的結(jié)果。拉薩旱、雨季明顯。每年6-9月進(jìn)入雨季[4]，此時(shí)因?yàn)闅庀鬆顩r波動(dòng)較大，紫外線與總輻射之間變化波動(dòng)比其他月份都更劇烈。

圖1 2018-2019年拉薩紫外線幅度與總幅度的變化趨勢(shì)

3.紫外線與太陽高度角的特征分析

圖2為2018年春分（2018-03-21），夏至（2018-06-21），秋分（2018-09-23），冬至（2018-12-22）左右的紫外線幅度隨太陽高度角的變化曲線。從圖中可以看出，相對(duì)于其它三個(gè)日期，2018年12月23日的紫外線幅度變化更為平緩，且與太陽高度角的變化趨勢(shì)也更為相近。這是因?yàn)殡S著秋分的開始，雨季進(jìn)入了尾聲。晴朗少云的天氣替代了云雨天氣。與之相對(duì)的，太陽高度角替代了在雨季中影響天氣狀況的其它因素，成為此時(shí)影響紫外線幅度的主要因素[5]，于是紫外線幅度的變化特征也逐漸趨近于太陽高度角的變化特征了。

圖2 紫外線幅度與太陽高度角的變化趨勢(shì)

4.紫外線輻照度最大值及出現(xiàn)時(shí)間

圖3 紫外線輻照度最大值及出現(xiàn)時(shí)間

紫外線輻照度日最大值取自輻照度分鐘數(shù)據(jù)，若有不同時(shí)刻輻照度最大值相同，輻照度最大值取第一次出現(xiàn)的時(shí)間。2018-2019年絕大多數(shù)的紫外線輻照值大于30W/m2，最高達(dá)66W/m2，日最大紫外線幅度小于15W/m2，僅有2d。日最大值出現(xiàn)時(shí)間主要集中在12：00-14：00（北京時(shí)間，下同）。在12：00之前出現(xiàn)的只有13d，在14：00之后出現(xiàn)的有30d。紫外線輻照數(shù)據(jù)絕大多數(shù)出現(xiàn)在8：00-17：00之間，而且16：00時(shí)刻的輻照值明顯高原8：00的輻照值，這些都跟青藏高原日出較晚，日落較晚的特殊高原氣候有關(guān)[6]。

5.紫外線與云層的特征分析

圖4（a）是2018年春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)中各選取一天晴空天氣的紫外線幅度變化。晴朗天氣下，紫外線的變化特征存在明顯的，大致相同的變化規(guī)律。晴空少云的天氣狀況下，紫外線的變化呈現(xiàn)為不完全規(guī)則的單峰型變化。紫外線幅度最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季。

圖4

圖4（b）是2018年3月3日（多云）和2018年3月6日（陰天）的紫外線幅度變化。有云狀況下，一天之中紫外線的變化規(guī)律也大致符合中間高，兩邊低的特征。但不同于晴空狀態(tài)下的變化曲線，陰天和多云天氣中有多個(gè)波谷和波峰。這是因?yàn)樵茖雍吞柕奈恢檬亲兓模茖诱谧√枙r(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷，云層打開時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰[7]。4圖（b）中的曲線與4圖（a）中2018年3月8日的曲線對(duì)比，陰天和多云天氣下，紫外線幅度的最大值急劇降低。可見，云層對(duì)于紫外線幅度的影響不可小覷。

由表2：2018-2019年各月與全年紫外線輻照等級(jí)所占百分率可知，2018-2019年全年出現(xiàn)1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)的頻率極低，4級(jí)，5級(jí)出現(xiàn)的頻率很高。出現(xiàn)5級(jí)以上的天數(shù)占到了全年天數(shù)的77%左右，4月、5月、6月、8月出現(xiàn)5級(jí)的天數(shù)甚至高達(dá)100%。這表明，拉薩戶外紫外線的輻照強(qiáng)度極高，在12：00-14：00左右外出時(shí)一定要做好防護(hù)措施，避免不必要的曬傷。

表2 2018-2019年各月與全年紫外線輻照等級(jí)所占百分率

6.結(jié)論

本研究通過對(duì)拉薩氣象站2018年1月1日-2019年12月31日的日輻射資料進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)探討了拉薩地區(qū)紫外線強(qiáng)度及其影響因素，主要得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）拉薩地區(qū)紫外線輻射極強(qiáng)，4月、5月、6月、8月的輻射最強(qiáng)，1月，12月的紫外線輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱；全年輻射等級(jí)5級(jí)出現(xiàn)頻率最高，1-3級(jí)基本不出現(xiàn)；紫外線輻射強(qiáng)度最大值可達(dá)66W/m2，日最大值主要集中在12：00-14：00（北京時(shí)間，下同）之間。

（2）紫外線輻照強(qiáng)度與總輻射強(qiáng)度有明顯的相關(guān)性，兩者變化趨勢(shì)高度相似；旱季，太陽高度角是影響紫外線輻照強(qiáng)度變化的主要因素。云層對(duì)紫外線輻射度的變化規(guī)律有顯著影響。

光波是原子中運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生的電磁輻射，各種物質(zhì)發(fā)射出來的光波因原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況不同而存在差異，光譜就是光中各個(gè)波長(zhǎng)成分的比例信息。共振線是原子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)所發(fā)射的譜線中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的一種，共振線對(duì)研究天體的化學(xué)組成及物理狀態(tài)有著非常重要的作用，而元素的共振線在紫外光區(qū)的分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可見光區(qū)。因此，通過觀測(cè)來自遙遠(yuǎn)星系的紫外線光譜和共振線，我們可以了解宇宙天體的化學(xué)成分，元素豐度以及恒星大氣參數(shù)等相關(guān)信息，進(jìn)而驗(yàn)證天文學(xué)中的相關(guān)理論以及還原天體演化的情景。著名的哈勃望遠(yuǎn)鏡就是探測(cè)紫外線的儀器。

地球的大氣層吸收了絕大多數(shù)來自宇宙中的紫外輻射，以致在天文領(lǐng)域，探測(cè)紫外線的儀器往往身在高空。作為我國大氣層最稀薄的的地區(qū)之一，青藏高原是少數(shù)有望不借助人造衛(wèi)星，在地面上直接觀測(cè)到來自宇宙中的紫外線的地區(qū)。研究青藏高原紫外線的變化規(guī)律，一定程度上也為我國天文事業(yè)的發(fā)展提供了相應(yīng)的借鑒和推動(dòng)作用。