新乡市紫外线辐射规律及影响因子分析

张金平 孟祥翼 马卫华 王 飞 张凤洲 田春娜

摘要通过对新乡市2005~2007年紫外线数据的分析,得出新乡市紫外线辐射的日变化、季变化、逐时变化规律,即日变化波动较大,具有明显的季节性;逐时变化曲线呈现单峰型,最大值出现在11~13时。影响紫外线辐射的气象因子有云量、云状、能见度、湿度等,其中云量和能见度对其影响较大,相关系数分别为-0.52和0.68。

关键词紫外线辐射;气象因子;相关系数;河南新乡

中图分类号P182.2+8文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0280-02

紫外线辐射(UVR)是指波长在可见光紫外端到X射线波长之间的电磁辐射,其波长范围约在100～400nm,其能量仅占太阳辐射总能量的8%。紫外线辐射对人类的活动和健康有很大影响。适量的紫外线照射可以促进维生素的合成和抗佝偻病,而接受过量的紫外线辐射容易引起皮肤癌等疾病。近年来,人类活动造成了全球中高纬地区平流层臭氧减少,使得到达地球低层大气和地表的太阳紫外辐射增加。因此,对当地紫外线辐射的分析对于准确预报紫外线指数有积极的指导作用。

1概述

1.1紫外线辐射

根据紫外线的不同波长所起的生物作用,可分为三部分:紫外线A段(UV-A),波长为320～400nm,该波段生物作用较弱,主要有色素沉着作用;紫外线B段(UV-B),波长为290～320nm,约占太阳辐射的1.5%,该波段对人体影响较大,具有抗佝偻病和产生红斑作用,是引起皮肤癌、白内障、免疫系统能力下降的主要原因之一;紫外线C段(UV-C),波长在100～290nm,来自于太阳辐射的这段紫外线几乎已被臭氧层大量吸收,基本上不能到达地面。

1.2紫外线指数

按照国际上通用的方法,UVR预报一般用紫外线指数(Ultraviolet Index)发布,也称为“UVI”指数,是一个衡量某地正午前后到达地面的太阳光线中的紫外线辐射对人体皮肤、眼睛等组织和器官可能损伤程度的指标。紫外线指数一般用0～15的数字来表示。通常规定,夜间的紫外线指数为0,在热带高原地区晴天无云时的紫外线指数为15,中国气象局将紫外线指数分为5级(见表1)。

1.3国内外预测预报现状

加拿大是世界上第1个预报紫外线指数的国家。美国自1990年起在全国建立了由 50多个紫外线观测站点组成的监测网络,用来监测紫外线的变化情况和进行研究。日本的紫外线观测网点由原来的几十个增加到900多个,形成了十分密集的情报发布网络。澳大利亚、新西兰也是开展紫外线预报较早的国家。

在我国,中国科学院等单位已研制了紫外线辐射观测仪器,用于开展高空和地面的紫外线观测。近几年,一些省市的气象局已开始展开紫外线辐射量的观测预报,2005年河南省建成省级太阳紫外线强度监测网。

2紫外线辐射变化分析

利用河南省2005年安装紫外线监测仪器以来的数据进行紫外线辐射变化规律的分析。

2.1紫外线辐射的逐日变化

紫外线辐射跟太阳高度角有很大关系,所以辐射量具有明显的年际变化。选取新乡市2005年安装紫外线监测仪以来每天所观测到的紫外线辐射量(w/m2)逐日平均值作图(图1)。可以看出,紫外线辐射有很明显的季节性变化,不考虑云量、能见度等因素的影响,紫外线的辐射主要取决于太阳高度角的变化,5~8月紫外线值偏高,11月至翌年1月偏低。由资料可知紫外线辐射的最大值出现在2006年5月13日,日平均辐射值为112w/m2 ,5月13日的平均云量为0,能见度为20km。最大值的理论值应该出现在6月的夏至日,因为在其他条件相同的条件下紫外线辐射取决于太阳高度角,新乡市的地理纬度为北纬34°53′~35°50′,处于北回归线以北,在夏至日太阳高度角最大。但6~7月是新乡市的多雨季节,天空平均云量大和空气湿度大,对紫外线辐射的削弱作用较强;而5月的能见度较好并且湿度小,紫外线辐射较强。

2.2紫外线辐射的逐时变化

新乡市紫外线辐射的日际波动比较大,特别是在天空少云的情况下,随着云的移动使得该市一段时间处于晴空日照之下,从而出现UVI的最大值;另一段时间处于被云遮蔽的情况下,UVI值受云的影响被削弱。天空无云的情况下,紫外线辐射的日最大值一般出现在11~14时之间。

