嵩山景区紫外辐射分析和预报方法研究

王晓龙 刘伟斌

摘 要：本文利用2018年1月1日至2019年12月31日河南省登封市嵩山氣象站太阳紫外辐射监测数据，分析了两年间嵩山景区的紫外线辐射特征，提出了模式预报方程，并将预报结果用于气象服务，从而为广大游客出行提供防晒指导。结果表明，嵩山景区紫外辐射较强，而且有显著的季节变化特征，6月份达到最大值，12月份达到最小值，紫外辐射（UVA）占总辐射的比例为5.49%，略低于8%的平均水平。嵩山景区A波段紫外辐射平均辐照度有明显的日变化，在北京时间13：00左右达到日最大值，并且紫外辐射的消失时间滞后于太阳落山时间。笔者选取了对游客户外活动影响较大的紫外辐射60 min滑动平均最大值作为分析目标，通过逐步回归分析法分析各气象要素与紫外辐射60 min滑动平均最大值的相关性，确认了影响嵩山地区紫外辐射的主要气象因子，其分别为日平均总云量、时平均相对湿度和时平均温度，并且与太阳高度角有较好的吻合度。其间利用多元回归方法建立了春、夏、秋、冬四季的辐照度预报方程，其通过显著性水平[α]=0.001的 检验，对日常辐照度预报工作有很好的指导意义。

关键词：紫外辐射;变化特征;嵩山景区预报

中图分类号：P422文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0123-04

Study on UV Radiation Analysis and Forecast Methods

in Songshan Scenic Area

WANG Xiaolong1 LIU Weibin2

（1. Xingyang Meteorological Bureau，Zhengzhou Henan 450100;2. Songshan Meteorological Station of Dengfeng City，Dengfeng Henan 452470）

Abstract： Abstract： This paper used the solar ultraviolet radiation monitoring data from Songshan Meteorological Station in Dengfeng City， Henan Province from January 1， 2018 to December 31， 2019， to analyze the characteristics of ultraviolet radiation in Songshan Scenic Area during the two years， then put forward the model forecast equation， and apply the results to meteorological service， so as to provide guidance for tourists to travel with sun protection. The results show that the ultraviolet radiation in Songshan Mountain is relatively strong， and has significant seasonal changes， reaching the maximum in June and the minimum in December， meanwhile， the UV radiation （UVA） accounts for 5.49% of the total radiation， slightly lower than the average level of 8%. The average irradiance of A-band ultraviolet radiation in Songshan Scenic Area has obvious diurnal changes， reaching a daily maximum around 13：00 Beijing time， while the disappearance time of ultraviolet radiation lags behind the time of sun setting. The author selected the maximum 60 min moving average value of ultraviolet radiation， which had a great influence on tourists' outdoor activities， as the analysis target， and analyzed the correlation between each meteorological element and the maximum 60 min moving average value of ultraviolet radiation through stepwise regression analysis， and confirmed the main meteorological factors that affected the ultraviolet radiation in Songshan area through the stepwise regression analysis method， which were the daily average total cloud cover， hourly average relative humidity and hourly average temperature， and had a good agreement with the sun altitude angle. In the meantime， the multiple regression method was used to establish the irradiance forecast equations for the four seasons of spring， summer， autumn and winter， which passed the   test of significance level   [α]= 0.001， which had good guiding significance for daily irradiance forecasting.

Keywords： ultraviolet radiation;variation characteristics;forecast of Songshan Scenic Area

紫外辐射就是波长10～400 nm的光辐射，按所起生物作用不同，可分为三个波段，对气候、生态环境及人类健康都有重要影响，特别是随着臭氧洞的发现，紫外辐射的观测与预报已逐渐成为当前研究的焦点之一[1]。近年来，世界各国都越来越重视紫外线辐射强度的监测和研究。早在20世纪80年代中期，澳大利亚就已经开展了紫外线辐射监测。1987年，新西兰也通过新闻媒介等方式发布对人体有害的紫外线辐射预报。我国紫外线辐射预报技术的研究是从20世纪90年代初开始的，1994年郭松等[2]完成了青藏高原大气臭氧及紫外线辐射观测结果的初步分析，1996年吕达仁等[3]完成了长春市紫外光谱辐射观测和初步分析。特别是近年来，随着人们对自身健康的关注和气象服务需求的增加，实时发布紫外线强度等级预报已成为国内各大城市气象服务热门产品之一[4]。

