武汉市紫外线辐射强度特征分析及其预测模型的建立
作者：翟红楠 李明
来源：《安徽农业科学》2015年第08期
摘要：利用武汉市2011～2013年的紫外线辐射强度资料和同期气象资料，对武汉市紫外线辐射强度与气象条件的关系进行了分析与统计。结果表明，在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征；1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大；近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化，其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d；紫外线辐射强度的变化与天气条件联系密切，对紫外线辐射强度与大气环境因子进行了相关分析，并得出了等级预测模型，预报效果较为满意。
关键词：紫外线辐射强度；紫外线指数；气象因子；等级预报方程
中图分类号：S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-157-03
紫外辐射在太阳辐射光谱中的谱区范围是100～400 nm，其能量占太阳辐射总量的8%，按照紫外线的不同波长所起的生物作用，可分为3个部分：紫外线A段，波长320～400 nm，约占太阳辐射总量的6.0%，主要是色素沉着作用；紫外线B段，波长290～320 nm，约占太阳辐射总量的1.5%，此段对人体影响较大，主要作用是抗佝偻病和红斑作用，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，波长100～290 nm，约占太阳辐射总量的0.5%，由于几乎完全被臭氧层吸收而不能到达地面[1]。
尽管紫外线辐射所占太阳辐射能量比例比较少，但由于其光量子能量较高，产生的光学作用和生物效应十分显著，对地球气候、生态环境以及人类健康具有重要的影响[2]。适宜强度的紫外线可以消毒杀菌、促进骨骼发育，而强度过高的紫外线是造成人体佝偻病和红斑病，引起皮肤癌、白内障、免疫系统能力下降的主要原因，过量的紫外线辐射还将导致人体免疫功能变异[3]。由于地球大气平流层O3空洞及局部地区O3保护层的变化，使到达地表的紫外线辐射有局部增加的趋势，国际上越来越重视到达地面的紫外线辐射量的变化，许多国家加强了对紫外线辐射、臭氧的监测和研究，并将结果通过媒体定期发布。在我国，虽然此项工作起步较晚，但近几年紫外线强度指数预报已在全国各个城市迅速地开展起来[4]。
武汉市地处中纬度地带，太阳投射角年内存在变化，天气复杂，云量多变，同时空气中所含水汽变化亦大，导致地面紫外线辐射强度变化复杂，因此掌握紫外线指数变化规律，并在此基础上进行紫外线辐射指数预报尤为必要。笔者利用武汉市现有紫外线辐射强度的完整观测资料，对紫外线辐射强度的时间变化特征及与气象因子的关系进行统计分析，增加对武汉市紫外
线辐射强度变化特征的新认识，从而进一步了解影响紫外线辐射强度的主要环境气象因子，为更好地开展武汉市紫外线辐射强度的预报服务工作奠定基础。
1 资料与方法
1.1 资料来源
1.1.1 紫外线辐射强度资料。选取2011年1月～2013年12月紫外线辐射强度观测资料进行分析。观测设备为上海长望气象科技有限公司所生产的TFU_I型紫外线观测仪（波段280～400 nm），观测仪采样频率为10 s，1 min输出一个观测值。仪器安装在武汉市观象台，环境周围无明显污染源，辐射资料有较好的代表性。文中的紫外线辐射值是指10：00～14：00的4 h平均紫外线辐射值，气象要素也为此时段资料。
1.1.2 大气环境资料。
该资料由武汉市气象局提供，时间序列为2011年1月～2013年12月；主要要素包括武汉市逐日地面平均气压、日平均气温、日温差、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日最小相对湿度、24 h降水量、日平均风速、日平均总云量；武汉市空气中逐日SO2、NO2、PM10 3种物质的浓度。
1.2 分析方法 主要采用统计分析方法对武汉市紫外线辐射强度与气象条件的关系进行研究，首先统计分析到达地面的紫外线辐射强度时间序列特征，分析逐日紫外线辐射强度监测值与同期太阳高度角、气象要素（云、温、压、湿、风和降水等）、空气质量要素的相关关系，筛选出相关性较高或关键性气象影响因子、天气过程等综合指标，最后采用逐步回归的方法建立紫外线等级气象条件的预报模型。
