廣州地區紫外輻射特征和模式對比分析

蔣承霖,吳 兌,譚浩波,鄧雪嬌,李 菲,范紹佳 (1.廣東省氣候中心,廣東 廣州 510080；.中山大學環境科學與工程學院,廣東 廣州 51075；.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)

廣州地區紫外輻射特征和模式對比分析

蔣承霖1,2,吳 兌2,3*,譚浩波3,鄧雪嬌3,李 菲3,范紹佳2(1.廣東省氣候中心,廣東 廣州 510080；2.中山大學環境科學與工程學院,廣東 廣州 510275；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)

根據中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的紫外觀測數據,研究了廣州的紫外輻射季節變化,結果表明,2005年和 2006年廣州各月份紫外輻射強度的極值的最大值都出現在7月,2006年的達到了55.48W/㎡,極值的最小值也都出現在1月,2005年最小只有23.17W/㎡.利用NCAR(美國大氣研究中心)的TUV模式,模擬研究了2005年11月16～29日一次從清潔到灰霾過程的典型個例,模擬的結果與實際觀測基本一致,模式研究表明,在污染較輕時,TUV模式能夠很好的模擬晴天紫外輻射的日變化,模式與實測之間有約7%～15%的誤差. 隨著污染的加劇,模式的偏差也變大.氣溶膠對紫外輻射的影響相當大,在氣溶膠污染嚴重時可使紫外輻射降低40%,氣溶膠對紫外輻射的短波譜也有較大的影響,隨著污染的加重,對紫外輻射的短波衰減會加強.

紫外輻射；氣溶膠；TUV模式；衰減；廣州

紫外(UV)輻射在太陽輻射光譜中的譜區范圍是 100～400nm,其能量僅占太陽輻射總量的8%,按照不同波長的紫外線所起的生物作用,可分為三部分:紫外線 A段(UV-A),波長 320～400nm,約占太陽輻射總量的 6%;紫外線 B段(UV-B),波長 290～320nm,約占太陽輻射總量的1.5%;紫外線C段(UV-C),波長100～290nm,約占太陽輻射總量的0.5%,幾乎完全被臭氧層吸收而不能到達地面[1-2].紫外輻射對生物體有著各種生物效應,對人體的胃腸道、循環系統、代謝系統、內分泌、神經系統都有影響[3-4].紫外輻射能夠驅動大氣光化學反應,形成中間產物臭氧,會強烈刺激人的呼吸道.隨著經濟的發展,城市車輛增多的同時,也導致了排放的增加,為光化學反應的發生提供了充足的前體物,臭氧也逐漸變成了低層大氣的主要污染物之一[5].

氣溶膠對氣候有著復雜的影響.氣溶膠顆粒物懸浮在空氣中,成云至雨時可充當凝結核,污染加劇使得大氣中凝結核增多,云滴的數量增加、體積減小,直接導致了云生命周期的延長,云對太陽輻射有著很強的反射能力,云的增加會導致到達地面的太陽輻射減小,從而影響全球氣候[6-7].另一方面,氣溶膠中含有一些成分對光有很強的散射,會使到達地面的輻射減少,形成“涼傘效應”;還有一部分氣溶膠由于吸收了輻射,溫度升高,會對周圍的空氣加熱產生輻射強迫作用,與溫室氣體相比,氣溶膠的輻射強迫要復雜得多[8-12].

廣州位于我國南方,廣東省中南部,地處珠江三角洲腹地,毗鄰香港和澳門.廣州存在著嚴重的環境污染,市區經常會出現低能見度的天氣現象,灰霾天氣頻繁.而氣溶膠的污染治理又與紫外輻射存在著復雜的關系,如果氣溶膠的污染下降了,勢必導致紫外輻射的增強從而引起紫外光化速率的變化,而光化速率直接制約著光化學煙霧污染過程,因此需要進一步認識它們之間相互影響的本質因素.

