长沙地区紫外线辐射观测分析

周志刚，廖 伟，杨志峰，周小勇，张 鹏

(1.长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南 长沙 410004；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西 南昌 330000)

0 引言

在道路工程中，路面沥青材料、加筋土挡墙中土工格栅加筋之类土工合成材料均属于高分子材料，在施工和使用期间，均可能受到大量的紫外线辐射，使它们发生光氧化现象，即产生老化现象，致使材料强度等力学性能显著下降。人们在室内采用紫外线照射方式加速沥青、土工合成材料等的老化，以研究老化对其性能的影响[1]。由于各个地区紫外线辐射情况不同，为了研究这些路用材料在紫外线辐射下的老化性能，有必要系统地测试分析野外太阳紫外线辐射规律，以为室内加速老化模拟试验提供依据。国外对紫外线的研究比较早，而我国主要从20世纪90年代开始对紫外线辐射进行各种观测分析。如北京市气象科学研究所的李青春[2]利用1999-2000年的紫外线观测资料，建立了北京地区的紫外线预报服务系统。沈阳市卫生监督所的王磊石、杨丽丽[3]对2006年沈阳市的紫外线辐射量变化进行监测，得到各季节的紫外线辐射量和全年的辐射量。这些研究分别针对当地的太阳辐射或紫外线观测资料，预测室外不同季节、月份或年累积紫外线辐射量，并分析云、雾等天气因素对紫外线辐射强度的影响。本文根据室内外紫外线辐射对沥青、土工格栅等材料老化性能的影响的研究需要，通过对长沙地区2016-2017年全年室外紫外线的观测与数据统计分析，研究紫外线辐射随天气气温、季节、一天中不同时间段等的变化规律，为道路材料老化性能研究提供试验依据。

1 紫外线辐射强度观测方法

2 测试数据分析

2.1 一天不同时段紫外线辐射变化

图1 2016-07-07紫外线辐射强度变化曲线图

2.2 季节性的紫外线辐射变化

图2 日累积紫外线辐射量随季节变化曲线图

将日累积紫外线辐射量按照观测月份进行排序，如图2所示。由图2可知，日累积紫外线辐射量明显较大的为5～9月份，其中2016-07-07的日累积紫外线辐射量达到了全年的最高值1.05 MJ/m2。而冬季的1、2月的日累积紫外线辐射量最低，最小值为0.017 MJ/m2，出现在2017-01-09。由此可知，冬季与夏季的日累积紫外线辐射量差别很大，这是由于太阳天顶角随季节而变化造成的。夏季时，太阳靠近地球，太阳辐射到达地表所需要的光程相对较短，被地球大气吸收的辐射量较多，损失的辐射量也较少，而在冬季太阳逐渐远离地球，太阳辐射难以到达地面，所以强度和辐射量均会明显降低。

2.3 天气对紫外线辐射的影响

根据测试时天气状况记录与当天紫外线辐射测试数据可知，在2016年夏季的7月7日、7月14日、8月4日、8月11日和8月18日的最高气温同为34℃，它们的天气状况分别为天晴、阵雨转多云、阵雨、多云、多云。而日累积紫外线辐射量分别对应为1.05 MJ/m2、0.43 MJ/m2、0.44 MJ/m2、0.84 MJ/m2和0.67 MJ/m2。表明每日的不同云况直接导致了日累积紫外线辐射量的变化。因为云量对紫外线辐射的遮挡能力很强，紫外线很难穿透浓厚的云层。在有云的天气中，云量的多少与云状的不同会影响太阳紫外线辐射到达地面的强度。当云层较厚时，紫外线被云层大量吸收，导致到达地面的紫外辐射减弱。

3 紫外线辐射量统计分析

沥青、土工合成材料等加速老化时需要计算紫外线累积辐射量。为此，本文参考他人做法[4]，考虑天气状况(晴天、多云、阴雨)的影响，利用紫外线辐射观测数据与当日最高气温，分别拟合得到三种天气状况时的日累计紫外线辐射量与最高气温的经验关系式，依据最高气温对年累积紫外线辐射量进行预估。

3.1 日累积紫外线辐射量

根据图3～5所示的晴天、多云、阴雨天气的日累积紫外线辐射量和最高温度关系，分别采用式(1)、(2)对日累积紫外线辐射量与最高气温的关系进行拟合：

Y=a+becx

(1)

Y=ax+bc

(2)

式中，Y——任意日期日累积紫外线辐射量，MJ/m2；

x——任意日期最高气温，℃；a、b、c为拟合参数，其值如表1所示。

图3 晴天日累积紫外线辐射量-最高气温关系图

图4 多云日累积紫外线辐射量-最高气温关系图

图5 阴雨日累积紫外线辐射量-最高气温关系图

拟合公式天气分类abc相关系数晴天0.1200.0110.1190.949 6(1)多云0.0000.0620.070 60.923 0阴雨-0.2000.2000.030 60.749 2晴天2.65×10-410.002.0770.925 0(2)多云1.00×10-35.2861.7560.939 4阴雨0.014 4-5.2750.8760.731 1

