嵩山景區(qū)紫外輻射分析和預(yù)報方法研究

王曉龍 劉偉斌

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陽紫外輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了兩年間嵩山景區(qū)的紫外線輻射特征，提出了模式預(yù)報方程，并將預(yù)報結(jié)果用于氣象服務(wù)，從而為廣大游客出行提供防曬指導(dǎo)。結(jié)果表明，嵩山景區(qū)紫外輻射較強，而且有顯著的季節(jié)變化特征，6月份達到最大值，12月份達到最小值，紫外輻射（UVA）占總輻射的比例為5.49%，略低于8%的平均水平。嵩山景區(qū)A波段紫外輻射平均輻照度有明顯的日變化，在北京時間13：00左右達到日最大值，并且紫外輻射的消失時間滯后于太陽落山時間。筆者選取了對游客戶外活動影響較大的紫外輻射60 min滑動平均最大值作為分析目標，通過逐步回歸分析法分析各氣象要素與紫外輻射60 min滑動平均最大值的相關(guān)性，確認了影響嵩山地區(qū)紫外輻射的主要氣象因子，其分別為日平均總云量、時平均相對濕度和時平均溫度，并且與太陽高度角有較好的吻合度。其間利用多元回歸方法建立了春、夏、秋、冬四季的輻照度預(yù)報方程，其通過顯著性水平[α]=0.001的 檢驗，對日常輻照度預(yù)報工作有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：紫外輻射;變化特征;嵩山景區(qū)預(yù)報

中圖分類號：P422文獻標識碼：A文章編號：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

紫外輻射就是波長10～400 nm的光輻射，按所起生物作用不同，可分為三個波段，對氣候、生態(tài)環(huán)境及人類健康都有重要影響，特別是隨著臭氧洞的發(fā)現(xiàn)，紫外輻射的觀測與預(yù)報已逐漸成為當前研究的焦點之一[1]。近年來，世界各國都越來越重視紫外線輻射強度的監(jiān)測和研究。早在20世紀80年代中期，澳大利亞就已經(jīng)開展了紫外線輻射監(jiān)測。1987年，新西蘭也通過新聞媒介等方式發(fā)布對人體有害的紫外線輻射預(yù)報。我國紫外線輻射預(yù)報技術(shù)的研究是從20世紀90年代初開始的，1994年郭松等[2]完成了青藏高原大氣臭氧及紫外線輻射觀測結(jié)果的初步分析，1996年呂達仁等[3]完成了長春市紫外光譜輻射觀測和初步分析。特別是近年來，隨著人們對自身健康的關(guān)注和氣象服務(wù)需求的增加，實時發(fā)布紫外線強度等級預(yù)報已成為國內(nèi)各大城市氣象服務(wù)熱門產(chǎn)品之一[4]。

嵩山景區(qū)位于河南省登封市境內(nèi)。嵩山總面積約為450 km2，由太室山與少室山組成，共72峰，平均海拔為930 m，中岳嵩山由太室山（海拔1 494 m）和少室山（海拔1 512 m）等組成，年平均日照時數(shù)為2 230 h。隨著近年來生態(tài)環(huán)境的變化和人們健康意識的提高，紫外線強度與人體健康的關(guān)系越來越受到大家的關(guān)注[5]。初步研究嵩山地區(qū)紫外輻射資料，得出嵩山地區(qū)紫外輻射的一般分布特征，可以引導(dǎo)廣大游客在旅游的過程中趨利避害，同時也可為開展嵩山地區(qū)紫外輻射預(yù)測和預(yù)報提供基本依據(jù)。

本文基于嵩山氣象站2018年1月至2019年12月逐小時紫外A輻射數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并分析了嵩山景區(qū)紫外線輻射強度隨時間（季節(jié)變化、日變化）的基本變化特征，并結(jié)合嵩山站現(xiàn)有氣象觀測要素，分析其與濕度、溫度、總云量等氣象要素存在的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立紫外線指數(shù)預(yù)報方程，進而為開展嵩山景區(qū)旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品提供理論參考，助力登封建設(shè)山岳生態(tài)風景名勝旅游氣象服務(wù)示范中心。