到達地面的紫外輻射受到太陽高度角、云、氣溶膠、相對濕度、臭氧、氮氧化物、二氧化硫、有機物以及其它氣體等多種因素的影響,至今為止,對廣州地區的紫外輻射已有一些研究[2]分析了廣州地區紫外線輻射的氣候規律,但氣溶膠對紫外輻射的影響研究比較少,本文通過選取典型個例的方法,利用模式模擬一次從清潔到灰霾天氣的過程,旨在了解紫外輻射與氣溶膠之間的內在影響機制.

1 資料與方法

1.1 資料來源

紫外輻射的觀測用的是Eppley lab的紫外輻射表[13],型號是 TUVR,觀測的紫外波段是 295～ 385nm,觀測位置在廣東省氣象局頂樓天臺.觀測數據經過了質量控制.

主要氣溶膠觀測資料來自于中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所大氣成分觀測站番禺子站,包括氣溶膠的散射系數、吸收系數和光學厚度(AOD),測量儀器分別是黑碳儀(Magee Scientific Aethalometer AE-31-ER)、濁度計(Nephlometer M9003)和太陽光度計(Solar Light Microtop s II).由散射系數和吸收系數可計算得到單次散射反照率(SSA).計算公式如下:

式中:be表示消光系數,bs表示散射系數,ba表示吸收系數.

1.2 研究方法

采取統計的方法分析廣州地區 2005～2006年UV輻射的變化規律.

選取典型個例(晴天)研究氣溶膠對紫外輻射的影響,典型個例的背景氣象場采用矢量和分析方法,以描述污染物在一段時間內的積累.

運 用 TUV(Tropospheric Ultraviolet and Visible Radiation Model)模式模擬在不同濃度氣溶膠的影響下,紫外輻射及光化反應速率的變化.TUV輻射傳輸模式是美國國家大氣研究中心(NCAR)研究開發的計算對流層紫外線與部分可見光輻射的模式,模式波長取值范圍121～735nm,不僅可以計算紫外線輻射的生物影響和紫外輻照度,還可以計算光化學輻射通量、分子光解速率等,模式采用2流或4流方案求解輻射傳輸方程,并計算 73個光化學反應的光解速率系數[14].模式在輻射計算、化學模式、生態研究等方面已得到廣泛的應用[15-16].

2 典型個例TUV模式分析

2.1 2005年～2006年紫外輻射分析

2.1.1 紫外輻射月總量的變化 從圖 1可以看出,2005年和2006年的月總量最大值都出現在7月,分別為19.8,20.2MJ/m2. 2005年的最小值出現在2月,為4.5MJ/m2,2006年的最小值出現在3月,為7.4MJ/m2.從季節變化來看,廣州的紫外輻射夏季明顯高于其他季節,是由于太陽高度角是影響輻射變化的首要因子,盛夏是紫外輻射照射最強的季節,冬季的太陽高度角最小,因此紫外輻射最弱;春季和秋季的太陽高度角接近.而從圖2可以看出,3～5月份的月降水量明顯高于9～11月,春季廣州受連陰雨天氣的影響,到達地面的紫外輻射較弱.陳炳洪等[17]對廣州的紫外線季節變化的研究,結果與本研究基本一致.

圖1 2005、2006年廣州紫外輻射月總量變化Fig.1 Monthly variations of UV radiation quantum of Guangzhou in 2005 and 2006

圖2 2005、2006年廣州逐月降水量Fig.2 Monthly precipitation of recipitation of Guangzhou in 2005 and 2006

2.1.2 紫外輻射強度極值分析 從表 1可以看出,2年的極值最大值都出現在7月,2006年最大達到了55.48W/m2,6月和8月出現的極值只比7月略低,都超過了 55W/m2, 2005年最大是51.24W/m2,比2006年低.極值的最小值也都出現在1月,2005年最小只有23.17W/m2,2006年最小是32.22W/m2.

