長沙地區(qū)紫外線輻射觀測分析

周志剛，廖 偉，楊志峰，周小勇，張 鵬

(1.長沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南 長沙 410004；2.江西省高速公路投資集團有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000)

0 引言

在道路工程中，路面瀝青材料、加筋土擋墻中土工格柵加筋之類土工合成材料均屬于高分子材料，在施工和使用期間，均可能受到大量的紫外線輻射，使它們發(fā)生光氧化現(xiàn)象，即產(chǎn)生老化現(xiàn)象，致使材料強度等力學(xué)性能顯著下降。人們在室內(nèi)采用紫外線照射方式加速瀝青、土工合成材料等的老化，以研究老化對其性能的影響[1]。由于各個地區(qū)紫外線輻射情況不同，為了研究這些路用材料在紫外線輻射下的老化性能，有必要系統(tǒng)地測試分析野外太陽紫外線輻射規(guī)律，以為室內(nèi)加速老化模擬試驗提供依據(jù)。國外對紫外線的研究比較早，而我國主要從20世紀(jì)90年代開始對紫外線輻射進行各種觀測分析。如北京市氣象科學(xué)研究所的李青春[2]利用1999-2000年的紫外線觀測資料，建立了北京地區(qū)的紫外線預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)。沈陽市衛(wèi)生監(jiān)督所的王磊石、楊麗麗[3]對2006年沈陽市的紫外線輻射量變化進行監(jiān)測，得到各季節(jié)的紫外線輻射量和全年的輻射量。這些研究分別針對當(dāng)?shù)氐奶栞椛浠蜃贤饩€觀測資料，預(yù)測室外不同季節(jié)、月份或年累積紫外線輻射量，并分析云、霧等天氣因素對紫外線輻射強度的影響。本文根據(jù)室內(nèi)外紫外線輻射對瀝青、土工格柵等材料老化性能的影響的研究需要，通過對長沙地區(qū)2016-2017年全年室外紫外線的觀測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究紫外線輻射隨天氣氣溫、季節(jié)、一天中不同時間段等的變化規(guī)律，為道路材料老化性能研究提供試驗依據(jù)。

1 紫外線輻射強度觀測方法

2 測試數(shù)據(jù)分析

2.1 一天不同時段紫外線輻射變化

圖1 2016-07-07紫外線輻射強度變化曲線圖

2.2 季節(jié)性的紫外線輻射變化

圖2 日累積紫外線輻射量隨季節(jié)變化曲線圖

將日累積紫外線輻射量按照觀測月份進行排序，如圖2所示。由圖2可知，日累積紫外線輻射量明顯較大的為5～9月份，其中2016-07-07的日累積紫外線輻射量達到了全年的最高值1.05 MJ/m2。而冬季的1、2月的日累積紫外線輻射量最低，最小值為0.017 MJ/m2，出現(xiàn)在2017-01-09。由此可知，冬季與夏季的日累積紫外線輻射量差別很大，這是由于太陽天頂角隨季節(jié)而變化造成的。夏季時，太陽靠近地球，太陽輻射到達地表所需要的光程相對較短，被地球大氣吸收的輻射量較多，損失的輻射量也較少，而在冬季太陽逐漸遠離地球，太陽輻射難以到達地面，所以強度和輻射量均會明顯降低。

2.3 天氣對紫外線輻射的影響

根據(jù)測試時天氣狀況記錄與當(dāng)天紫外線輻射測試數(shù)據(jù)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日的最高氣溫同為34℃，它們的天氣狀況分別為天晴、陣雨轉(zhuǎn)多云、陣雨、多云、多云。而日累積紫外線輻射量分別對應(yīng)為1.05 MJ/m2、0.43 MJ/m2、0.44 MJ/m2、0.84 MJ/m2和0.67 MJ/m2。表明每日的不同云況直接導(dǎo)致了日累積紫外線輻射量的變化。因為云量對紫外線輻射的遮擋能力很強，紫外線很難穿透濃厚的云層。在有云的天氣中，云量的多少與云狀的不同會影響太陽紫外線輻射到達地面的強度。當(dāng)云層較厚時，紫外線被云層大量吸收，導(dǎo)致到達地面的紫外輻射減弱。

3 紫外線輻射量統(tǒng)計分析

瀝青、土工合成材料等加速老化時需要計算紫外線累積輻射量。為此，本文參考他人做法[4]，考慮天氣狀況(晴天、多云、陰雨)的影響，利用紫外線輻射觀測數(shù)據(jù)與當(dāng)日最高氣溫，分別擬合得到三種天氣狀況時的日累計紫外線輻射量與最高氣溫的經(jīng)驗關(guān)系式，依據(jù)最高氣溫對年累積紫外線輻射量進行預(yù)估。

3.1 日累積紫外線輻射量

根據(jù)圖3～5所示的晴天、多云、陰雨天氣的日累積紫外線輻射量和最高溫度關(guān)系，分別采用式(1)、(2)對日累積紫外線輻射量與最高氣溫的關(guān)系進行擬合：

Y=a+becx

(1)

Y=ax+bc

(2)

式中，Y——任意日期日累積紫外線輻射量，MJ/m2；

x——任意日期最高氣溫，℃；a、b、c為擬合參數(shù)，其值如表1所示。

圖3 晴天日累積紫外線輻射量-最高氣溫關(guān)系圖

圖4 多云日累積紫外線輻射量-最高氣溫關(guān)系圖

圖5 陰雨日累積紫外線輻射量-最高氣溫關(guān)系圖

擬合公式天氣分類abc相關(guān)系數(shù)晴天0.1200.0110.1190.949 6(1)多云0.0000.0620.070 60.923 0陰雨-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陰雨0.014 4-5.2750.8760.731 1