1 資料來源及預(yù)處理

本文輻射資料取自嵩山國家基準站（東經(jīng)113°03′，北緯34°30′，海拔1 178.4 m），2018—2019年輻射觀測資料包括總輻射、紫外輻射（UVA）逐分鐘輻照度及小時最大值。單位為W/m2。涉及的氣溫、相對濕度等常規(guī)氣象要素取自嵩山國家基準氣候站，所用氣象資料均通過質(zhì)量控制。

在紫外輻射分鐘資料的基礎(chǔ)上，本研究考慮與各氣象要素相關(guān)系數(shù)的大小，使用逐日60 min滑動平均最大紫外輻照度作為分析對象，挑選相同時段的云量、濕度、溫度和太陽高度角等氣象因子作為相關(guān)備選因子。其間使用多元線性回歸方法，對逐日60 min滑動平均最大紫外輻照度進行回歸分析和預(yù)測。

2 紫外輻射變化特征分析

嵩山氣象站紫外輻射數(shù)據(jù)涉及2年，共有731個日數(shù)據(jù)，其中2個日缺測。在所選時段內(nèi)，從圖1可以看到，嵩山地區(qū)的紫外輻射強度有明顯的季節(jié)性變化，受太陽高度角變化影響比較明顯。

對嵩山站該時段內(nèi)的輻射資料進行進一步分析，結(jié)果表明，嵩山站年總輻射的平均曝輻量為5 783.52 MJ/m2，其中6月份達到一年中最大平均值663.45 MJ/m2，最小值294.47 MJ/m2出現(xiàn)在1月;紫外輻射（UVA）的年均曝輻量為316.84 MJ/m2，其中，6月份達到一年中最大平均值37.27 MJ/m2，最小值16.01 MJ/m2出現(xiàn)在12月。紫外輻射（UVA）占總輻射的比例為5.49%，略低于8%的平均水平[6]

圖2給出了嵩山站紫外輻射（UVA）的平均曝輻量和輻照度的日變化特征，可以看出，在北京時間13：00，紫外輻射（UVA）的曝輻量和輻照度均達到最大值。另外，圖2顯示，21：00仍有輻照度存在，而嵩山站的最晚日落時間為19：15（6月23日前后），這也反映出日落后仍有少量紫外輻射存在。

3 紫外輻照度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

到達地面的紫外線輻射強度受到許多因子的影響，如平流層臭氧量、地理位置、海拔和太陽高度角等，除此之外，還與氣象要素等有著密切的關(guān)系[7]。而在氣象要素中，就有云量、溫度、濕度和氣溶膠含量等許多因子影響著地面紫外線的照射強度。在其他因素不變或變化很小的情況下，紫外線的可能照射強度就主要是由氣象因子決定的[8]。因此，本研究結(jié)合2018—2019年同時期的已有氣象要素資料，分析各氣象要素與60 min最大滑動平均輻照度的相關(guān)系數(shù)，如表1所示。

由表1可知，從全年范圍來看，每日60 min最大滑動平均輻照度與11：00—15：00平均氣溫（如無特殊說明，本文中，11：00—15：00平均氣溫用時平均氣溫代替，下同）、日最高溫度、時平均能見度和日最大太陽高度角的正相關(guān)性最為顯著，分別為0.63、0.61、0.54、0.49。其與日平均總云量、時平均相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.47和-0.50，為負相關(guān)。從季節(jié)來看，春季，輻照度與時平均氣溫、時平均能見度的正相關(guān)性較為顯著，分別為0.65和0.62，與日平均總云量和時平均能見度的負相關(guān)性較為顯著，分別為-0.63和-0.71;夏秋季節(jié)，除了與時平均氣溫、日最高溫度呈較明顯的正相關(guān)外，其還與日平均總云量和日平均相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)介于-0.76～-0.56。冬季與日平均云量和日平均濕度的負相關(guān)性比較明顯，達到了-0.63和-0.67。

