?？谑凶贤饩€輻射特征分析及預(yù)報方法研究

魏曉雯 陳明 陳亮

（1 海南省氣象服務(wù)中心，海口 570203；2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?70203）

0 引言

海南島全年陽光充沛，長夏無冬，具有豐富的旅游資源。隨著海南國際旅游島建設(shè)的逐步推進(jìn)，特別是“全域旅游”戰(zhàn)略實施以來，海南旅游熱度穩(wěn)步提升，戶外旅行尤其是濱海項目備受國內(nèi)外游客青睞，而較強(qiáng)的紫外輻射是影響旅游體驗的重要因素，也威脅著人們的身體健康。提高對紫外輻射強(qiáng)度的精細(xì)化預(yù)報能力，如今已成為海南省全域旅游氣象服務(wù)的迫切需求。

關(guān)于紫外線強(qiáng)度的預(yù)報，目前主要有統(tǒng)計預(yù)報和輻射傳輸模型兩種方法。在統(tǒng)計預(yù)報方面，叢菁等利用大連市紫外線輻射強(qiáng)度與氣象要素的關(guān)系，建立了不同季節(jié)紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報方程。武輝芹根據(jù)中午時段的能見度、相對濕度、總云量、低云量、氣溫、風(fēng)速六個氣象因子，利用多元回歸分析方法得出紫外線等級預(yù)報方程。上述統(tǒng)計方法計算簡單，易于實現(xiàn)，但物理意義不夠明確。輻射傳輸模型主要是從紫外輻射穿過大氣層到達(dá)地表過程的物理機(jī)制出發(fā)，分析影響到達(dá)地表紫外輻射的主要因子，采取一系列算法進(jìn)行求解。遼寧省和陜西省基于大氣輻射傳輸?shù)奈锢頇C(jī)理建立了本地紫外線強(qiáng)度預(yù)報模型。郜婧婧等在此基礎(chǔ)上，利用云量和氣溶膠等要素對紫外線輻射傳輸模型進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了紫外線強(qiáng)度的預(yù)報準(zhǔn)確率。雖然輻射傳輸模型相對較為精確，但對計算機(jī)要求較高，且部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取較困難，因此在目前的紫外線預(yù)報業(yè)務(wù)中應(yīng)用較少。

本文從大氣輻射傳輸?shù)奈锢頇C(jī)理出發(fā)，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗統(tǒng)計方法相結(jié)合，建立一種物理意義明確、計算簡便且適用于海南本地的逐日和逐時紫外線強(qiáng)度預(yù)報方法，為海南省紫外線預(yù)報業(yè)務(wù)和全域旅游氣象服務(wù)提供參考。

1 資料和等級標(biāo)準(zhǔn)

所用的資料包括：1）海南省氣象臺提供的2015年1月—2019年9月?？谑凶贤廨椛鋽?shù)據(jù)，包括日平均紫外輻射強(qiáng)度和08—16時逐小時紫外輻射強(qiáng)度。需要說明的是，由于小時觀測資料缺失嚴(yán)重，質(zhì)量欠佳，小時數(shù)據(jù)僅選用質(zhì)量較好的2017年作為研究對象。2）國家氣象信息中心提供的2015年1月—2019年9月?？谑谐Ｒ?guī)氣象觀測數(shù)據(jù)，包括逐日和逐時的平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時降水量、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照、平均氣壓、平均水汽壓、平均濕度、總云量、低云量、最小水平能見度等。3）?？谑协h(huán)保局提供的2015—2018年?？谑协h(huán)境觀測數(shù)據(jù)，包括SO、NO、O、PM、PM的日平均值。

2 紫外線輻射強(qiáng)度特征分析

2.1 季節(jié)變化特征

從月平均值（圖1）來看，?？谑凶贤饩€輻射強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)變化，總體呈夏季高、冬季低的趨勢，這與太陽高度角變化趨勢相一致。紫外線輻射強(qiáng)度1月為全年最弱，從4月開始迅速增強(qiáng)，7月達(dá)到全年最強(qiáng)。7月的平均輻射強(qiáng)度為41.2 W/m，月輻射極值為82.1 W/m。值得注意的是，在8月，無論是月平均輻射值還是月輻射極值，均出現(xiàn)一個相對低值，這可能與8月從海南登錄的臺風(fēng)數(shù)較多有關(guān)。統(tǒng)計表明，每年8月從海南島北部沿海登陸的平均熱帶氣旋數(shù)為2個，占全年的66.7%。可見，紫外輻射除了受季節(jié)變化影響外，還與降水、云量、日照等氣象因素密切相關(guān)。