2 结果与分析
2.1 武汉市紫外线辐射强度的时间序列变化特征
2.1.1 日际变化特征。选取2014年1月1日武汉市紫外线辐射强度监测资料，当日为晴好天气。从图1可以看出，在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征，即从06：00开始紫外线辐射强度逐渐增大，到12：00左右为一天中紫外线辐射强度最大的时段，13：00以后渐小，到18：00趋于0。分析表明，当天气状况发生变化时，日紫外线呈正态分布的形态也随之改变了。紫外线辐射强度和辐射强度的日变化均与天空云量多寡密切相关，云量少，辐射强度大且辐射强度的日变化幅度较大；云量多，辐射强度弱且日变化幅度小；阴雨天，紫外线辐射强度最弱，辐射强度日变化幅度也最小；天空晴朗少云时，各季节紫外线辐射强度等级的日变化均呈平滑的抛物线。
2.1.2 月际变化特征。由图2可见，武汉市紫外线辐射强度月际变化特征呈现双峰特征。这是由于受太阳高度角的变化使紫外线指数发生相应的日、月、季变化外，到达地面的紫外线
辐射强度受天气状况变化的影响也是很大的。1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大。这种分布主要与太阳高度角变化有关，还与地面反照率、大气污染状况、平流层臭氧以及每天的天空状况等诸多因素的影响有关。虽然一年中夏至（6月21日或6月22日）太阳高度角达到一年中最大值，但由于5、6月份武汉市处于雨季。云雨天气较多，而紫外线辐射强度反而有所下降，7、8月份随着雨水天气的减少，紫外线辐射强度有所回升。
2.1.3 年变化特征。由图3可见，近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化；其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季。
由武汉市紫外线强度等级逐月分布（表1）可见，一年中紫外线达到4级的天数最多，其分布比重分别为1级天数占12.5%、2级天数占11.0%、3级天数占9.3%、4级天数占60.9%、5级天数占6.3%；紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d。
2.2 影响紫外线辐射强度的大气环境因子 对逐日紫外线辐射强度值与太阳高度角、温湿压、云量、空气质量及其变量进行相关分析，寻找关键的影响因子，得出影响武汉市紫外线辐射强度的主要气象因子是气温、云量、太阳高度角、云量和相对湿度等。按照相关系数大小排序为昼夜温差>日最小相对湿度>日最高气温>日平均总云量>日平均低云量>日平均气温>日平均相对湿度>太阳高度角>日温差>日平均气压>日降水量>日均风速；武汉市紫外线辐射强度与城市空气质量要素相关性并不极其显著。
2.3 建立武汉市紫外线辐射强度统计预测模型 根据以下两点原则选择统计建模的大气环境因子：与紫外线辐射强度相关性显著、能正确反映紫外线辐射强度的动态演变；在实际评估或预测中易于获取。选取2011～2012年数据作为训练样本用来建立模型，2013年数据作为测试样本用于检验测试预报效果，得到预测模型为：
Y=10.139+0.577X1+0.270X2-0.164X3-0.669X4，
式中，Y为紫外线辐射强度（W/m2），X1为昼夜温差（℃），X2为正午太阳高度角（°），X3为日最小相对湿度（%）， X4为总云量（成）。
X2太阳高度角计算公式为h=90°-|30.37-ED|、
ED=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9sin2θ-0.171 2sin3θ-0.758 0cosθ+0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ，
其中θ称日角，即θ=2πt/365.242 2；
这里t又由两部分组成，即 t=N-N0，
其中N为积日，所谓积日就是日期在年内的顺序号，如1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366；