從表1中可以看出，關(guān)于日累積紫外線輻射量與最高氣溫關(guān)系的兩個公式中，晴天時相關(guān)系數(shù)分別為：0.949 6、0.925 0；多云時相關(guān)系數(shù)分別為：0.923 0、0.939 4；陰雨時相關(guān)系數(shù)分別為：0.749 2、0.731 1。兩個公式的擬合精度均相差不大。對于同一回歸公式，晴天和多云時相關(guān)性非常好，而陰雨時相關(guān)性一般，這與陰雨天氣狀況時影響紫外線輻射的因素更為復(fù)雜有直接的聯(lián)系。

表1中數(shù)據(jù)表明，對于公式(1)，按照晴天、多云和陰雨天氣，a和c值依次減小，而b值逐次增強，在陰雨天累積紫外線輻射量對溫度的敏感性降低。從而整體上，在同樣溫度時，多云和陰雨會導(dǎo)致累積紫外線輻射量衰減，其中陰雨天氣的影響更為明顯。公式(2)反映的規(guī)律類似。

3.2 年累積紫外線輻射量

圖6為2016年7月7日至2017年7月6日共365天所記錄的室外最高氣溫情況，區(qū)分不同天氣狀況。其中，在相同的日期段內(nèi)陰雨天氣下的日最高氣溫往往低于晴天和多云天氣下的日最高氣溫。根據(jù)圖6給出的室外最高氣溫，結(jié)合擬合公式(1)及表1中擬合參數(shù)，可以計算得到一年中三種天氣狀況下的累積紫外線輻射量及全年累積紫外線輻射量，如表2所示。由表2可以發(fā)現(xiàn)，晴天、多云和陰雨三種天氣狀況的累積紫外線輻射量相差不大，這是由于晴天僅有75 d，而多云和陰雨天氣各有94 d和196 d，陰雨天氣占了全年的一半多，盡管多云和陰雨天氣的日累積紫外線輻射量低于晴天的，但全年累積輻射量仍較大。此外，長沙地區(qū)全年累積紫外線輻射量為111.00 MJ/m2，此數(shù)據(jù)與類似經(jīng)緯度地區(qū)的一致。

圖6 室外最高氣溫記錄圖

天氣分類年累積輻射量(MJ/m2)年總累積輻射量(MJ/m2)晴天37.37多云37.78111.00陰雨35.85

3.3 年累積紫外線輻射量隨天氣折減

紫外線輻射在到達地面前受到太陽天頂角[5]和大氣中臭氧總量、臭氧分布、二氧化硫含量、大氣膠體分散體系和云層[6]等各種因素的影響，其影響關(guān)系非常復(fù)雜，難以具體表達。在有云的情況下，云層的光學(xué)厚度決定了紫外線輻射到達地面的強度，而與太陽天頂角、紫外輻射的波長等相關(guān)性不強。光學(xué)厚度越厚的云層對紫外線輻射的減弱效果越顯著，而不同的天氣情況導(dǎo)致了不同的云層厚度。本文中分晴天、多云、陰雨天氣情況，主要針對云層的影響進行對比。晴天天氣情況的云層厚度稀薄，云量相對較少；多云天氣云量中等；陰雨天氣云量極厚。

根據(jù)公式(1)及表1中擬合參數(shù)，以及圖6所示全年最高氣溫記錄，分別計算全年均為晴天或多云或陰雨天氣的年累積紫外線輻射量，并利用式(3)計算多云和陰雨天氣相對于晴天的折減系數(shù)。

ηi=Yi/Y0

(3)

式中，ηi——多云(i=1)或陰雨(i=2)天氣的折減系數(shù)，無量綱；

Y0——晴天時年累積紫外線輻射量，MJ/m2；

Yi——多云(i=1)或陰雨(i=2)天氣的年累積紫外線輻射量，MJ/m2。

計算結(jié)果為：η1=0.955，η2=0.556。說明多云天氣對紫外線輻射的衰減影響不大，而陰雨天氣的影響明顯。

4 結(jié)語

(2)長沙地區(qū)的日累積紫外線輻射量可分晴天、多云和陰雨三種天氣狀況，由當(dāng)日的室外最高氣溫分別進行預(yù)測。由于多云和陰雨天氣天數(shù)較多，陰雨天氣天數(shù)超過全年一半以上，故全年晴天、多云和陰雨天氣的累積紫外線輻射量相差不大。通過全年的室外最高氣溫，可以得到長沙地區(qū)當(dāng)年累積紫外線輻射量為111.00 MJ/m2。

(3)根據(jù)晴天、多云和陰雨天氣日累積紫外線輻射量與最高氣溫的回歸關(guān)系，結(jié)合全年最高氣溫記錄，得到了多云和陰雨天氣對晴天累積紫外線輻射量的影響的折減系數(shù)。多云天氣的影響不大，而陰雨天氣的影響明顯。

[1]童 軍，丁金華，胡 波，等.土工格柵戶外老化試驗初步研究[J].長江科學(xué)院院報，2017(2)：13-16.

[2]李青春，陸 晨，阮毓文.北京地區(qū)紫外線觀測與預(yù)報系統(tǒng)[J].氣象科技，2001，29(4)：47-50.

[3]王磊石，楊麗麗.2006年沈陽市太陽及紫外線輻射量變化分析[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2008，16(4)：677-680.

[4]尚凱鋒.室外氣溫與太陽輻射的隨動性關(guān)系研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2016.

[5]李豪杰，郭世昌.昆明地區(qū)春季紫外輻射監(jiān)測及變化研究[J].云南大學(xué)學(xué)報，2004，26(6)：509-515.

[6]吳 兌.到達地面的太陽紫外輻射強度觀測[J].氣象，2001，27(3)：27-29.