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(tǒng)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(xiàn)正態(tài)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(jié)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(xiàn)最少的為5級，僅69 d；出現(xiàn)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(lián)系密切，對紫外線輻射強度與大氣環(huán)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(shù)；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(qū)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(tǒng)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(tài)環(huán)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(fā)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(tǒng)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(qū)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(jiān)測和研究，并將結果通過媒體定期發(fā)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(shù)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(shù)變化規(guī)律，并在此基礎上進行紫外線輻射指數(shù)預報尤為必要。筆者利用武漢市現(xiàn)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(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(xiàn)正態(tài)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(fā)生變化時，日紫外線呈正態(tài)分布的形態(tài)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??；天空晴朗少云時，各季節(jié)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(xiàn)雙峰特征。這是由于受太陽高度角的變化使紫外線指數(shù)發(fā)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(jié)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(shù)最多，其分布比重分別為1級天數(shù)占12.5%、2級天數(shù)占11.0%、3級天數(shù)占9.3%、4級天數(shù)占60.9%、5級天數(shù)占6.3%；紫外線輻射強度等級出現(xiàn)最少的為5級，僅69 d；出現(xiàn)最多的為4級，共667 d。

2.2 影響紫外線輻射強度的大氣環(huán)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(shù)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(tǒng)計預測模型 根據(jù)以下兩點原則選擇統(tǒng)計建模的大氣環(huán)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(tài)演變；在實際評估或預測中易于獲取。選取2011～2012年數(shù)據(jù)作為訓練樣本用來建立模型，2013年數(shù)據(jù)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(shù)部分，如INT（3.25）=3。將測試樣本代入相應的預報方程得到統(tǒng)計方法預測值，并按照中國氣象規(guī)定的紫外線等級劃分指數(shù)（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(xiàn)正態(tài)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(jié)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(xiàn)最少的為5級，僅69 d；出現(xiàn)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(lián)系密切，對紫外線輻射強度與大氣環(huán)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(tǒng)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

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[2] 王繼鵬，魏敏，張冉.魯中山區(qū)紫外線指數(shù)強度分布特征研究[J].安徽農業(yè)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.