N0=79.676 4+0.242 2×（年份-1985）-INT〔（年份-1985）/4〕，
式中，INT表示取整数部分，如INT（3.25）=3。将测试样本代入相应的预报方程得到统计方法预测值，并按照中国气象规定的紫外线等级划分指数（表3）对预测结果进行等级预报检验。若检验标准为拟合值与实测值两者处于同一级算对，否则算错，则预报准确率为
83.56%；若检验标准为拟合值与实测值两者处于同一级或差一级算对，否则算错，则预报准确率为96.16%。
3 小结与讨论
（1）在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征。
（2）1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大。
（3）近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化；其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d。
（4）紫外线辐射强度的变化与天气条件联系密切，对紫外线辐射强度与大气环境因子进行了相关分析，得出影响武汉市紫外线辐射强度的主要气象因子是气温、云量、太阳高度角、云量和相对湿度等，武汉市紫外线辐射强度与城市空气质量要素相关性并不极其显著。同时文中得出了等级预测模型，预报效果较为满意。
（5）由于资料时间序列长度问题，未能反映出紫外线辐射的年际变化特征，未能探讨紫外线辐射强度年际变化与大气臭氧含量、平流层臭氧含量间的关系。下一步统计分析紫外线辐射强度的年际变化特征以及其与太阳总辐射的关系。
参考文献
[1] 刘敏，康邵钧，徐凤梅，等.商丘紫外线指数变化规律及气象因子影响分析[J].气象科技，2007（6）：845-847.
[2] 王继鹏，魏敏，张冉.鲁中山区紫外线指数强度分布特征研究[J].安徽农业科学，2008，36（36）：16034-16035.
[3] 沈元芳，况石.紫外线模式预报方法的研究和试验[J].应用气象学报，2002（13）：223-230.
[4] 祝青林，于贵瑞，蔡福，等.中国紫外辐射的空间分布特征[J].资源科学，2005，27
（1）：
113-116.
武汉市紫外线辐射强度特征分析及其预测模型的建立
作者：翟红楠 李明
来源：《安徽农业科学》2015年第08期
摘要：利用武汉市2011～2013年的紫外线辐射强度资料和同期气象资料，对武汉市紫外线辐射强度与气象条件的关系进行了分析与统计。结果表明，在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征；1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大；近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化，其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d；紫外线辐射强度的变化与天气条件联系密切，对紫外线辐射强度与大气环境因子进行了相关分析，并得出了等级预测模型，预报效果较为满意。
关键词：紫外线辐射强度；紫外线指数；气象因子；等级预报方程
中图分类号：S161 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）08-157-03
紫外辐射在太阳辐射光谱中的谱区范围是100～400 nm，其能量占太阳辐射总量的8%，按照紫外线的不同波长所起的生物作用，可分为3个部分：紫外线A段，波长320～400 nm，约占太阳辐射总量的6.0%，主要是色素沉着作用；紫外线B段，波长290～320 nm，约占太阳辐射总量的1.5%，此段对人体影响较大，主要作用是抗佝偻病和红斑作用，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，波长100～290 nm，约占太阳辐射总量的0.5%，由于几乎完全被臭氧层吸收而不能到达地面[1]。
