寧波市紫外輻射分布特征及強(qiáng)度預(yù)報(bào)服務(wù)技術(shù)研究*

蔣璐璐 錢燕珍 段晶晶 杜坤

(寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

紫外線輻射是指波長在100～400 nm的太陽輻射,其中280～400 nm波段的紫外線長期過量輻射會對人類健康產(chǎn)生危害[1]。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為,過度照射紫外線輻射是造成人類患皮膚癌和白內(nèi)障的重要原因。因此,紫外線的監(jiān)測與預(yù)報(bào)越來越受到人們的重視。早在20世紀(jì)80年代中期,國外就開展了相關(guān)研究工作[2-3]。隨著專業(yè)氣象服務(wù)的迫切需要,我國于20世紀(jì)90年代初期開始紫外線的監(jiān)測與預(yù)報(bào)[4-6],北京[7]、遼寧[8]、浙江[1]等地先后開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)并投入業(yè)務(wù)使用。從2000年5月1日起,中國氣象局明文規(guī)定各省市局要對紫外輻射強(qiáng)度做規(guī)范化的預(yù)報(bào)?，F(xiàn)如今,紫外線強(qiáng)度等級預(yù)報(bào)已成為氣象部門常規(guī)業(yè)務(wù)的重要組成部分之一。

對于紫外線預(yù)報(bào)研究已有不少,其預(yù)報(bào)方法大致可分為統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和模式預(yù)報(bào)方法兩種。叢菁等[9]分析了大連市紫外線輻射季、月和日變化特征及其與相關(guān)氣象要素的關(guān)系,探討了霧對輻射強(qiáng)度的影響,并建立了各季節(jié)紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)方程。武輝芹[10]分析發(fā)現(xiàn)紫外線強(qiáng)度與中午時(shí)段的能見度、相對濕度、總云量、低云量、氣溫、風(fēng)速6個(gè)氣象因子有密切關(guān)系,并利用多元回歸分析方法得出紫外線等級預(yù)報(bào)方程。傅炳珊等[11]利用中分辨率大氣輻射傳輸模式,應(yīng)用可測得的實(shí)際大氣物理參數(shù),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。蔡新玲等[12]根據(jù)晴空紫外線輻射理論計(jì)算公式,同時(shí)考慮各城市的緯度、海拔高度、混濁度等,結(jié)合云量訂正,研究了陜西省紫外線強(qiáng)度指數(shù)和預(yù)報(bào)方法。鄭有飛等[13]采用簡化大氣輻射計(jì)算模式、離散坐標(biāo)輻射傳輸算法、氣候?qū)W經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?種模型研究了南京地區(qū)紫外輻射量的變化。董美瑩等[1]則利用浙江省紫外線實(shí)測數(shù)據(jù)和模式輸出資料,將大氣輻射傳輸模式和多元線性回歸方法相結(jié)合,研制出浙江省紫外線指數(shù)等級預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

不過,以往的紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法仍存在一些問題。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法相對簡單、易于實(shí)現(xiàn),但缺乏明確的物理意義。模式預(yù)報(bào)方法雖考慮了物理過程,但方法復(fù)雜,且依賴于參數(shù)和模型的穩(wěn)定性。另外,不同地區(qū)由于地理位置、氣候條件不同,在預(yù)報(bào)方法上也會有一定差異,目前寧波地區(qū)尚沒有相關(guān)的預(yù)報(bào)系統(tǒng),其他地區(qū)的預(yù)報(bào)方法對于本地并不完全適用。因此,針對寧波市氣象局的日常業(yè)務(wù)需求,研究適合于本地的紫外線強(qiáng)度等級的客觀預(yù)報(bào)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

寧波瀕海,屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,夏冬長,春秋短,四季分明,季風(fēng)交替顯著,雨量充沛,溫暖濕潤。工業(yè)區(qū)主要分布在北部的鎮(zhèn)海和北侖這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)。這樣的氣候和人文特征使得紫外線呈現(xiàn)出怎樣的分布特征還有待細(xì)致研究。目前,寧波地區(qū)已有多年高精度、連續(xù)性的紫外輻射數(shù)據(jù)和氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)的積累,并且與環(huán)保部門共享大氣環(huán)境數(shù)據(jù),為研究提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以往的研究對氣象因素考慮較多,而大氣環(huán)境因素,諸如霧霾、氣溶膠等污染條件對于紫外線是否會有影響,在研究中也會重點(diǎn)探討。在預(yù)報(bào)方法上,創(chuàng)新地將大氣輻射傳輸理論、本地氣候特征和統(tǒng)計(jì)分析方法相結(jié)合,建立紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型,綜合了不同方法的優(yōu)點(diǎn)。另外,不同的季節(jié)紫外線的影響程度和人體感覺也是不同的,傳統(tǒng)的紫外線標(biāo)準(zhǔn)劃分也存在著一些不合理性,本文根據(jù)不同時(shí)節(jié)提出一套分季節(jié)的紫外線等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和防御建議,使紫外線預(yù)報(bào)服務(wù)更具合理性和實(shí)用性,同時(shí)也是促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基礎(chǔ)性研究工作。