由于紫外线辐射的日值受云量、能见度、空气中悬浮颗粒物的影响,故选取天空无云、能见度>15km的气象条件下,并且均分于全年各个时刻的紫外线辐射值进行平均,观察紫外线辐射值的逐时变化(图2、图3)。

从图2可以看出,紫外线辐射逐时变化是一种单峰型曲线,在11~13时出现最大值,夏季的紫外线辐射明显高于其他季节,说明紫外线辐射主要由太阳高度角决定。在全年平均紫外线辐射逐时变化图中可看出,在中午12时以前有1个弱的低谷出现,分析原因:在夏季中午前后由于热对流作用容易成云致雨,对紫外线的影响比较大,而云量观测的时间分布在一天中的2 时、8时、14时、20时,如果云在2时之前消散,那么观测就可能为无云,从而当作无云日选取来统计,使最后的结果出现误差。从紫外线辐射四季逐时变化可看出,夏季紫外线辐射曲线跟全年紫外线辐射曲线的相似度很高,对全年辐射值的贡献率最大。夏季紫外线辐射值明显大于其他3个季节,春季和秋季早晨的辐射值相当,中午到下午春季辐射值高于秋季,能见度对辐射值有较大的影响。

3影响紫外线辐射的气象因子

到达地面的紫外线辐射强度除了由太阳光的照射强度、地理位置、海拔高度、季节、时间等因素决定以外,还与平流层臭氧量、空气污染程度和气象要素等有着密切的关系。而在气象要素中,就有高云量、中云量、低云量、总云量、空气温度、空气湿度、大气压力、气溶胶含量等许多因子影响着地面紫外线的照射强度,在其他一些因素不变或变化很小的情况下,紫外线的可能照射强度主要由气象因子决定。新乡市因其地理位置、海拔高度、平流层臭氧量是不变或近似不变的,对于某一天而言,除与季节、时间决定的日地距离、空气污染状况有关外,决定紫外线辐射强度的因素是当地的云量、云状及能见度。

3.1云参数

云对紫外线的削弱作用比较明显。在某些阴天情况下到达地面的紫外线辐射比晴空下减少30%左右,但是影响紫外线辐射强度的因素多而且复杂,即使是同一季节,同样是云量为0、紫外线辐射量也有差异,有时差异还很大。选取总云量低、云量相同的日期统计发现,当能见度大于15km,相对湿度较小时,太阳总辐射量较大;反之,当能见度只有几千米、相对湿度较大时,太阳总辐射量要小一些。有时候秋季和春季的紫外线辐射比夏季还要强,就是受云量和空气中气溶胶粒子的影响。

为了分析云量对紫外线辐射的影响,选取能见度大于15km、平均相对湿度60%以下的天数来分析云量和紫外线辐射的相关性,两者的相关系数为-0.52。相关性不是很高,主要考虑云状的影响。一般情况下中低云对紫外线的削弱比高云要强,新乡市主要云系为高积云,蔽光高积云对紫外线辐射的削弱作用比较明显。

3.2能见度

空气中的气溶胶粒子、空气分子以及云雨滴是空气能见度的主要贡献因子,可以对辐射造成散射和衰减,中等厚度的气溶胶层对紫外线辐射的衰减作用可达到20%左右,较厚的则达到30%。新乡市空气污染相对较弱,大气中的污染物粒子较少,对能见度影响较小。影响新乡市能见度的因素主要是冬春季节大雾出现的频率较高,空气中的过饱和水汽分子对太阳辐射的散射作用削弱了到达地面的紫外线辐射。另外,由于新乡市地理位置靠北,在春秋季易受来自北方的冷空气影响,大风会引起尘土飞扬,有时侯甚至会有沙尘暴出现,对能见度有较大影响。

不考虑云量的影响(选取平均总云量在3成以下的日期)来分析能见度与紫外线辐射的相关关系,相关系数为0.68,相关性较好,可以作为影响紫外线辐射的主要因子。

4结论

(1)全年紫外线辐射5~8月最强,夏季紫外线辐射对全年紫外线辐射的贡献率最大

(2)一天中紫外线辐射的最大值出现在11~13时,曲线呈现单峰型,紫外线辐射主要由太阳高度角决定。

(3)影响紫外线辐射的气象主要有云量、云状、能见度、湿度等,其中云量和能见度对紫外线辐射影响最大,相关系数分别为-0.52和0.68。

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