滄州市紫外線輻射強度變化特征及預報模型

常志坤，吳 薇，黃 毅

（滄州市氣象局，河北滄州 061000）

0 引言

紫外輻射對大氣環境、人和多種動植物的健康有明顯影響。2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，紫外線輻射（波長100～400 nm，包括UVA、UVB和UVC）在一類致癌物清單中。我國的紫外線觀測始于20世紀90年代初，1992年我國最先在長春和北京開始紫外輻射光譜的觀測[1]，現今已有許多學者對紫外輻射進行了觀測和研究[2-4]。

本研究利用2017年12月至2018年12月滄州市氣象站紫外輻射數據、常規氣象觀測數據，分析滄州地區紫外輻射強度的日、月、季節變化規律，并對多個氣象要素要素進行相關性分析，找出對紫外輻射有影響的因子，再通過逐步回歸分析，建立紫外輻射強度的預報方程。

1 數據來源

紫外輻射數據來自滄州市氣象局。紫外輻射觀測使用日本EK0 INSTRUMENTS公司研制的高精度大氣紫外輻射傳感器，使用其觀測UVA、UVB的日、分鐘觀測數據，光譜響應范圍：UVA：315～400 nm，UVB：280～315 nm。所使用的氣象數據，為滄州國家自動站的站點的平均氣溫、最高氣溫、海平面氣壓、日照時數、最小能見度、平均風速、降水量、相對濕度、相對濕度基本氣象要素的日觀測數據。

2 滄州市紫外線輻射強度變化特征分析

2.1 日變化規律

對滄州市紫外A、B輻射分春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四個季節計算逐小時紫外輻射均值。由于夜間紫外A輻射和B輻射均基本為零，以每日05～20時逐小時的平均數據分析，見圖一。無論是全年平均，還是四季平均，紫外A、B輻射日變化曲線均呈現“單峰型”的分布特征，峰值現在中午12時前后。且四季中，小時紫外輻射強度整體呈現夏季＞春季＞秋季＞冬季。滄州冬季能夠接收到紫外A輻射的時段為08～16時，夏季則延長至08～16時，冬季日紫外輻射時間明顯小于夏季。因此，業務上規定日紫外輻射強度是按照每日10～14時平均值也是較符合實際的情況的。

對夏季紫外A、B輻射的逐小時均值做K-S檢驗，PUVA=0.665＞0.05，PUVB=0.665＞0.05，符合正態分布特征，紫外輻射日變化分布特征與氣象要素分布極相似，一定程度上說明了紫外輻射強度變化與氣象要素之間聯系密切。

2.2 月、季變化規律

紫外A、B輻射的月季變化規律有所不同（見圖1）。其中，夏季的A輻射占全年總輻射量達45%，明顯多于同期B輻射的占比值36%，冬季的A輻射占全年總輻射量達6%，明顯少于同期B輻射的占比值12%，說明紫外A輻射比B輻射的季節變化特征更為明顯。

從紫外A、B輻射的月輻射總量來看，A輻射7月份最大達768.16 W/m2，而紫外B輻射的6月份最大達54.69W/m2。這主要是由于兩者的波長不同，UVA的波長（400～320 nm之間）大于UVB（320～280 nm之間），致使UVA比UVB的穿透能力更強，而天氣狀況對UVB的干擾更大造成的。據統計，2018年7月降雨量224.3 mm，降雨日數12天均明顯多于6月降雨量91.6 mm，降雨日數6天，造成7月UVB總量明顯衰減，最大值出現在6月。

表1 紫外A、B輻射與大氣因子相關系數表

圖1 一年中逐月紫外A輻射強度均值（左圖），紫外B輻射強度均值（右圖）

3 建立紫外A、B輻射的預報模型

3.1 與氣象要素的相關性分析

分別用逐日紫外A、B輻射與太陽高度角、溫濕壓、能見度、降水量及其變量進行相關分析，尋找關鍵影響因子，得出相關系數R大于0.5，且在0.01水平（雙側）上顯著相關的影響因子。按照與紫外A輻射相關系數大小的因子排序為：最高氣溫＞正午太陽高度角＞平均氣溫>海平面氣壓。按照與紫外B輻射相關系數大小的因子排序為：最高氣溫＞平均氣溫＞正午太陽高度角＞海平面氣壓（表1）。

3.2 建立預報模型

根據以下兩點原則選擇統計建模的環境因子：

1）與紫外線指數相關性顯著；

2）在實際評估或預測中易于獲取。

選取2017年12月18日至2018年12月17日數據作為訓練樣本用來建立模型。得到預測模型結果如下：

紫外A輻射預報模型：

Y=-5.638221+0.389886*X1+0.214115*X2+0.381221*X3-0.000233*X4

其中：Y為紫外A輻射（W/m2）；

X1為最高氣溫（℃）；

X2為正午太陽高度角（°）；

X3為平均氣溫（h）；

X4為海平面氣壓（pa）。

紫外B輻射預報模型：

Y=-0.074208+0.000027*X1+0.010180*X2+0.030893*X3+0.024802*X4

其中，Y為紫外B輻射（W/m2）；

X1為最高氣溫（℃）、X2為平均氣溫（℃）；

X3為正午太陽高度角（°）；

X4為海平面氣壓（pa）。

4 結語

本文利用滄州市氣象站紫外輻射、氣象觀測數據，研究了滄州地區紫外輻射強度的日、月、季節變化規律，并建立紫外輻射強度的預報模型方程。主要內容和結論如下：

1）滄州紫外A、B輻射日變化曲線均呈現“單峰型”的分布特征，峰值現在中午12時前后，冬季能夠接收到紫外A輻射的時段為08～16時，夏季則延長至08～16時，逐小時的紫外A、B輻射符合正態分布特征。紫外A輻射比B輻射的季節變化特征更為明顯。從紫外A、B輻射的月輻射總量來看，A輻射7月份最大達768.16 W/m2，而紫外B輻射的6月份最大達54.69 W/m2。

2）氣象因子與紫外A輻射相關系數大小排序為：最高氣溫＞正午太陽高度角＞平均氣溫＞海平面氣壓。氣象因子與紫外B輻射相關系數大小排序為：最高氣溫＞平均氣溫＞正午太陽高度角＞海平面氣壓。