4 輻照度預(yù)測方程的建立

本研究利用SPSS軟件中的逐步回歸分析法[8]，同時檢驗氣象因子之間的共線性關(guān)系[9-11]，（如日最高氣溫和時平均氣溫存在相關(guān)性，不宜同時作為自變量因子），分別對春、夏、秋、冬四季進行逐步回歸分析，確定最終的氣象相關(guān)因子。四季預(yù)報方程因子系數(shù)如表2所示。

由表2可知，春季、夏季、秋季和冬季四個季節(jié)的回歸方程如下：

[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）

以上四個預(yù)報方程的標準化回歸平方和[R2]分別為0.692、0.666、0.760和0.624，且方程均通過顯著性水平[a]=0.001的[F]檢驗。這對日常輻照度預(yù)報工作有很好的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

嵩山站年總輻射的平均曝輻量為5 783.52 MJ/m2，其中6月份達到一年中最大平均值，最小值出現(xiàn)在1月;紫外輻射（UVA）的年均曝輻量為316.84 MJ/m2，最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在12月。紫外輻射（UVA）占總輻射的比例為5.49%。嵩山站的紫外輻射60 min滑動平均最大輻照度多介于35～45 W/m2，均值為37.2 W/m2，中位數(shù)為39.9 W/m2。其季節(jié)性變化明顯。紫外輻射輻照度瞬時極大值出現(xiàn)在2018年5月16日，達80.2 W/m2。

紫外輻射輻照度與各氣象要素的相關(guān)性隨季節(jié)變化明顯，全年來看，每日60 min最大滑動平均輻照度時平均氣溫、時平均能見度呈正相關(guān)性，其與日平均總云量、時平均相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。從季節(jié)來看，不同季節(jié)，輻照度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)大小各有不同，但其均與溫度呈正相關(guān)，與相對濕度和總云量呈負相關(guān)。本文運用多元回歸方法建立預(yù)報方程，方程的標準化回歸平方和[R2]均超過0.6且通過了顯著性水平[a]=0.001的[F]檢驗，預(yù)報結(jié)果較好。因輻射站點單一，特別是缺少不同海拔的輻射數(shù)據(jù)，本文采用單一站點預(yù)報整個嵩山地區(qū)的輻照度，預(yù)報結(jié)果無法消除海拔因素的影響，需要在后期進一步完善。

參考文獻：

[1]劉慧，胡波，王躍思，等.山東禹城紫外輻射變化特征及其估測方程的建立[J].大氣科學(xué)，2015（3）：503-512.

[2]郭松，周秀驥，張曉春.青海高原大氣O3及紫外輻射UV-B觀測結(jié)果的初步分析[J].科學(xué)通報，1994（1）：50-53.

[3]呂達仁，李衛(wèi)，李福田，等.長春地區(qū)紫外光譜（UV-A，UV-B）輻射觀測和初步分析[J].大氣科學(xué)，1996（3）：343-351.

[4]鄧雪嬌，吳兌，游積平.廣州市地面太陽紫外線輻射觀測和初步分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2003（19）：118-125.

[5]劉雨軒，巫俊威，趙清揚，等.都江堰紫外輻射特征分析及多元回歸預(yù)報方程的建立研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2019（3）：94-101.

[6]張書余.城市環(huán)境氣象預(yù)報技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2002：23-24.

[7]韋惠紅.我國臭氧和紫外線的分布特征及未來變化預(yù)測[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2005：33-34.

[8]么枕生，丁裕國.氣候統(tǒng)計[M].北京：氣象出版社，1990：347-377.

[9]宋瑩華，吳君.臨沂市紫外輻射變化特征分析[J].山東氣象，2006（1）：37.

[10]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（4）：47-50.

[11]陰君，談建國.上海地區(qū)地面太陽紫外線的觀測與分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2006（1）：86-90.