劉慧 胡波 王躍思 王式功

1蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000

2中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

1 引言

紫外輻射（290～400 nm）占太陽總輻射的比例很小，在大氣層頂也只有8%左右 (Lovengreen et al., 2000；Santos et al., 2011)，但由于其光量子能級較高，所產(chǎn)生的光化學(xué)作用、植物光合作用等生物效應(yīng)十分顯著。紫外輻射對氣候、生態(tài)環(huán)境及人類健康都有重要影響（鄧雪嬌等，2003），特別是隨著臭氧洞的發(fā)現(xiàn)，紫外輻射的觀測估測已逐漸成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)之一。

紫外輻射可以通過破壞蛋白質(zhì)中的化學(xué)鍵來損壞生物個(gè)體細(xì)胞，通過破壞植物葉片來抑制光合作用，從而對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。另外，平流層臭氧的減少會(huì)導(dǎo)致對流層紫外輻射上升，這將加快近地面層光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，產(chǎn)生更多的二次污染物，使得近地面空氣質(zhì)量惡化，對人類健康和生活環(huán)境產(chǎn)生直接影響（Diffey，1991）。澳大利亞每10萬人中有800人、美國每10萬人中有250人得皮膚癌，在盛行日光浴的美國和加拿大，每年新增的皮膚癌患者超過100萬人。因此有必要大量開展紫外輻射的觀測與估測研究。

目前紫外輻射的預(yù)報(bào)方法可分為模式和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)兩種方法（吳兌，2000）。沈元芳等（2009）應(yīng)用 GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）模式中的Goddard短波輻射方案①Chou M D, Suarez M J. 1999. A Solar Radiation Parameterization (CLIRAD-SW)for Atmospheric Studies. http://climate.gsfc.nasa.gov/~ chou [2015–01–06].，建立了紫外線數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。傅炳珊等（2002）在大氣輻射傳輸理論的基礎(chǔ)上，利用中分辨率大氣輻射傳輸模式，建立晴空或少云天氣狀況下石家莊市紫外波段輻射強(qiáng)度及指數(shù)預(yù)報(bào)模式。李春（2003）依據(jù)拉薩地區(qū)不同月份紫外輻射占全波段太陽總輻射的比例關(guān)系和全波段太陽總輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法，提出了一套紫外線指數(shù)統(tǒng)計(jì)估測方法。王繁強(qiáng)等（2005）、毛則劍和張立峰（2007）、叢菁等（2009）、曲曉黎等（2011）分析紫外輻射與能見度、云量、溫度、相對濕度等氣象要素的相關(guān)性，選出相關(guān)性較大的要素作為因子，采用多元回歸方法估測紫外輻射，但是直接采用氣溫日較差來進(jìn)行紫外輻射估測的研究較少，本文擬利用2005～2011年長時(shí)間的輻射觀測資料分析總輻射與紫外輻射的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過氣溫日較差建立總輻射估測方法，從而建立紫外輻射估測模型。

2 站點(diǎn)和數(shù)據(jù)介紹

2.1 站點(diǎn)介紹

禹城站（36°40′N，116°22′E）位于我國華北平原東部，該地區(qū)是典型暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13.1°C，降雨量582 mm，水面蒸發(fā)力952 mm，太陽輻射總量5225 MJ m-2，日照時(shí)數(shù)2640小時(shí)，大于0°C積溫為4951°C，大于10°C積溫為4441°C，無霜期200天，光熱資源豐富，雨熱同期，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2.2 儀器介紹

氣象要素使用Milos520（Vaisala，芬蘭）自動(dòng)氣象站觀測，其中溫度精度為 0.2°C，相對濕度精度為±2%。自動(dòng)站輻射觀測使用儀器為 Kipp &Zonen（荷蘭）生產(chǎn)的輻射表, 輻射表的參數(shù)如表1所示。氣象要素和輻射數(shù)據(jù)采用 DM520數(shù)據(jù)采集器采集, 采集頻率為每分鐘采集一次。

表1 輻射表參數(shù)Table 1 The parameters for pyranometers

總輻射表每年在春季采用“交替法”進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定精度為±3%，紫外輻射表采用輻射標(biāo)準(zhǔn)燈和紫外—可見光光譜儀進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定精度為±10%。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