嵩山景区位于河南省登封市境内。嵩山总面积约为450 km2，由太室山与少室山组成，共72峰，平均海拔为930 m，中岳嵩山由太室山（海拔1 494 m）和少室山（海拔1 512 m）等组成，年平均日照时数为2 230 h。随着近年来生态环境的变化和人们健康意识的提高，紫外线强度与人体健康的关系越来越受到大家的关注[5]。初步研究嵩山地区紫外辐射资料，得出嵩山地区紫外辐射的一般分布特征，可以引导广大游客在旅游的过程中趋利避害，同时也可为开展嵩山地区紫外辐射预测和预报提供基本依据。

本文基于嵩山气象站2018年1月至2019年12月逐小时紫外A辐射数据，统计并分析了嵩山景区紫外线辐射强度随时间（季节变化、日变化）的基本变化特征，并结合嵩山站现有气象观测要素，分析其与湿度、温度、总云量等气象要素存在的相互关系。在此基础上，建立紫外线指数预报方程，进而为开展嵩山景区旅游气象服务产品提供理论参考，助力登封建设山岳生态风景名胜旅游气象服务示范中心。

1 资料来源及预处理

本文辐射资料取自嵩山国家基准站（东经113°03′，北纬34°30′，海拔1 178.4 m），2018—2019年辐射观测资料包括总辐射、紫外辐射（UVA）逐分钟辐照度及小时最大值。单位为W/m2。涉及的气温、相对湿度等常规气象要素取自嵩山国家基准气候站，所用气象资料均通过质量控制。

在紫外辐射分钟资料的基础上，本研究考虑与各气象要素相关系数的大小，使用逐日60 min滑动平均最大紫外辐照度作为分析对象，挑选相同时段的云量、湿度、温度和太阳高度角等气象因子作为相关备选因子。其间使用多元线性回归方法，对逐日60 min滑动平均最大紫外辐照度进行回归分析和预测。

2 紫外辐射变化特征分析

嵩山气象站紫外辐射数据涉及2年，共有731个日数据，其中2个日缺测。在所选时段内，从图1可以看到，嵩山地区的紫外輻射强度有明显的季节性变化，受太阳高度角变化影响比较明显。

对嵩山站该时段内的辐射资料进行进一步分析，结果表明，嵩山站年总辐射的平均曝辐量为5 783.52 MJ/m2，其中6月份达到一年中最大平均值663.45 MJ/m2，最小值294.47 MJ/m2出现在1月;紫外辐射（UVA）的年均曝辐量为316.84 MJ/m2，其中，6月份达到一年中最大平均值37.27 MJ/m2，最小值16.01 MJ/m2出现在12月。紫外辐射（UVA）占总辐射的比例为5.49%，略低于8%的平均水平[6]

图2给出了嵩山站紫外辐射（UVA）的平均曝辐量和辐照度的日变化特征，可以看出，在北京时间13：00，紫外辐射（UVA）的曝辐量和辐照度均达到最大值。另外，图2显示，21：00仍有辐照度存在，而嵩山站的最晚日落时间为19：15（6月23日前后），这也反映出日落后仍有少量紫外辐射存在。

3 紫外辐照度与气象因子的相关关系

到达地面的紫外线辐射强度受到许多因子的影响，如平流层臭氧量、地理位置、海拔和太阳高度角等，除此之外，还与气象要素等有着密切的关系[7]。而在气象要素中，就有云量、温度、湿度和气溶胶含量等许多因子影响着地面紫外线的照射强度。在其他因素不变或变化很小的情况下，紫外线的可能照射强度就主要是由气象因子决定的[8]。因此，本研究结合2018—2019年同时期的已有气象要素资料，分析各气象要素与60 min最大滑动平均辐照度的相关系数，如表1所示。