1 數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

選取2010—2015年寧波代表站——鄞州站的紫外輻射數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)以及寧波市環(huán)境觀測數(shù)據(jù)。紫外輻射數(shù)據(jù)包括逐小時(shí)紫外輻射強(qiáng)度和日平均紫外輻射強(qiáng)度(10—14時(shí)平均)。氣象要素包括每日的平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、10—14時(shí)降水量、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照、平均氣壓、平均水汽壓、平均濕度、平均能見度等。紫外線和氣象觀測數(shù)據(jù)來源于寧波市氣象網(wǎng)絡(luò)與裝備保障中心。大氣環(huán)境數(shù)據(jù)包括SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10的日平均值,資料來自于寧波市環(huán)保局。所用數(shù)據(jù)均經(jīng)過極值檢查、時(shí)間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查和人工審核等質(zhì)量控制,對缺測數(shù)據(jù)以及質(zhì)量控制后可疑或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)予以剔除,以確保資料的準(zhǔn)確性和可用性。

現(xiàn)行業(yè)務(wù)中,紫外線等級劃分是按照中國氣象局中氣預(yù)發(fā)[2000]11號《紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)暫行規(guī)定》的要求執(zhí)行的,規(guī)定中對紫外線指數(shù)、強(qiáng)度、級別、對人體可能影響和需采取的防護(hù)措施等做了詳細(xì)規(guī)范,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[14]。

表1 紫外線強(qiáng)度等級劃分

2 紫外輻射強(qiáng)度特征分析

2.1 日變化規(guī)律

將2010—2015年寧波市鄞州站紫外輻射每日各小時(shí)資料分別進(jìn)行平均,由于夜間紫外輻射為零,因此小時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)段為每日05時(shí)至19時(shí),得到全年日小時(shí)平均紫外輻射的變化曲線,并且分春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)四個(gè)季節(jié)計(jì)算各小時(shí)紫外輻射均值,結(jié)果如圖1所示。由圖可見,無論是全年平均,還是四季平均,紫外輻射日變化曲線均呈現(xiàn)“單峰型”,峰值出現(xiàn)在中午12時(shí)前后,正午是紫外輻射最強(qiáng)的時(shí)間段,紫外輻射的這種“單峰型”的分布與氣象要素日變化的分布極相似,在一定程度上說明了紫外輻射強(qiáng)度變化與氣象要素之間存在聯(lián)系。四季中,各小時(shí)紫外輻射強(qiáng)度整體呈現(xiàn)夏季>春季>秋季>冬季,正午時(shí)段平均紫外輻射強(qiáng)度,夏季是冬季的兩倍左右。并且冬季日紫外輻射時(shí)間明顯小于夏季,在寧波冬季能夠接收到紫外輻射的時(shí)段為07—18時(shí),而夏季則延長至05—19時(shí)。因此,業(yè)務(wù)上規(guī)定日紫外輻射強(qiáng)度是按照每日10—14時(shí)平均值也是較符合實(shí)際的。

圖1 一天中05—19時(shí)逐小時(shí)平均紫外輻射強(qiáng)度曲線

2.2 月變化規(guī)律

按現(xiàn)有的紫外線等級劃分標(biāo)準(zhǔn),將每日10—14時(shí)平均紫外輻射強(qiáng)度作為日值,計(jì)算2010—2015年各個(gè)月份紫外輻射強(qiáng)度的平均值和極值,并畫出曲線圖(見圖2)。從月平均值來看,依舊是夏季高冬季低,因?yàn)橄募咎柛叨冉且笥诙?。但值得注意的?在6月份出現(xiàn)一個(gè)低值,這是因?yàn)?月中旬至7月上旬寧波正處于梅雨季節(jié),降水多,日照時(shí)間短,導(dǎo)致紫外線強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同于季節(jié)特點(diǎn)的較低值,說明紫外輻射除了受季節(jié)變化影響外,與降水、日照、云霧等天氣現(xiàn)象密切相關(guān)。

