新鄉市紫外線輻射規律及影響因子分析

張金平 孟祥翼 馬衛華 王 飛 張鳳洲 田春娜

摘要通過對新鄉市2005~2007年紫外線數據的分析,得出新鄉市紫外線輻射的日變化、季變化、逐時變化規律,即日變化波動較大,具有明顯的季節性;逐時變化曲線呈現單峰型,最大值出現在11~13時。影響紫外線輻射的氣象因子有云量、云狀、能見度、濕度等,其中云量和能見度對其影響較大,相關系數分別為-0.52和0.68。

關鍵詞紫外線輻射;氣象因子;相關系數;河南新鄉

中圖分類號P182.2+8文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0280-02

紫外線輻射(UVR)是指波長在可見光紫外端到X射線波長之間的電磁輻射,其波長范圍約在100～400nm,其能量僅占太陽輻射總能量的8%。紫外線輻射對人類的活動和健康有很大影響。適量的紫外線照射可以促進維生素的合成和抗佝僂病,而接受過量的紫外線輻射容易引起皮膚癌等疾病。近年來,人類活動造成了全球中高緯地區平流層臭氧減少,使得到達地球低層大氣和地表的太陽紫外輻射增加。因此,對當地紫外線輻射的分析對于準確預報紫外線指數有積極的指導作用。

1概述

1.1紫外線輻射

根據紫外線的不同波長所起的生物作用,可分為三部分:紫外線A段(UV-A),波長為320～400nm,該波段生物作用較弱,主要有色素沉著作用;紫外線B段(UV-B),波長為290～320nm,約占太陽輻射的1.5%,該波段對人體影響較大,具有抗佝僂病和產生紅斑作用,是引起皮膚癌、白內障、免疫系統能力下降的主要原因之一;紫外線C段(UV-C),波長在100～290nm,來自于太陽輻射的這段紫外線幾乎已被臭氧層大量吸收,基本上不能到達地面。

1.2紫外線指數

按照國際上通用的方法,UVR預報一般用紫外線指數(Ultraviolet Index)發布,也稱為“UVI”指數,是一個衡量某地正午前后到達地面的太陽光線中的紫外線輻射對人體皮膚、眼睛等組織和器官可能損傷程度的指標。紫外線指數一般用0～15的數字來表示。通常規定,夜間的紫外線指數為0,在熱帶高原地區晴天無云時的紫外線指數為15,中國氣象局將紫外線指數分為5級(見表1)。

1.3國內外預測預報現狀

加拿大是世界上第1個預報紫外線指數的國家。美國自1990年起在全國建立了由 50多個紫外線觀測站點組成的監測網絡,用來監測紫外線的變化情況和進行研究。日本的紫外線觀測網點由原來的幾十個增加到900多個,形成了十分密集的情報發布網絡。澳大利亞、新西蘭也是開展紫外線預報較早的國家。

在我國,中國科學院等單位已研制了紫外線輻射觀測儀器,用于開展高空和地面的紫外線觀測。近幾年,一些省市的氣象局已開始展開紫外線輻射量的觀測預報,2005年河南省建成省級太陽紫外線強度監測網。

2紫外線輻射變化分析

利用河南省2005年安裝紫外線監測儀器以來的數據進行紫外線輻射變化規律的分析。

2.1紫外線輻射的逐日變化

紫外線輻射跟太陽高度角有很大關系,所以輻射量具有明顯的年際變化。選取新鄉市2005年安裝紫外線監測儀以來每天所觀測到的紫外線輻射量(w/m2)逐日平均值作圖(圖1)?？梢钥闯?紫外線輻射有很明顯的季節性變化,不考慮云量、能見度等因素的影響,紫外線的輻射主要取決于太陽高度角的變化,5~8月紫外線值偏高,11月至翌年1月偏低。由資料可知紫外線輻射的最大值出現在2006年5月13日,日平均輻射值為112w/m2 ,5月13日的平均云量為0,能見度為20km。最大值的理論值應該出現在6月的夏至日,因為在其他條件相同的條件下紫外線輻射取決于太陽高度角,新鄉市的地理緯度為北緯34°53′~35°50′,處于北回歸線以北,在夏至日太陽高度角最大。但6~7月是新鄉市的多雨季節,天空平均云量大和空氣濕度大,對紫外線輻射的削弱作用較強;而5月的能見度較好并且濕度小,紫外線輻射較強。

2.2紫外線輻射的逐時變化

新鄉市紫外線輻射的日際波動比較大,特別是在天空少云的情況下,隨著云的移動使得該市一段時間處于晴空日照之下,從而出現UVI的最大值;另一段時間處于被云遮蔽的情況下,UVI值受云的影響被削弱。天空無云的情況下,紫外線輻射的日最大值一般出現在11~14時之間。