表1 2005、2006年廣州各月份紫外輻射強度極大值(W/m2)Table 1 The maximums of UV intensity at different calendar months of Guangzhou in 2005 and 2006 (W/m2)

2.2 典型個例模式驗證

圖3 2005年11月16～29日廣州的空氣污染指數和能見度變化Fig.3 API and visibility variations of Guangzhou from 16th to 29th of November, 2005

2.2.1 典型個例背景場分析 取2005年11月16日～29日在這段時間經歷了由一個清潔的過程慢慢積累逐漸惡化成一個污染過程,污染嚴重時的首要污染物是可吸入顆粒物,而且這段時間白天人工定時觀測的總云量大部分低于或等于2成,以晴天為主,有利于研究氣溶膠對UV輻射的影響效果.

圖 3中污染指數的變化可以看出,16～21日可作為一個清潔的過程,空氣質量相當好,污染指數都沒有超過50;22～25日,是污染物的逐漸積累階段,空氣污染指數逐漸升高,能見度開始下降;26～29日是一個污染過程,空氣污染指數都在100以上,在27日達到了最高的141,27至29日的能見度也都低于了 10km,最低在 28日,只有8km,相對濕度都低于 70%,氣象學中當空氣能見度低于 10km,相對濕度低于 80%時,就定義為灰霾天氣.

2.2.2 TUV模式驗證 圖4中SSA由觀測的散射系數和吸收系數通過式(1)和式(2)計算得到,AOD是直接觀測得到.從圖4可以看出,在這段時間內的 SSA有微小的波動,16日最小,為 0.806,最大在 20日,為 0.846,平均 SSA 為0.827.AOD 的變化較大,最低在 17日僅為0.311,29日最大,為1.264.將SSA和 AOD作為TUV模式的主要輸入參數,25日缺的SSA用前后2日的插值代替,得到晴天的紫外輻射模擬情況與實際對比如圖 5,輸入的參數值以及輸出的結果與實際對比情況在表2中.

圖4 2005年11月16～29日SSA變化Fig.4 SSA variations from 16th to 29th of November, 2005

圖5 2005年11月17,20,24,27日紫外輻射日變化實測與模擬Fig.5 Variations in observed and simulated UV radiations on 17th ,20th,24th, 27th of November, 2005

從圖5及表2中模擬的結果看,模式能夠很好地模擬晴天紫外輻射的日變化,模擬的結果比實測結果略高,這是由于模擬所得的輻射強度是295～385nm波長范圍的積分,而實際的輻射表濾光片透過的并非理想的這一波段,理想濾光片的光譜透射曲線應為矩形,越接近這種情況其透光型越好,但實際上一半的濾光片的光譜透射曲線遠離矩形,于是光學界提出了以半峰高寬,簡稱半寬,作為帶通濾光片透射帶的寬度,所謂半峰高寬,就是以透射帶光譜透射比峰值的一半作為界定透射帶起始和終止波長的指標[18],由于實測中存在半寬透射帶,所以模式輸出的結果略高于實測值. 17日與29日的輻射最大值,29日的輻射最大值僅為17日的60%,理論上這2日的正午太陽高度角變化不大,太陽紫外輻射在未進入大氣前應該是非常接近的,而穿過大氣層到達地面后卻有如此大的差異,可見氣溶膠對紫外輻射的影響相當大,在氣溶膠污染嚴重時可使紫外輻射降低40%.在污染嚴重時,模式的偏差也變大.

表2 模式中輸入的參數及輸出的UV最大值對比Table 2 The model input parameters and its comparison with output UV maximums

從圖6可以看出,在300nm以下到達地面的紫外光為零,這是由于平流層中的臭氧層吸收造成的,300nm 以后,輻射開始增加,在 359,374, 384nm附近有3個較強的吸收帶,從輻射光譜比值R(以17日為基準)看,在約320nm附近以上變化非常緩慢,可視為常數,320nm以下R開始下降,與呂達仁等[19]在長春觀測的紫外光譜結果類似,從模式中可見氣溶膠對紫外輻射的短波譜有一定的影響,隨著污染的加重,對紫外輻射的短波吸收會加強.