圖2 各月的平均紫外輻射強(qiáng)度曲線

進(jìn)一步將輻射值轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度等級發(fā)現(xiàn),12—2月的月平均強(qiáng)度等級為3級,7—8月為5級,其余月份均為4級。從月極值可以看出,除了11—1月份的月輻射極值為4級外,其余月份均可達(dá)到5級,而7月份月極值最高,月最大輻射強(qiáng)度,同時(shí)也是年輻射極值,可達(dá)50 W·m-2?？梢?依照現(xiàn)有的紫外線等級劃分標(biāo)準(zhǔn),即使在冬季,最大日輻射值也可達(dá)到4級。

同時(shí),統(tǒng)計(jì)2010—2015年各月紫外線1～5級分別出現(xiàn)的頻率,結(jié)果如表2所示?？梢?11月、12月和1月不會出現(xiàn)紫外線為5級的情況,而7月和8月則不會出現(xiàn)1級,其余月份各級均會出現(xiàn)。10月到來年3月以及6月各月發(fā)生頻率最多的是4級,4到5月和7到9月5級情況最為普遍。

表2 各月中紫外線1～5級出現(xiàn)頻率

2.3 季節(jié)和年際變化規(guī)律

進(jìn)一步按季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,四季劃分標(biāo)準(zhǔn)同2.1節(jié)。分別統(tǒng)計(jì)出春、夏、秋、冬四季及全年紫外輻射強(qiáng)度等級為1～5級的日數(shù),并計(jì)算其各自出現(xiàn)的頻率,畫成直方圖(見圖3)。紫外輻射的四季特征:在春季,4級、5級出現(xiàn)頻率接近,同時(shí)也最高,其總和約占70%;夏季出現(xiàn)最多的是5級,出現(xiàn)頻率超過50%,為1級的日數(shù)極少,幾乎不會出現(xiàn);秋季中近一半的概率為4級;同樣地,冬季也是4級日數(shù)較多,幾率有44.18%,出現(xiàn)1級的情況是各季節(jié)中最多的,占冬季總?cè)諗?shù)的15.26%,另外5級在冬季也會發(fā)生,但概率極小,僅為1.2%。

圖3 四季及全年紫外輻射強(qiáng)度等級為1～5級的頻率

從全年情況來看,紫外線強(qiáng)度等級中出現(xiàn)頻率最高的是4級,出現(xiàn)日數(shù)占全年的39.59%;其次是5級,為全年日數(shù)的27.91%;2級、3級日數(shù)基本相當(dāng),分別占比為12.88%和13.98%;所占比例最小的是1級,僅為5.65%。同時(shí)計(jì)算2010—2015年各年的平均紫外輻射情況,畫成序列圖(見圖4)?？梢?年平均紫外輻射值總體較為穩(wěn)定,變化不大,基本在21～22 W·m-2之間,僅2013年略有增大,為23.213 W·m-2。這種變化與2013年的特殊天氣氣候特征密不可分。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在2013年夏季(7—8月),副熱帶高壓強(qiáng)勢穩(wěn)定控制著長江中下游地區(qū),寧波出現(xiàn)了近60年來最嚴(yán)重的高溫?zé)崂松儆晏鞖?高溫強(qiáng)度之強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間之長及影響范圍之廣為歷史罕見,溫度極值、降雨量等都突破歷史同期紀(jì)錄,正是由于這樣的極端氣象條件導(dǎo)致了2013年平均紫外線強(qiáng)度高于其他年份。

圖4 2010—2015年各年平均紫外輻射強(qiáng)度序列圖

3 紫外線強(qiáng)度等級預(yù)報(bào)方法

3.1 與氣象環(huán)境要素的相關(guān)性分析

除了太陽高度角和局地地理特征之外,云量、水汽、大氣臭氧和氣溶膠含量等氣象條件對到達(dá)地面的紫外輻射也有一定的影響[15]。為了進(jìn)一步研究紫外輻射與氣象條件的相關(guān)性,并建立寧波市紫外輻射強(qiáng)度預(yù)測模型,以鄞州站紫外監(jiān)測資料和常規(guī)氣象觀測資料為基礎(chǔ),選取2010—2014年日平均紫外輻射數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)(2015年資料作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)),并初選了一系列常規(guī)氣象要素指標(biāo),包括每日的平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、10—14時(shí)降水量、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對濕度、平均能見度等。

另外,由于寧波重工業(yè)和化工業(yè)較為發(fā)達(dá),大氣臭氧、氣溶膠顆粒物污染日數(shù)也日趨增多,大氣環(huán)境因素是否在一定程度上對紫外線強(qiáng)度造成影響也值得深入研究,因此,這里同時(shí)選取了SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10的日平均值作為環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。