（1）同一地理位置觀測的總輻射和紫外輻射應(yīng)分別小于大氣層頂?shù)目傒椛渑c紫外輻射，否則直接將數(shù)據(jù)剔除（Geiger et al., 2002）。大氣層頂?shù)目傒椛浜妥贤廨椛淞坎扇oyo-Moreno et al.（1999）提出的計(jì)算方案。

（2）夜間輻射的觀測值應(yīng)該小于0，或者由于儀器零點(diǎn)漂移造成不大于5 W m-2瞬時(shí)輸出值，處理時(shí)全部用0代替。

（3）白天總輻射觀測的極小值應(yīng)該大于連續(xù)陰天時(shí)總輻射的觀測值，即剔除白天平均無云指數(shù)（地基總輻射與大氣層頂總輻射的比值）小于0.03的數(shù)據(jù)（Omran，2000）。

（4）由于輻射儀器的余弦效應(yīng)，在太陽高度角較低時(shí)會(huì)帶來很大的觀測誤差，剔除太陽高度角小于 10°的數(shù)據(jù)（Huang et al., 2011）。

對禹城近7年的瞬時(shí)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，直接刪除其中不合格的數(shù)據(jù)，刪除比例為1.1%左右。

3 紫外輻射變化特征及估算公式的建立

3.1 紫外輻射變化特征

通過2005年1月1日至2011年12月31日的輻射觀測數(shù)據(jù)對禹城到達(dá)地面的紫外輻射變化規(guī)律，紫外輻射與總輻射及其相關(guān)要素的關(guān)系進(jìn)行分析。

從圖1可以看出，總輻射和紫外輻射日累計(jì)值的季節(jié)變化規(guī)律一致，都是冬季小，春末夏初大，總輻射日累計(jì)值的變化范圍在5～30 MJ m-2d-1之間，年均值13.525 MJ m-2d-1，紫外輻射日累計(jì)值的變化范圍在0.1～1.20 MJ m-2d-1之間，年均值為0.468 MJ m-2d-1。造成這種變化的原因主要是地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致一年中的太陽位置季節(jié)變化。夏季太陽直射點(diǎn)靠近北回歸線，此時(shí)華北地區(qū)的太陽高度角較大，禹城地區(qū)接收的天文輻射較大，即該區(qū)域的總輻射和紫外輻射都達(dá)到極大值；冬季則反之。Hu et al.（2010）利用北京地區(qū)2005年1月到2008年6月的輻射資料，得到紫外輻射平均日累計(jì)值為0.37±0.17 MJ m-2d-1。張興華等（2012）利用拉薩2005～2010年的輻射資料，得到紫外輻射平均日累計(jì)值為0.87 MJ m-2d-1，比禹城高，主要是因?yàn)槔_海拔高，空氣比較稀薄，對太陽輻射的削弱小，到達(dá)地面的太陽輻射較強(qiáng)。

2005～2011年禹城總輻射和紫外輻射的月平均日累計(jì)值變化規(guī)律如圖2所示，總輻射和紫外輻射呈現(xiàn)“夏季大冬季小”的季節(jié)變化特征?？傒椛浜妥贤廨椛湓缕骄绽塾?jì)值最小值出現(xiàn)在2006年1月，其數(shù)值分別為4.864 MJ m-2d-1和0.139 MJ m-2d-1；最大值出現(xiàn)在2009年6月，分別為22.693 MJ m-2d-1和 0.834 MJ m-2d-1。表2給出了禹城2005～2011年月降水量的季節(jié)變化，降水主要集中在 7、8月份，云量和大氣中的水汽增加，更多的太陽輻射被吸收，總輻射與紫外輻射月平均日累計(jì)最大值都出現(xiàn)在5、6月份，而不是相對多雨的7、8月份。

表2 禹城2005～2011年平均月降水量的季節(jié)變化Table 2 Mean of the monthly precipitation in Yucheng during 2005-2011

圖1 禹城2005～2011年總輻射和紫外輻射日累積值的逐日變化Fig. 1 Temporal variation of the daily total values of solar radiation and ultraviolet (UV)radiation in Yucheng during 2005-2011