圖1 2015—2019年?？谥鹪缕骄贤饩€輻射強(qiáng)度曲線Fig. 1 Monthly averaged ultraviolet radiation intensity curve of Haikou from 2015 to 2019

在現(xiàn)行業(yè)務(wù)中，紫外線輻射強(qiáng)度統(tǒng)一被劃分為5個等級：到達(dá)地面的紫外線輻射強(qiáng)度＜5 W/m為1級，5～10 W/m為2級，10～15 W/m為3級，15～30 W/m為4級，≥30 W/m為5級。進(jìn)一步將紫外線輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成紫外線等級發(fā)現(xiàn)，12月和1月海口紫外線的月平均等級為2級，11月和2月的月平均等級為3級，3月、4月和10月平均等級為4級，其余月份均為5級。

2.2 日變化特征

從2017年?？谑写骸⑾?、秋、冬四個季節(jié)的紫外線輻射強(qiáng)度逐時均值（圖2）可以看出，四個季節(jié)紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時是紫外線輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的時段，外出應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，15時后紫外線輻射強(qiáng)度迅速下降。除秋季峰值出現(xiàn)在11時外，其余季節(jié)峰值均出現(xiàn)在12時前后。四季中，逐時紫外線輻射強(qiáng)度整體呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季＞冬季。

圖2 2017年四個季節(jié)的08—16時?？谑兄饡r平均紫外線輻射強(qiáng)度曲線Fig. 2 Hourly averaged ultraviolet radiation intensity curve of Haikou in 2017

3 不同紫外線等級的大氣環(huán)流背景

從大氣環(huán)流角度出發(fā)，探究不同紫外線等級下的大氣環(huán)流背景。圖3給出了1～5級紫外線分別對應(yīng)的大氣環(huán)流場?？傮w來看，從紫外線1～5級，大氣環(huán)流場表現(xiàn)出從冬季環(huán)流向夏季環(huán)流轉(zhuǎn)換的特征。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為1級和2級時，大氣環(huán)流表現(xiàn)出明顯的冬季環(huán)流特征：中高緯等位勢高度線密集，氣壓梯度較大，中國大陸受大陸冷高壓（反氣旋性環(huán)流）控制，海南島在偏東氣流影響下易出現(xiàn)低溫陰雨天氣。紫外線為3級時對應(yīng)的大氣環(huán)流場表現(xiàn)出冬夏季節(jié)轉(zhuǎn)換特征，大陸冷高壓減弱，500 hPa西太平洋副熱帶高壓（副高）緩慢北抬。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為4級和5級時，大氣背景場已具備明顯的夏季環(huán)流特征：中高緯等位勢高度線稀疏，熱帶地區(qū)西南季風(fēng)開始建立，副高西伸北抬，海南島受南到西南氣流控制，易出現(xiàn)晴熱高溫天氣。

4 紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報方法

4.1 紫外線輻射強(qiáng)度與氣象環(huán)境要素的相關(guān)性分析

圖3 不同紫外線等級對應(yīng)的大氣環(huán)流場（圖3a～3e分別對應(yīng)紫外線1～5級；等值線表示500 hPa位勢高度，單位：dagpm；箭頭表示850 hPa風(fēng)速，單位：m/s）Fig. 3 Atmospheric circulation fields corresponding to different ultraviolet levels(Fig. 3 a-3e correspond to ultraviolet levels 1-5 respectively, the contour represents the potential height of 500 hPa, unit:dagpm, the arrow represents wind speed on 850 hPa, unit: m/s )

為了建立海口市紫外輻線射強(qiáng)度預(yù)報模型，在了解大氣環(huán)流背景的前提下，進(jìn)一步對紫外線輻射強(qiáng)度與氣象條件的相關(guān)性進(jìn)行分析。選取日平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時降水量、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照時間、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對濕度、最小水平能見度等作為常規(guī)氣象要素指標(biāo)，與紫外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。另外，由于大氣環(huán)境因素對紫外線輻射也有一定程度的影響，選取日平均SO、NO、O、PM和PM等作為環(huán)境要素指標(biāo)與紫外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。為了在相關(guān)分析時消除其他變量的影響，判斷某個特定要素與紫外線輻射強(qiáng)度的關(guān)系，相關(guān)分析中采用偏相關(guān)系數(shù)。

r

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表1 紫外線輻射強(qiáng)度與氣象環(huán)境因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 1 Partial correlation coefficient between ultraviolet radiation intensity and meteorological environment factors