我國現今的紫外觀測只有紫外輻射的總體強度的觀測,對紫外輻射的譜觀測還較少,還需建立完善紫外輻射譜觀測系統,做進一步的研究.

圖6 2005年11月17,23,27,29日12:00紫外光譜分布及光譜比值線Fig.6 UV spectrum distribution and its spectrum ratio curve at 12 o’clock on 17th, 23nd, 27th, 29th of November, 2005

3 結論

3.1 從季節變化來看,廣州的紫外輻射夏秋兩季明顯高于冬春兩季,主要是由于太陽高度角的季節變化引起的,盛夏是紫外輻射照射最強的季節,冬季的太陽高度角最小,因此紫外輻射最弱;春季廣州受連陰雨天氣的影響,到達地面的紫外輻射弱于秋季.2005年和 2006年廣州各月份紫外輻射強度的極大值都出現在7月,2006年最大達到了 55.48W/m2,極值的最小值也都出現在 1月,2005年最小只有23.17W/m2.

3.2 在污染較輕時,TUV模式能夠很好的模擬晴天紫外輻射的日變化,模式與實測之間有約7%～15%的誤差.隨著污染的加劇,模式的偏差也變大.氣溶膠對紫外輻射的影響相當大,在氣溶膠污染嚴重時可使紫外輻射降低40%.

3.3 2005年11月17日為基準的輻射光譜比值R在 320nm附近以上變化非常緩慢,可視為常數,320nm以下R開始下降,可見氣溶膠對紫外輻射的短波譜有較大的影響,隨著污染的加重,對紫外輻射的短波衰減會加強.

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Observational characteristics of ultraviolet radiation in Guangzhou and its comparison with model results. JIANG

Cheng-lin1,2, WU Dui2,3*, TAN Hao-bo3, DENG Xue-jiao3, LI Fei3, FAN Shao-jia2(1.Guangdong Climate Center, Guangzhou 510080, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；3.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：391～396

This paper analyzed the seasonal variations of ultraviolet radiation in Guangzhou, based on the ultraviolet radiation observation by the Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou. The peak of the monthly maximum of ultraviolet radiation appeared in July, both of 2005 and 2006, with 55.48 W/m2in 2006. The minimum of the monthly maximum of ultraviolet radiation appeared in January, was only 23.17 W/m2in 2005. The influence of haze on ultraviolet radiation in Guangzhou was conducted by using NCAR(National Center for Atmospheric Research) TUV model for a typical case from extremely clean to haze from 16th to 29th, November, 2005, indicating that the model results were consistent with the actual observations. When the pollution was not serious, TUV model could simulate the daily variation well in sunny day with a residual about from 7% to 15% between modeled and observed results. As the pollution was intensified, the residual of the model increased as well. Aerosol had a strong impact on ultraviolet radiation, which could be reduced by 40% when the aerosol pollution was extremely serious. Besides, aerosol could affect on the shorter spectrum of ultraviolet radiation as well. With the pollution intensified, the effect on the shorter spectrum of ultraviolet radiation was strengthened.

ultraviolet radiation；aerosol；TUV model；attenuation；Guangzhou

X511

A

1000-6923(2012)03-0391-06

2011-06-18

國家自然科學基金資助項目(40375002,40775011, U0733004);國家“973”項目(2011CB403403);國家“863”項目(2006AA06A306,2006AA06A308)

* 責任作者, 二級研究員, wudui@grmc.gov.cn

蔣承霖(1982-),男,廣西桂林人,工程師,碩士,主要從事大氣物理學與大氣環境及氣候可行性論證工作.發表論文6篇.