總輻射與紫外輻射的日變化規(guī)律一致（圖3），都呈現(xiàn)為早晚小中午大，即06:00（地方時(shí)，下同）總輻射和紫外輻射值最低，分別為0.298 MJ m-2和0.01 MJ m-2；隨著太陽高度角的增大總輻射和紫外輻射逐漸增大，到12:00達(dá)到最大，其值分別為1.98 MJ m-2和0.07 MJ m-2，之后隨著太陽高度角的減小，輻射量逐漸減小，到18:00出現(xiàn)極小值；總輻射和紫外輻射的極小值分別為0.299 MJ m-2和0.01 MJ m-2。導(dǎo)致這種變化的主要原因是地球自轉(zhuǎn)，由于太陽高度角日變化規(guī)律造成輻射的日變化特征。張興華等（2012）利用拉薩地區(qū) 2005～2010年數(shù)據(jù)得到總輻射小時(shí)累計(jì)值變化范圍為 0.227～2.970 MJ m-2，紫外輻射為0.009～0.126 MJ m-2，比禹城地區(qū)稍大。

3.2 紫外輻射與總輻射的比值

由于紫外輻射與總輻射有相同的季節(jié)變化和日變化規(guī)律，因此通過研究紫外輻射與總輻射比值的變化規(guī)律有助于我們更好地了解紫外輻射，利用該比值的變化特征結(jié)合總輻射的歷史觀測數(shù)據(jù)獲得大量的紫外輻射用于相關(guān)的研究。圖4為2005～2011年紫外輻射與總輻射比值的月變化規(guī)律圖，其變化范圍為 0.023～0.046，這與 Robaa（2004）利用 4年的埃及開羅數(shù)據(jù)得到的比值范圍 0.027～0.049一致。江灝等（1994）利用HEIFE綠洲區(qū)1991年的觀測數(shù)據(jù)得到比值范圍為 0.026～0.034，比禹城地區(qū)略小。HEIFE綠洲區(qū)1991年平均相對濕度為49.64%，禹城2005～2011年年平均相對濕度為66.94%，可能由于禹城的水汽含量相對較高，導(dǎo)致比值較大。紫外輻射與總輻射比值的季節(jié)變化規(guī)律也呈現(xiàn)“夏季大冬季小”的特征，且夏季變化幅度大于冬季。紫外輻射與總輻射的比值最大值在2008年7月，為0.046；最小值在2005年1月，為0.023。紫外輻射與總輻射比值的季節(jié)變化主要取決于水汽的季節(jié)變化（Hu et al., 2010），用相對濕度來表征水汽含量，由圖4可以看出，比值Fuv與相對濕度 RH的變化一致，水汽對近紅外輻射的吸收較強(qiáng)，而對短波輻射的吸收相對較少，水汽含量的增多使得比值變大，反之則變小。

圖2 2005～2011年紫外輻射的逐月變化Fig. 2 The monthly variation of UV radiation during 2005-2011

圖3 近7年禹城地區(qū)總輻射和紫外輻射的日變化圖Fig. 3 Diurnal variation of the 7-year mean hourly values of solar radiation and UV radiation in Yucheng

圖4 2005～2011年紫外輻射與總輻射比值和相對濕度（RH）的逐月變化Fig. 4 Temporal variation of the monthly mean ratio of ultraviolet radiation to solar radiation and relative humidity (RH)during 2005-2011

影響到達(dá)地面的紫外輻射量的因子除了太陽高度角、臭氧外，云和氣溶膠的影響也較大。然而，由于云和氣溶膠的觀測較少，定量化研究也比較困難，通常通過平均晴空指數(shù)（地面觀測到的太陽總輻射與大氣層頂?shù)目傒椛渲龋┳鳛樵坪蜌馊苣z的識別因子（張興華等，2012）來開展氣溶膠、云對紫外輻射影響的研究。圖5為紫外輻射與總輻射的比值隨晴空指數(shù) Ks的變化趨勢圖，在 Ks小于 0.4時(shí)，比值的變化范圍為 0.02～0.08，波動(dòng)較大，原因可能是Ks較小時(shí)，對應(yīng)于太陽高度角較小或者云量較多的情況。在太陽高度角較小時(shí)，大氣光化學(xué)路徑相對較長，大氣分子的瑞利散射對波長較短的紫外輻射有較強(qiáng)的削弱作用，致使比值較小；在云量較多時(shí)，可能由于水汽大量吸收波長較長的紅外輻射致使比值較大，也可能由于水汽中的細(xì)微粒對紫外輻射的削弱較強(qiáng)致使比值較小。在Ks大于0.5時(shí)比值相對比較穩(wěn)定，基本維持在 0.03左右，與Feister and Grasnick（1992）的結(jié)論一致，可能是因?yàn)镵s較大時(shí)，總輻射較高，多在夏季晴天，天氣條件比較一致，使得比值相對穩(wěn)定。