尽管紫外线辐射所占太阳辐射能量比例比较少，但由于其光量子能量较高，产生的光学作用和生物效应十分显著，对地球气候、生态环境以及人类健康具有重要的影响[2]。适宜强度的紫外线可以消毒杀菌、促进骨骼发育，而强度过高的紫外线是造成人体佝偻病和红斑病，引起皮肤癌、白内障、免疫系统能力下降的主要原因，过量的紫外线辐射还将导致人体免疫功能变异[3]。由于地球大气平流层O3空洞及局部地区O3保护层的变化，使到达地表的紫外线辐射有局部增加的趋势，国际上越来越重视到达地面的紫外线辐射量的变化，许多国家加强了对紫外线辐射、臭氧的监测和研究，并将结果通过媒体定期发布。在我国，虽然此项工作起步较晚，但近几年紫外线强度指数预报已在全国各个城市迅速地开展起来[4]。
武汉市地处中纬度地带，太阳投射角年内存在变化，天气复杂，云量多变，同时空气中所含水汽变化亦大，导致地面紫外线辐射强度变化复杂，因此掌握紫外线指数变化规律，并在此基础上进行紫外线辐射指数预报尤为必要。笔者利用武汉市现有紫外线辐射强度的完整观测资料，对紫外线辐射强度的时间变化特征及与气象因子的关系进行统计分析，增加对武汉市紫外
线辐射强度变化特征的新认识，从而进一步了解影响紫外线辐射强度的主要环境气象因子，为更好地开展武汉市紫外线辐射强度的预报服务工作奠定基础。
1 资料与方法
1.1 资料来源
1.1.1 紫外线辐射强度资料。选取2011年1月～2013年12月紫外线辐射强度观测资料进行分析。观测设备为上海长望气象科技有限公司所生产的TFU_I型紫外线观测仪（波段280～400 nm），观测仪采样频率为10 s，1 min输出一个观测值。仪器安装在武汉市观象台，环境周围无明显污染源，辐射资料有较好的代表性。文中的紫外线辐射值是指10：00～14：00的4 h平均紫外线辐射值，气象要素也为此时段资料。
1.1.2 大气环境资料。
该资料由武汉市气象局提供，时间序列为2011年1月～2013年12月；主要要素包括武汉市逐日地面平均气压、日平均气温、日温差、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日最小相对湿度、24 h降水量、日平均风速、日平均总云量；武汉市空气中逐日SO2、NO2、PM10 3种物质的浓度。
1.2 分析方法 主要采用统计分析方法对武汉市紫外线辐射强度与气象条件的关系进行研究，首先统计分析到达地面的紫外线辐射强度时间序列特征，分析逐日紫外线辐射强度监测值与同期太阳高度角、气象要素（云、温、压、湿、风和降水等）、空气质量要素的相关关系，筛选出相关性较高或关键性气象影响因子、天气过程等综合指标，最后采用逐步回归的方法建立紫外线等级气象条件的预报模型。
2 结果与分析
2.1 武汉市紫外线辐射强度的时间序列变化特征
2.1.1 日际变化特征。选取2014年1月1日武汉市紫外线辐射强度监测资料，当日为晴好天气。从图1可以看出，在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征，即从06：00开始紫外线辐射强度逐渐增大，到12：00左右为一天中紫外线辐射强度最大的时段，13：00以后渐小，到18：00趋于0。分析表明，当天气状况发生变化时，日紫外线呈正态分布的形态也随之改变了。紫外线辐射强度和辐射强度的日变化均与天空云量多寡密切相关，云量少，辐射强度大且辐射强度的日变化幅度较大；云量多，辐射强度弱且日变化幅度小；阴雨天，紫外线辐射强度最弱，辐射强度日变化幅度也最小；天空晴朗少云时，各季节紫外线辐射强度等级的日变化均呈平滑的抛物线。
2.1.2 月际变化特征。由图2可见，武汉市紫外线辐射强度月际变化特征呈现双峰特征。这是由于受太阳高度角的变化使紫外线指数发生相应的日、月、季变化外，到达地面的紫外线
辐射强度受天气状况变化的影响也是很大的。1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大。这种分布主要与太阳高度角变化有关，还与地面反照率、大气污染状况、平流层臭氧以及每天的天空状况等诸多因素的影响有关。虽然一年中夏至（6月21日或6月22日）太阳高度角达到一年中最大值，但由于5、6月份武汉市处于雨季。云雨天气较多，而紫外线辐射强度反而有所下降，7、8月份随着雨水天气的减少，紫外线辐射强度有所回升。
2.1.3 年变化特征。由图3可见，近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化；其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季。