由表1可知，从全年范围来看，每日60 min最大滑动平均辐照度与11：00—15：00平均气温（如无特殊说明，本文中，11：00—15：00平均气温用时平均气温代替，下同）、日最高温度、时平均能见度和日最大太阳高度角的正相关性最为显著，分别为0.63、0.61、0.54、0.49。其与日平均总云量、时平均相对湿度的相关系数分别为-0.47和-0.50，为负相关。从季节来看，春季，辐照度与时平均气温、时平均能见度的正相关性较为显著，分别为0.65和0.62，与日平均总云量和时平均能见度的负相关性较为显著，分别为-0.63和-0.71;夏秋季节，除了与时平均气温、日最高温度呈较明显的正相关外，其还与日平均总云量和日平均相对湿度呈负相关关系，相关系数介于-0.76～-0.56。冬季与日平均云量和日平均湿度的负相关性比较明显，达到了-0.63和-0.67。

4 辐照度预测方程的建立

本研究利用SPSS软件中的逐步回归分析法[8]，同时检验气象因子之间的共线性关系[9-11]，（如日最高气温和时平均气温存在相关性，不宜同时作为自变量因子），分别对春、夏、秋、冬四季进行逐步回归分析，确定最终的气象相关因子。四季预报方程因子系数如表2所示。

由表2可知，春季、夏季、秋季和冬季四个季节的回归方程如下：

[Y1=47.452-0.252U+0.905T-0.713N]        （1）

[Y2=16.702-0.199U+2.006T-0.842N]        （2）

[Y3=34.708-0.31U+0.902T-1.314N]        （3）

[Y4=21.843-0.194U-1.182N+0.637h]        （4）

以上四个预报方程的标准化回归平方和[R2]分别为0.692、0.666、0.760和0.624，且方程均通过显著性水平[a]=0.001的[F]检验。这对日常辐照度预报工作有很好的指导意义。

5 结论

嵩山站年总辐射的平均曝辐量为5 783.52 MJ/m2，其中6月份达到一年中最大平均值，最小值出现在1月;紫外辐射（UVA）的年均曝辐量为316.84 MJ/m2，最大值出现在6月，最小值出现在12月。紫外辐射（UVA）占总辐射的比例为5.49%。嵩山站的紫外辐射60 min滑动平均最大辐照度多介于35～45 W/m2，均值为37.2 W/m2，中位数为39.9 W/m2。其季节性变化明显。紫外辐射辐照度瞬时极大值出现在2018年5月16日，达80.2 W/m2。

紫外辐射辐照度与各气象要素的相关性随季节变化明显，全年来看，每日60 min最大滑动平均辐照度时平均气温、时平均能见度呈正相关性，其与日平均总云量、时平均相对湿度呈负相关关系。从季节来看，不同季节，辐照度与气象因子的相关系数大小各有不同，但其均与温度呈正相关，与相对湿度和总云量呈负相关。本文运用多元回归方法建立预报方程，方程的标准化回归平方和[R2]均超过0.6且通过了显著性水平[a]=0.001的[F]检验，预报结果较好。因辐射站点单一，特别是缺少不同海拔的辐射数据，本文采用单一站点预报整个嵩山地区的辐照度，预报结果无法消除海拔因素的影响，需要在后期进一步完善。

参考文献：

[1]刘慧，胡波，王跃思，等.山东禹城紫外辐射变化特征及其估测方程的建立[J].大气科学，2015（3）：503-512.

[2]郭松，周秀骥，张晓春.青海高原大气O3及紫外辐射UV-B观测结果的初步分析[J].科学通报，1994（1）：50-53.

[3]吕达仁，李卫，李福田，等.长春地区紫外光譜（UV-A，UV-B）辐射观测和初步分析[J].大气科学，1996（3）：343-351.

[4]邓雪娇，吴兑，游积平.广州市地面太阳紫外线辐射观测和初步分析[J].热带气象学报，2003（19）：118-125.

[5]刘雨轩，巫俊威，赵清扬，等.都江堰紫外辐射特征分析及多元回归预报方程的建立研究[J].气象与环境科学，2019（3）：94-101.

[6]张书余.城市环境气象预报技术[M].北京：气象出版社，2002：23-24.

[7]韦惠红.我国臭氧和紫外线的分布特征及未来变化预测[D].南京：南京信息工程大学，2005：33-34.

[8]么枕生，丁裕国.气候统计[M].北京：气象出版社，1990：347-377.

[9]宋莹华，吴君.临沂市紫外辐射变化特征分析[J].山东气象，2006（1）：37.

[10]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（4）：47-50.

[11]阴君，谈建国.上海地区地面太阳紫外线的观测与分析[J].热带气象学报，2006（1）：86-90.