3.3 紫外輻射估算公式的建立

圖5 紫外輻射和總輻射比值與晴空指數(shù)（Ks）的關(guān)系Fig. 5 Relationship between the ratio of ultraviolet radiation to solar radiation and the clearness index (Ks)

圖6 紫外輻射隨太陽高度角正弦值的變化（不同顏色代表不同的Ks）Fig. 6 UV irradiances as function of sine of the solar elevation angle (different Ks values were represented by different colors)

圖6為不同Ks范圍時(shí)，紫外輻射（Ruv）隨太陽高度角正弦值（μ）的變化，Ks從0.03開始，按0.01增長，不同顏色代表不同的Ks值，對于特定的Ks，紫外輻射隨μ以指數(shù)形式增長（Hu et al., 2010），即

式中，uvmR 表示單位Ks區(qū)間內(nèi)紫外輻射最大值，隨機(jī)選取2005～2011年一半的數(shù)據(jù)做其與Ks的散點(diǎn)圖，如圖7所示，滿足三次函數(shù)關(guān)系，即

紫外輻射按小時(shí)累計(jì)值的計(jì)算公式為

紫外輻射日累計(jì)值的計(jì)算公式為

其中，td為太陽高度角大于10°的小時(shí)數(shù)，為平均晴空指數(shù)（到達(dá)地面的日累計(jì)總輻射與日累計(jì)天文輻射之比）。代入?yún)?shù)a，b，c，d，N的擬合值，得到紫外輻射日累計(jì)值的計(jì)算公式

把隨機(jī)選取后剩余的一半數(shù)據(jù)代入公式（5）計(jì)算紫外輻射日累計(jì)值，圖8是計(jì)算值與實(shí)測值得對比，平均相對誤差為0.09，91%的數(shù)據(jù)相對誤差小于0.2，決定系數(shù)R2為0.97，圖中RMSE為均方根誤差，Ns為樣本數(shù)量。根據(jù)公式（5）計(jì)算紫外輻射日累計(jì)值的精度較高，只要能夠估測出太陽總輻射即可實(shí)現(xiàn)紫外輻射的估測。

3.4 基于溫度日較差的紫外輻射估測

公式（5）中太陽高度角正弦值μ和td可以通過緯度、經(jīng)度和日期等計(jì)算得到，只要能夠估測出晴空指數(shù)Ks即可得到紫外輻射的估測。

目前很多學(xué)者利用常規(guī)氣象觀測要素建立太陽輻射的估算模型，其中，最常用的有日照百分率模型和氣溫日較差模型。Angstrom（1924）最先提出太陽輻射的日照百分率模型

式中，S為日照百分率，a，b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

圖9為晴空指數(shù)的季節(jié)變化，該變化趨勢與圖10中氣溫日較差（tΔ）的季節(jié)變化趨勢一致。根據(jù)地表能量平衡，白天到達(dá)地表的太陽輻射較多時(shí)，云量相對較少，晝夜溫差增大（Almorox et al.,2011），所以晴空指數(shù)與氣溫日較差的變化趨勢一致。Bristow and Campbell（1984）提出了一個(gè)基于氣溫日較差的太陽輻射估算模型，該模型認(rèn)為日總輻射是天文輻射和氣溫日較差的函數(shù)，即

Wu et al.（2007）、葉建圣（2010）、鄧艷君（2012）等人比較了兩種模型，發(fā)現(xiàn)日照百分率模型的計(jì)算值更接近于觀測值。但是，次日的日照百分率估測比較困難，因此選用氣溫日較差模型對太陽總輻射進(jìn)行估測。

圖7 單位晴空指數(shù)區(qū)間內(nèi)紫外輻射最大值（Ruvm）與晴空指數(shù)Ks的關(guān)系Fig. 7 The relationship between Ruvm (the maximum value of UV radiation per Ks)and Ks at Yucheng station

到達(dá)地面的太陽總輻射與氣溫日較差、水汽等相關(guān)，很多學(xué)者對氣溫日較差模型進(jìn)行了改進(jìn)，Hargreaves et al.（1985）、Hunt et al.（1998）、Wu et al.（2007）等人提出了改進(jìn)的氣溫日較差模型，用Hunta和Huntb表示Hunt et al.（1998）提出的兩種計(jì)算方法。

