武漢市紫外線輻射強度特征分析及其預測模型的建立

翟紅楠　李明

摘要：利用武漢市2011～2013年的紫外線輻射強度資料和同期氣象資料，對武漢市紫外線輻射強度與氣象條件的關系進行了分析與統計。結果表明，在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現正態分布的特征；1～2月和11～12月紫外線輻射強度最小，3～10月較大，7～8月最大；近3年來武漢市年紫外線輻射強度值基本持平，無明顯年際增減變化，其季節變化特征為紫外線輻射強度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外線輻射強度等級出現最少的為5級，僅69 d；出現最多的為4級，共667 d；紫外線輻射強度的變化與天氣條件聯系密切，對紫外線輻射強度與大氣環境因子進行了相關分析，并得出了等級預測模型，預報效果較為滿意。

關鍵詞：紫外線輻射強度；紫外線指數；氣象因子；等級預報方程

中圖分類號：S161 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-157-03

紫外輻射在太陽輻射光譜中的譜區范圍是100～400 nm，其能量占太陽輻射總量的8%，按照紫外線的不同波長所起的生物作用，可分為3個部分：紫外線A段，波長320～400 nm，約占太陽輻射總量的6.0%，主要是色素沉著作用；紫外線B段，波長290～320 nm，約占太陽輻射總量的1.5%，此段對人體影響較大，主要作用是抗佝僂病和紅斑作用，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，波長100～290 nm，約占太陽輻射總量的0.5%，由于幾乎完全被臭氧層吸收而不能到達地面[1]。

盡管紫外線輻射所占太陽輻射能量比例比較少，但由于其光量子能量較高，產生的光學作用和生物效應十分顯著，對地球氣候、生態環境以及人類健康具有重要的影響[2]。適宜強度的紫外線可以消毒殺菌、促進骨骼發育，而強度過高的紫外線是造成人體佝僂病和紅斑病，引起皮膚癌、白內障、免疫系統能力下降的主要原因，過量的紫外線輻射還將導致人體免疫功能變異[3]。由于地球大氣平流層O3空洞及局部地區O3保護層的變化，使到達地表的紫外線輻射有局部增加的趨勢，國際上越來越重視到達地面的紫外線輻射量的變化，許多國家加強了對紫外線輻射、臭氧的監測和研究，并將結果通過媒體定期發布。在我國，雖然此項工作起步較晚，但近幾年紫外線強度指數預報已在全國各個城市迅速地開展起來[4]。

武漢市地處中緯度地帶，太陽投射角年內存在變化，天氣復雜，云量多變，同時空氣中所含水汽變化亦大，導致地面紫外線輻射強度變化復雜，因此掌握紫外線指數變化規律，并在此基礎上進行紫外線輻射指數預報尤為必要。筆者利用武漢市現有紫外線輻射強度的完整觀測資料，對紫外線輻射強度的時間變化特征及與氣象因子的關系進行統計分析，增加對武漢市紫外線輻射強度變化特征的新認識，從而進一步了解影響紫外線輻射強度的主要環境氣象因子，為更好地開展武漢市紫外線輻射強度的預報服務工作奠定基礎。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 紫外線輻射強度資料。選取2011年1月～2013年12月紫外線輻射強度觀測資料進行分析。觀測設備為上海長望氣象科技有限公司所生產的TFU_I型紫外線觀測儀（波段280～400 nm），觀測儀采樣頻率為10 s，1 min輸出一個觀測值。儀器安裝在武漢市觀象臺，環境周圍無明顯污染源，輻射資料有較好的代表性。文中的紫外線輻射值是指10：00～14：00的4 h平均紫外線輻射值，氣象要素也為此時段資料。

1.1.2 大氣環境資料。

該資料由武漢市氣象局提供，時間序列為2011年1月～2013年12月；主要要素包括武漢市逐日地面平均氣壓、日平均氣溫、日溫差、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日最小相對濕度、24 h降水量、日平均風速、日平均總云量；武漢市空氣中逐日SO2、NO2、PM10 3種物質的濃度。

1.2 分析方法 主要采用統計分析方法對武漢市紫外線輻射強度與氣象條件的關系進行研究，首先統計分析到達地面的紫外線輻射強度時間序列特征，分析逐日紫外線輻射強度監測值與同期太陽高度角、氣象要素（云、溫、壓、濕、風和降水等）、空氣質量要素的相關關系，篩選出相關性較高或關鍵性氣象影響因子、天氣過程等綜合指標，最后采用逐步回歸的方法建立紫外線等級氣象條件的預報模型。

2 結果與分析

2.1 武漢市紫外線輻射強度的時間序列變化特征

2.1.1 日際變化特征。選取2014年1月1日武漢市紫外線輻射強度監測資料，當日為晴好天氣。從圖1可以看出，在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現正態分布的特征，即從06：00開始紫外線輻射強度逐漸增大，到12：00左右為一天中紫外線輻射強度最大的時段，13：00以后漸小，到18：00趨于0。分析表明，當天氣狀況發生變化時，日紫外線呈正態分布的形態也隨之改變了。紫外線輻射強度和輻射強度的日變化均與天空云量多寡密切相關，云量少，輻射強度大且輻射強度的日變化幅度較大；云量多，輻射強度弱且日變化幅度小；陰雨天，紫外線輻射強度最弱，輻射強度日變化幅度也最小；天空晴朗少云時，各季節紫外線輻射強度等級的日變化均呈平滑的拋物線。