4.2 逐日紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報模型

選取2015—2017年日平均紫外線輻射強(qiáng)度作為樣本數(shù)據(jù)（2018—2019年9月資料作為檢驗數(shù)據(jù)），建立逐日紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報模型。根據(jù)大氣輻射傳輸理論，到達(dá)地表的紫外線輻射強(qiáng)度與太陽總輻射在某個地區(qū)的比值較為固定，紫外線輻射強(qiáng)度可用如下公式表示：

Q

Q

η

Q

a

Q

S

θ

φ

φ

φ≈

δ

Q

Q

A

A

α

A

T

CCL

P

Vis

V

RH

A

4.3 預(yù)報效果檢驗

將2018年1月—2019年9月紫外線實況觀測資料與預(yù)報模型計算出的紫外線預(yù)報值求相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.87，遠(yuǎn)超過0.01的顯著性水平檢驗，表明預(yù)測模型較為可靠；進(jìn)一步將紫外線輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為紫外線等級進(jìn)行檢驗，結(jié)果顯示，預(yù)測等級正確的占63.7%，相差1級的占28.4%，相差2級的比例為4.3%，其余占3.6%。其中預(yù)測正確及相差1級的比例占總數(shù)的92.1%，表明預(yù)測結(jié)果較為理想，可在業(yè)務(wù)中使用。

圖4 2018年1月—2019年9月預(yù)報紫外線等級中各實際等級的比例Fig. 4 Percentage of actual ultraviolet levels accounting for the predicted ultraviolet levels from January 2018 to September 2019

為進(jìn)一步分析誤差來源，提高預(yù)報準(zhǔn)確率，圖4給出了2018年1月—2019年9月紫外線預(yù)測等級中實際各等級所占的百分比。當(dāng)預(yù)測紫外線為1級時，68.2%的實況等級為1級，即準(zhǔn)確率為68.2%；預(yù)測等級為4級時，準(zhǔn)確率為67.3%；預(yù)測等級為5級時，準(zhǔn)確率為80.6%。可見模型預(yù)報出1級、4級和5級時可信度較高，無需做調(diào)整。但當(dāng)模型預(yù)報為2級時，有55.6%的實況等級為1級，而2級的預(yù)測準(zhǔn)確率僅為28.6%，預(yù)測等級往往偏高；當(dāng)模型預(yù)報為3級時，預(yù)報的不確定性較大，實際紫外線等級為1、2、3、4級的情況均有可能出現(xiàn)。因此該預(yù)報模型在業(yè)務(wù)應(yīng)用中，若紫外線預(yù)測等級為2、3級，應(yīng)根據(jù)前一天實況酌情考慮訂正紫外線強(qiáng)度等級。

4.4 逐時紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報方法和檢驗

A

A

A

A

T

T

Vis

V

A

對回歸方程的預(yù)測效果進(jìn)行檢驗，逐時紫外線等級預(yù)測正確的占45.1%，相差1級的占40.1%，相差2級的占11.0%，其余占3.8%。其中預(yù)測正確及相差1級的比例占全年的85.2%。雖然與逐日紫外線等級預(yù)報準(zhǔn)確率相比略有下降，但填補(bǔ)了海南省逐時紫外線強(qiáng)度預(yù)報的空白，對于海南省精細(xì)化旅游氣象服務(wù)具有較好的實用價值。

5 結(jié)論和討論

在分析?？谑凶贤饩€輻射強(qiáng)度大氣環(huán)流背景及其氣象、環(huán)境要素相關(guān)性的基礎(chǔ)上，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗統(tǒng)計方法相結(jié)合，建立了海口市紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報方法。主要得到以下結(jié)論：

1）海口市紫外線輻射強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)變化特征和日變化特征，季節(jié)變化總體呈夏季高、冬季低的趨勢。四個季節(jié)紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時是紫外線輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的時段。

2）從大氣輻射傳輸理論出發(fā)，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗統(tǒng)計方法相結(jié)合，建立了?？谑兄鹑蘸椭饡r紫外線輻射強(qiáng)度的預(yù)報模型。對2018年1月—2019年9月逐日紫外線輻射強(qiáng)度的預(yù)報試驗表明，預(yù)測等級正確的占63.7%，相差1級的占28.4%，預(yù)測結(jié)果較為理想；對于逐時紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報模型，2017年逐時紫外線等級預(yù)測正確的占45.1%，相差1級的占40.1%，有效填補(bǔ)了海南省逐時紫外線強(qiáng)度預(yù)報的空白。

由于紫外線觀測資料的限制，本文僅針對?？诘貐^(qū)紫外線輻射的分布規(guī)律和預(yù)報方法進(jìn)行了初步探索。未來隨著紫外線觀測站點的增加以及紫外線輻射觀測資料的不斷完善，預(yù)報方法將進(jìn)一步完善，精細(xì)化程度將得到進(jìn)一步提高。