圖8 紫外輻射計(jì)算值與實(shí)測值的對比Fig. 8 The comparison of calculated and measured UV radiation, Ns represents the number of samples

圖9 晴空指數(shù)的季節(jié)變化Fig. 9 The seasonal variation of clearness index

圖10 溫度日較差開方（）的季節(jié)變化Fig. 10 The seasonal variation of the square root of diurnal temperature range ( )

隨機(jī)選取2005～2011年一半數(shù)據(jù)來擬合（7）～（11）式，a0，a1，a2，a3，a4的值如表3所示，Rs為到達(dá)地面的太陽總輻射（MJ m-2d-1），R0為到達(dá)大氣頂?shù)奶柨傒椛洌∕J m-2d-1），tmax為日最高氣溫（°C），tmin為日最低氣溫（°C），P 為日降水量（mm），tm為日平均氣溫（°C），Tdm為日平均露點(diǎn)溫度（°C），Pt代表降水量對太陽輻射的影響，當(dāng)降雨量大于0 mm時(shí)，Pt=1，在原公式上加一個(gè)常數(shù)，否則Pt為0。

由于Wu et al.（2007）計(jì)算的總輻射與實(shí)測總輻射的R2最大（表 3），且平均相對誤差最小，選取該方法來估測總輻射。

3.5 溫度日較差估測紫外輻射的檢驗(yàn)

把隨機(jī)選取后剩余的另一半數(shù)據(jù)代入Wu et al.（2007）的計(jì)算公式，得到總輻射計(jì)算值，與實(shí)測值的比較如圖11所示，R2達(dá)0.80，平均相對誤差為0.19，擬合效果較好。

由計(jì)算出來的太陽輻射日總量與天文輻射日總量之比得到平均晴空指數(shù)，代入公式（5）估測紫外輻射日總量。圖 12為紫外輻射估測值與實(shí)測值的對比，R2達(dá)到0.73，平均相對誤差為0.22，估測效果較好。

圖11 總輻射計(jì)算值與實(shí)測值比較Fig. 11 The comparison of calculated and measured solar radiation

圖12 紫外輻射計(jì)算值與實(shí)測值的對比Fig. 12 The comparison of calculated and measured UV radiation

表3 計(jì)算總輻射的參數(shù)Table 3 The parameters of total radiation calculation

以紫外輻射月平均日總量最大值的十分之一作為紫外線指數(shù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位（祝青林等，2005），并按照中氣預(yù)發(fā) [2000]11號文標(biāo)準(zhǔn)，對紫外線指數(shù)進(jìn)行等級劃分，有95 %的紫外線等級估測與實(shí)測值相差不大于1，估測效果較好。

4 小結(jié)

通過禹城站近7年觀測數(shù)據(jù)獲得了該區(qū)域紫外輻射的變化規(guī)律，并建立了利用溫度日較差估測紫外輻射的方法，結(jié)論如下：

（1）紫外輻射與總輻射有一致的年、月、日變化規(guī)律，由于地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致總輻射與紫外輻射都呈冬季小夏季大的季節(jié)分布特征，由于地球自轉(zhuǎn)使得總輻射和紫外輻射都呈早晚小中午大的日變化特點(diǎn)。紫外輻射日累計(jì)值基本維持在0.1～1.20MJ m-2d-1，平均值為0.468 MJ m-2d-1。

（2）紫外輻射與總輻射的比值范圍在 0.023～0.046，呈夏大冬小的特征，并且夏季的變化幅度大于冬季，該比值隨晴空指數(shù)的增大而減小，在晴空指數(shù)大于0.5時(shí)比較穩(wěn)定。

（3）可以由溫度日較差估測總輻射，R2達(dá)0.80，平均相對誤差為 0.19，再由總輻射計(jì)算晴空指數(shù)Ks，結(jié)合太陽高度角和可照時(shí)數(shù)估測紫外輻射日累計(jì)值，R2達(dá)0.73，相對均方根誤差為0.22，估測紫外線等級與實(shí)測紫外線等級相差不大于1的數(shù)據(jù)占95%，估測效果較好。

（4）影響到達(dá)地面總輻射的因子除了氣溫、水汽外還有其他很多因子，本文考慮得不全面，氣溫日較差模型準(zhǔn)確率需要進(jìn)一步改進(jìn)。

致謝感謝CERN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與維護(hù)團(tuán)隊(duì)的工作，感謝中國科學(xué)院禹城生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的老師對儀器的維護(hù)。

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