由于紫外線輻射的日值受云量、能見度、空氣中懸浮顆粒物的影響,故選取天空無云、能見度>15km的氣象條件下,并且均分于全年各個時刻的紫外線輻射值進行平均,觀察紫外線輻射值的逐時變化(圖2、圖3)。

從圖2可以看出,紫外線輻射逐時變化是一種單峰型曲線,在11~13時出現最大值,夏季的紫外線輻射明顯高于其他季節,說明紫外線輻射主要由太陽高度角決定。在全年平均紫外線輻射逐時變化圖中可看出,在中午12時以前有1個弱的低谷出現,分析原因:在夏季中午前后由于熱對流作用容易成云致雨,對紫外線的影響比較大,而云量觀測的時間分布在一天中的2 時、8時、14時、20時,如果云在2時之前消散,那么觀測就可能為無云,從而當作無云日選取來統計,使最后的結果出現誤差。從紫外線輻射四季逐時變化可看出,夏季紫外線輻射曲線跟全年紫外線輻射曲線的相似度很高,對全年輻射值的貢獻率最大。夏季紫外線輻射值明顯大于其他3個季節,春季和秋季早晨的輻射值相當,中午到下午春季輻射值高于秋季,能見度對輻射值有較大的影響。

3影響紫外線輻射的氣象因子

到達地面的紫外線輻射強度除了由太陽光的照射強度、地理位置、海拔高度、季節、時間等因素決定以外,還與平流層臭氧量、空氣污染程度和氣象要素等有著密切的關系。而在氣象要素中,就有高云量、中云量、低云量、總云量、空氣溫度、空氣濕度、大氣壓力、氣溶膠含量等許多因子影響著地面紫外線的照射強度,在其他一些因素不變或變化很小的情況下,紫外線的可能照射強度主要由氣象因子決定。新鄉市因其地理位置、海拔高度、平流層臭氧量是不變或近似不變的,對于某一天而言,除與季節、時間決定的日地距離、空氣污染狀況有關外,決定紫外線輻射強度的因素是當地的云量、云狀及能見度。

3.1云參數

云對紫外線的削弱作用比較明顯。在某些陰天情況下到達地面的紫外線輻射比晴空下減少30%左右,但是影響紫外線輻射強度的因素多而且復雜,即使是同一季節,同樣是云量為0、紫外線輻射量也有差異,有時差異還很大。選取總云量低、云量相同的日期統計發現,當能見度大于15km,相對濕度較小時,太陽總輻射量較大;反之,當能見度只有幾千米、相對濕度較大時,太陽總輻射量要小一些。有時候秋季和春季的紫外線輻射比夏季還要強,就是受云量和空氣中氣溶膠粒子的影響。

為了分析云量對紫外線輻射的影響,選取能見度大于15km、平均相對濕度60%以下的天數來分析云量和紫外線輻射的相關性,兩者的相關系數為-0.52。相關性不是很高,主要考慮云狀的影響。一般情況下中低云對紫外線的削弱比高云要強,新鄉市主要云系為高積云,蔽光高積云對紫外線輻射的削弱作用比較明顯。

3.2能見度

空氣中的氣溶膠粒子、空氣分子以及云雨滴是空氣能見度的主要貢獻因子,可以對輻射造成散射和衰減,中等厚度的氣溶膠層對紫外線輻射的衰減作用可達到20%左右,較厚的則達到30%。新鄉市空氣污染相對較弱,大氣中的污染物粒子較少,對能見度影響較小。影響新鄉市能見度的因素主要是冬春季節大霧出現的頻率較高,空氣中的過飽和水汽分子對太陽輻射的散射作用削弱了到達地面的紫外線輻射。另外,由于新鄉市地理位置靠北,在春秋季易受來自北方的冷空氣影響,大風會引起塵土飛揚,有時侯甚至會有沙塵暴出現,對能見度有較大影響。

不考慮云量的影響(選取平均總云量在3成以下的日期)來分析能見度與紫外線輻射的相關關系,相關系數為0.68,相關性較好,可以作為影響紫外線輻射的主要因子。

4結論

(1)全年紫外線輻射5~8月最強,夏季紫外線輻射對全年紫外線輻射的貢獻率最大

(2)一天中紫外線輻射的最大值出現在11~13時,曲線呈現單峰型,紫外線輻射主要由太陽高度角決定。

(3)影響紫外線輻射的氣象主要有云量、云狀、能見度、濕度等,其中云量和能見度對紫外線輻射影響最大,相關系數分別為-0.52和0.68。

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