从表1中可以看出，关于日累积紫外线辐射量与最高气温关系的两个公式中，晴天时相关系数分别为：0.949 6、0.925 0；多云时相关系数分别为：0.923 0、0.939 4；阴雨时相关系数分别为：0.749 2、0.731 1。两个公式的拟合精度均相差不大。对于同一回归公式，晴天和多云时相关性非常好，而阴雨时相关性一般，这与阴雨天气状况时影响紫外线辐射的因素更为复杂有直接的联系。

表1中数据表明，对于公式(1)，按照晴天、多云和阴雨天气，a和c值依次减小，而b值逐次增强，在阴雨天累积紫外线辐射量对温度的敏感性降低。从而整体上，在同样温度时，多云和阴雨会导致累积紫外线辐射量衰减，其中阴雨天气的影响更为明显。公式(2)反映的规律类似。

3.2 年累积紫外线辐射量

图6为2016年7月7日至2017年7月6日共365天所记录的室外最高气温情况，区分不同天气状况。其中，在相同的日期段内阴雨天气下的日最高气温往往低于晴天和多云天气下的日最高气温。根据图6给出的室外最高气温，结合拟合公式(1)及表1中拟合参数，可以计算得到一年中三种天气状况下的累积紫外线辐射量及全年累积紫外线辐射量，如表2所示。由表2可以发现，晴天、多云和阴雨三种天气状况的累积紫外线辐射量相差不大，这是由于晴天仅有75 d，而多云和阴雨天气各有94 d和196 d，阴雨天气占了全年的一半多，尽管多云和阴雨天气的日累积紫外线辐射量低于晴天的，但全年累积辐射量仍较大。此外，长沙地区全年累积紫外线辐射量为111.00 MJ/m2，此数据与类似经纬度地区的一致。

图6 室外最高气温记录图

天气分类年累积辐射量(MJ/m2)年总累积辐射量(MJ/m2)晴天37.37多云37.78111.00阴雨35.85

3.3 年累积紫外线辐射量随天气折减

紫外线辐射在到达地面前受到太阳天顶角[5]和大气中臭氧总量、臭氧分布、二氧化硫含量、大气胶体分散体系和云层[6]等各种因素的影响，其影响关系非常复杂，难以具体表达。在有云的情况下，云层的光学厚度决定了紫外线辐射到达地面的强度，而与太阳天顶角、紫外辐射的波长等相关性不强。光学厚度越厚的云层对紫外线辐射的减弱效果越显著，而不同的天气情况导致了不同的云层厚度。本文中分晴天、多云、阴雨天气情况，主要针对云层的影响进行对比。晴天天气情况的云层厚度稀薄，云量相对较少；多云天气云量中等；阴雨天气云量极厚。

根据公式(1)及表1中拟合参数，以及图6所示全年最高气温记录，分别计算全年均为晴天或多云或阴雨天气的年累积紫外线辐射量，并利用式(3)计算多云和阴雨天气相对于晴天的折减系数。

ηi=Yi/Y0

(3)

式中，ηi——多云(i=1)或阴雨(i=2)天气的折减系数，无量纲；

Y0——晴天时年累积紫外线辐射量，MJ/m2；

Yi——多云(i=1)或阴雨(i=2)天气的年累积紫外线辐射量，MJ/m2。

计算结果为：η1=0.955，η2=0.556。说明多云天气对紫外线辐射的衰减影响不大，而阴雨天气的影响明显。

4 结语

(2)长沙地区的日累积紫外线辐射量可分晴天、多云和阴雨三种天气状况，由当日的室外最高气温分别进行预测。由于多云和阴雨天气天数较多，阴雨天气天数超过全年一半以上，故全年晴天、多云和阴雨天气的累积紫外线辐射量相差不大。通过全年的室外最高气温，可以得到长沙地区当年累积紫外线辐射量为111.00 MJ/m2。

(3)根据晴天、多云和阴雨天气日累积紫外线辐射量与最高气温的回归关系，结合全年最高气温记录，得到了多云和阴雨天气对晴天累积紫外线辐射量的影响的折减系数。多云天气的影响不大，而阴雨天气的影响明显。

[1]童 军，丁金华，胡 波，等.土工格栅户外老化试验初步研究[J].长江科学院院报，2017(2)：13-16.

[2]李青春，陆 晨，阮毓文.北京地区紫外线观测与预报系统[J].气象科技，2001，29(4)：47-50.

[3]王磊石，杨丽丽.2006年沈阳市太阳及紫外线辐射量变化分析[J].中国卫生检验杂志，2008，16(4)：677-680.

[4]尚凯锋.室外气温与太阳辐射的随动性关系研究[D].西安：西安建筑科技大学，2016.

[5]李豪杰，郭世昌.昆明地区春季紫外辐射监测及变化研究[J].云南大学学报，2004，26(6)：509-515.

[6]吴 兑.到达地面的太阳紫外辐射强度观测[J].气象，2001，27(3)：27-29.