2.1.2 月際變化特征。由圖2可見，武漢市紫外線輻射強度月際變化特征呈現雙峰特征。這是由于受太陽高度角的變化使紫外線指數發生相應的日、月、季變化外，到達地面的紫外線輻射強度受天氣狀況變化的影響也是很大的。1～2月和11～12月紫外線輻射強度最小，3～10月較大，7～8月最大。這種分布主要與太陽高度角變化有關，還與地面反照率、大氣污染狀況、平流層臭氧以及每天的天空狀況等諸多因素的影響有關。雖然一年中夏至（6月21日或6月22日）太陽高度角達到一年中最大值，但由于5、6月份武漢市處于雨季。云雨天氣較多，而紫外線輻射強度反而有所下降，7、8月份隨著雨水天氣的減少，紫外線輻射強度有所回升。

2.1.3 年變化特征。由圖3可見，近3年來武漢市年紫外線輻射強度值基本持平，無明顯年際增減變化；其季節變化特征為紫外線輻射強度夏季>春季>秋季>冬季。

由武漢市紫外線強度等級逐月分布（表1）可見，一年中紫外線達到4級的天數最多，其分布比重分別為1級天數占12.5%、2級天數占11.0%、3級天數占9.3%、4級天數占60.9%、5級天數占6.3%；紫外線輻射強度等級出現最少的為5級，僅69 d；出現最多的為4級，共667 d。

2.2 影響紫外線輻射強度的大氣環境因子 對逐日紫外線輻射強度值與太陽高度角、溫濕壓、云量、空氣質量及其變量進行相關分析，尋找關鍵的影響因子，得出影響武漢市紫外線輻射強度的主要氣象因子是氣溫、云量、太陽高度角、云量和相對濕度等。按照相關系數大小排序為晝夜溫差>日最小相對濕度>日最高氣溫>日平均總云量>日平均低云量>日平均氣溫>日平均相對濕度>太陽高度角>日溫差>日平均氣壓>日降水量>日均風速；武漢市紫外線輻射強度與城市空氣質量要素相關性并不極其顯著。

2.3 建立武漢市紫外線輻射強度統計預測模型 根據以下兩點原則選擇統計建模的大氣環境因子：與紫外線輻射強度相關性顯著、能正確反映紫外線輻射強度的動態演變；在實際評估或預測中易于獲取。選取2011～2012年數據作為訓練樣本用來建立模型，2013年數據作為測試樣本用于檢驗測試預報效果，得到預測模型為：

Y=10.139+0.577X1+0.270X2-0.164X3-0.669X4，

式中，Y為紫外線輻射強度（W/m2），X1為晝夜溫差（℃），X2為正午太陽高度角（°），X3為日最小相對濕度（%）， X4為總云量（成）。

X2太陽高度角計算公式為h=90°-|30.37-ED|、

ED=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9sin2θ-0.171 2sin3θ-0.758 0cosθ+0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ，

其中θ稱日角，即θ=2πt/365.242 2；

這里t又由兩部分組成，即 t=N-N0，

其中N為積日，所謂積日就是日期在年內的順序號，如1月1日其積日為1，平年12月31日的積日為365，閏年則為366；

N0=79.676 4+0.242 2×（年份-1985）-INT〔（年份-1985）/4〕，

式中，INT表示取整數部分，如INT（3.25）=3。將測試樣本代入相應的預報方程得到統計方法預測值，并按照中國氣象規定的紫外線等級劃分指數（表3）對預測結果進行等級預報檢驗。若檢驗標準為擬合值與實測值兩者處于同一級算對，否則算錯，則預報準確率為83.56%；若檢驗標準為擬合值與實測值兩者處于同一級或差一級算對，否則算錯，則預報準確率為96.16%。

3 小結與討論

（1）在沒有其他因素的影響下，紫外線輻射強度日變化曲線與太陽高度角變化保持一致，基本呈現正態分布的特征。

（2）1～2月和11～12月紫外線輻射強度最小，3～10月較大，7～8月最大。

（3）近3年來武漢市年紫外線輻射強度值基本持平，無明顯年際增減變化；其季節變化特征為紫外線輻射強度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外線輻射強度等級出現最少的為5級，僅69 d；出現最多的為4級，共667 d。

（4）紫外線輻射強度的變化與天氣條件聯系密切，對紫外線輻射強度與大氣環境因子進行了相關分析，得出影響武漢市紫外線輻射強度的主要氣象因子是氣溫、云量、太陽高度角、云量和相對濕度等，武漢市紫外線輻射強度與城市空氣質量要素相關性并不極其顯著。同時文中得出了等級預測模型，預報效果較為滿意。

（5）由于資料時間序列長度問題，未能反映出紫外線輻射的年際變化特征，未能探討紫外線輻射強度年際變化與大氣臭氧含量、平流層臭氧含量間的關系。下一步統計分析紫外線輻射強度的年際變化特征以及其與太陽總輻射的關系。

參考文獻

[1] 劉敏，康邵鈞，徐鳳梅，等.商丘紫外線指數變化規律及氣象因子影響分析[J].氣象科技，2007（6）：845-847.

[2] 王繼鵬，魏敏，張冉.魯中山區紫外線指數強度分布特征研究[J].安徽農業科學，2008，36（36）：16034-16035.

[3] 沈元芳，況石.紫外線模式預報方法的研究和試驗[J].應用氣象學報，2002（13）：223-230.

[4] 祝青林，于貴瑞，蔡福，等.中國紫外輻射的空間分布特征[J].資源科學，2005，27（1）：113-116.