由武汉市紫外线强度等级逐月分布（表1）可见，一年中紫外线达到4级的天数最多，其分布比重分别为1级天数占12.5%、2级天数占11.0%、3级天数占9.3%、4级天数占60.9%、5级天数占6.3%；紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d。
2.2 影响紫外线辐射强度的大气环境因子 对逐日紫外线辐射强度值与太阳高度角、温湿压、云量、空气质量及其变量进行相关分析，寻找关键的影响因子，得出影响武汉市紫外线辐射强度的主要气象因子是气温、云量、太阳高度角、云量和相对湿度等。按照相关系数大小排序为昼夜温差>日最小相对湿度>日最高气温>日平均总云量>日平均低云量>日平均气温>日平均相对湿度>太阳高度角>日温差>日平均气压>日降水量>日均风速；武汉市紫外线辐射强度与城市空气质量要素相关性并不极其显著。
2.3 建立武汉市紫外线辐射强度统计预测模型 根据以下两点原则选择统计建模的大气环境因子：与紫外线辐射强度相关性显著、能正确反映紫外线辐射强度的动态演变；在实际评估或预测中易于获取。选取2011～2012年数据作为训练样本用来建立模型，2013年数据作为测试样本用于检验测试预报效果，得到预测模型为：
Y=10.139+0.577X1+0.270X2-0.164X3-0.669X4，
式中，Y为紫外线辐射强度（W/m2），X1为昼夜温差（℃），X2为正午太阳高度角（°），X3为日最小相对湿度（%）， X4为总云量（成）。
X2太阳高度角计算公式为h=90°-|30.37-ED|、
ED=0.372 3+23.256 7sinθ+0.114 9sin2θ-0.171 2sin3θ-0.758 0cosθ+0.365 6cos2θ+0.020 1cos3θ，
其中θ称日角，即θ=2πt/365.242 2；
这里t又由两部分组成，即 t=N-N0，
其中N为积日，所谓积日就是日期在年内的顺序号，如1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366；
N0=79.676 4+0.242 2×（年份-1985）-INT〔（年份-1985）/4〕，
式中，INT表示取整数部分，如INT（3.25）=3。将测试样本代入相应的预报方程得到统计方法预测值，并按照中国气象规定的紫外线等级划分指数（表3）对预测结果进行等级预报检验。若检验标准为拟合值与实测值两者处于同一级算对，否则算错，则预报准确率为
83.56%；若检验标准为拟合值与实测值两者处于同一级或差一级算对，否则算错，则预报准确率为96.16%。
3 小结与讨论
（1）在没有其他因素的影响下，紫外线辐射强度日变化曲线与太阳高度角变化保持一致，基本呈现正态分布的特征。
（2）1～2月和11～12月紫外线辐射强度最小，3～10月较大，7～8月最大。
（3）近3年来武汉市年紫外线辐射强度值基本持平，无明显年际增减变化；其季节变化特征为紫外线辐射强度夏季>春季>秋季>冬季；3年里紫外线辐射强度等级出现最少的为5级，仅69 d；出现最多的为4级，共667 d。
（4）紫外线辐射强度的变化与天气条件联系密切，对紫外线辐射强度与大气环境因子进行了相关分析，得出影响武汉市紫外线辐射强度的主要气象因子是气温、云量、太阳高度角、云量和相对湿度等，武汉市紫外线辐射强度与城市空气质量要素相关性并不极其显著。同时文中得出了等级预测模型，预报效果较为满意。
（5）由于资料时间序列长度问题，未能反映出紫外线辐射的年际变化特征，未能探讨紫外线辐射强度年际变化与大气臭氧含量、平流层臭氧含量间的关系。下一步统计分析紫外线辐射强度的年际变化特征以及其与太阳总辐射的关系。
参考文献
[1] 刘敏，康邵钧，徐凤梅，等.商丘紫外线指数变化规律及气象因子影响分析[J].气象科技，2007（6）：845-847.
[2] 王继鹏，魏敏，张冉.鲁中山区紫外线指数强度分布特征研究[J].安徽农业科学，2008，36（36）：16034-16035.
[3] 沈元芳，况石.紫外线模式预报方法的研究和试验[J].应用气象学报，2002（13）：223-230.
[4] 祝青林，于贵瑞，蔡福，等.中国紫外辐射的空间分布特征[J].资源科学，2005，27
（1）：
113-116.