由于各個(gè)因子的量綱不同,因此在資料分析前,首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,從而消除量綱所帶來的影響。具體方法如下:

(1)

其中,i—各因子序列長度,取1,2,3,…,n;k—因子個(gè)數(shù),取1,2,3,…,n;X(k)—原始數(shù)據(jù);Xi為該因子的平均值;Si—標(biāo)準(zhǔn)差;Xi(k)—標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果。

綜上,分別計(jì)算各因子與日平均紫外輻射強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表3所示?？梢?氣溫要素與紫外輻射值關(guān)系較為密切,其中日最高氣溫相關(guān)性最高,為0.651;其次相關(guān)性較大的是氣壓、濕度、能見度等要素,相關(guān)系數(shù)的絕對值在0.4～0.5左右,說明這些要素均對紫外輻射有一定的影響;降水量與紫外輻射呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)約為-0.2,并不是很高,可能是因?yàn)槌私邓酝膺€受云量等因素制約,分別選取了日降水量和10—14時(shí)降水量這兩個(gè)要素,對比發(fā)現(xiàn)10—14時(shí)降水量并沒有日降水量與紫外輻射的相關(guān)更高;風(fēng)速因子中僅日最大風(fēng)速與紫外輻射相關(guān)系數(shù)在0.2以上,平均風(fēng)速、極大風(fēng)速與紫外輻射的相關(guān)性則較低;值得注意的是,在選取的所有氣象因子中,日照與紫外輻射的相關(guān)系數(shù)卻是最低的,這與普遍認(rèn)為的有一定出入,這可能是由于紫外線日值選取的是10—14時(shí)平均值,而日照時(shí)間反映的是全天太陽光照時(shí)間。

表3 寧波市日平均紫外輻射強(qiáng)度與各因子的相關(guān)系數(shù)

而環(huán)境要素與紫外輻射的相關(guān)分析顯示,二者的相關(guān)系數(shù)均比較低,僅日平均PM10濃度與紫外輻射的相關(guān)系數(shù)略高,為-0.164。說明寧波雖然工業(yè)較發(fā)達(dá),但依山傍海,季風(fēng)顯著,大氣污染程度較輕,主要大氣污染氣體對紫外線輻射的影響不大,但大顆粒物造成的霾天氣對紫外輻射有一定程度的影響。

3.2 預(yù)報(bào)模型建立

根據(jù)大氣輻射傳輸理論,到達(dá)地表的紫外輻射強(qiáng)度與太陽總輻射之間在某個(gè)地區(qū)總是為一個(gè)較為固定的比值,紫外輻射強(qiáng)度可用如下公式表示[1]:

Quv=Qs×η×(1-Rdt)

(2)

式中:Quv—紫外輻射強(qiáng)度;Qs—大氣上界的太陽總輻射強(qiáng)度;η—紫外線輻射在太陽輻射所占百分率;Rdt—紫外線在傳輸過程中的總衰減率。

為了方便計(jì)算,令η′=η×(1-Rdt),將公式簡化為:

Quv=η′×Qs

(3)

而某一地區(qū)大氣上界的太陽總輻射量可由式(4)和(5)求得[1]:

Qs=S0×sinθ

(4)

sinθ=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(5)

式中:S0—太陽常數(shù),取1373 W·m-2;θ—太陽高度角;φ—緯度;δ—太陽赤緯;ω—時(shí)角,正午時(shí)ω≈0。

因此,大氣上界太陽總輻射的年變化趨勢與太陽高度角相同,于夏至日(6月22日)達(dá)到最大,紫外輻射雖然只占太陽總輻射的一小部分,但同樣受到太陽高度角的制約。為了剔除太陽高度角的影響,在統(tǒng)計(jì)分析中并不直接用紫外輻射值進(jìn)行回歸,而是對到達(dá)地表的紫外輻射與大氣上界的太陽總輻射的比值η′進(jìn)行回歸分析,這也是本文的方法區(qū)別于以往方法的特點(diǎn)之一。

首先按照上述公式計(jì)算出一年中每日的太陽總輻射量,根據(jù)實(shí)況每日平均紫外線強(qiáng)度計(jì)算η′,將η′作為因變量。再選取3.1節(jié)中各要素中相關(guān)性較大的因子作為自變量,氣溫要素選取日最高氣溫,降水選取日降水量,風(fēng)要素選取日最大風(fēng)速,水汽條件選取日平均相對濕度,大氣環(huán)境要素選取日平均PM2.5濃度和日平均能見度。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行逐步回歸分析,最終進(jìn)入方程的因子包括日最高氣溫、日降水量、日平均相對濕度和日平均能見度這4個(gè)變量,建立η′的預(yù)報(bào)方程:

η′=3.135+0.043Tmax-0.006R-0.033RH+0.024Vis

(6)

式中:η′—日平均紫外輻射強(qiáng)度與太陽總輻射的百分比,單位為%;Tmax—日最高氣溫,單位為℃;R—日降水量,單位為mm;RH—日平均相對濕度,單位為℃;Vis—日平均能見度,單位為km。計(jì)算出η′后,利用公式(3)便可預(yù)報(bào)出到達(dá)地面的紫外輻射強(qiáng)度。預(yù)報(bào)方程充分考慮了太陽高度角,以及溫度、降水、水汽、能見度等氣象要素對紫外輻射的影響。

為了進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率,將上述統(tǒng)計(jì)方法與本地氣候特征相結(jié)合,根據(jù)第2節(jié)的分析增加氣候特征判據(jù):

1)若11月、12月和1月計(jì)算出紫外線為5級的情況,則自動判定為4級;

2)若7月和8月計(jì)算出紫外線為1級,則自動判定為2級。

3.3 檢驗(yàn)結(jié)果

先對方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),計(jì)算的F值為504.296,遠(yuǎn)大于置信水平0.01的F臨界值,說明回歸方程為顯著的。在參數(shù)估計(jì)中,所有因子的T檢驗(yàn)都達(dá)到0.01的顯著水平,因此認(rèn)為回歸系數(shù)也是顯著的。綜上,說明該模型具有預(yù)測意義,預(yù)報(bào)結(jié)果是可信有效的。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)測模型的可靠性,以2015年全年資料作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù),將實(shí)際觀測的日平均紫外線強(qiáng)度與模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較,經(jīng)統(tǒng)計(jì),二者的相關(guān)系數(shù)約為0.76,平均誤差為6.1,標(biāo)準(zhǔn)差為7.46。由于業(yè)務(wù)中對紫外線預(yù)報(bào)是采用5級劃分標(biāo)準(zhǔn),因此將紫外輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為紫外線等級進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果顯示,按照文本預(yù)測方程計(jì)算出的紫外線等級正確的占53.2%,相差1級的占34.5%,相差2級的為11.8%,其余占0.5%。預(yù)測正確及相差1級的情況總和為87.7%,說明預(yù)測結(jié)果絕大部分是較為合理的。同時(shí)對人工主觀預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),2015年紫外線強(qiáng)度主觀預(yù)報(bào)正確率為46.6%,說明利用該方法優(yōu)于主觀預(yù)報(bào),能夠提高現(xiàn)有的紫外線等級預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

4 紫外線等級季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)和防御建議

現(xiàn)有的紫外線等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和防御建議也存在著一些不合理性,不同的季節(jié)紫外線的影響程度和人體感覺也是不同的,僅一套提醒建議顯得不太科學(xué)。李雄等[16]、毛宇清等[14]曾評價(jià)各種標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣,提出根據(jù)不同季節(jié)來選擇不同的紫外線輻射特性值作為紫外線強(qiáng)度等級的確定因子。

根據(jù)第2節(jié)的分析,對于寧波地區(qū),4級紫外線出現(xiàn)概率在全年是最多的,即使在冬季也有44.18%,這與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)劃分密切相關(guān)。依照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn),4級的紫外線輻射強(qiáng)度為15～30 W·m-2,而1到3級均是5 W·m-2的跨度。尤其是對3級來說,已經(jīng)屬于中等強(qiáng)度紫外輻射了,5 W·m-2的跨度顯然不夠。而一個(gè)合理的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)使每一等級出現(xiàn)的概率較為平均。

因此,在不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)限值的基礎(chǔ)上,考慮對中間檔的劃分適當(dāng)做一點(diǎn)調(diào)整,將3級和4級均取10 W·m-2跨度,可以更有效地區(qū)分出中等強(qiáng)度和強(qiáng)紫外線。按此方法對2010—2015年紫外線資料重新劃分等級后,1、2、5級比例不變,3級由原先的13.98%增加到30.16%,而4級由39.59%減少為24.89%,如此以來中等以上強(qiáng)度紫外線出現(xiàn)概率則較為均等,均在25%～30%左右。

另外,不同的季節(jié)紫外線的影響程度和人體感覺也是不同的。根據(jù)現(xiàn)有的防御建議,紫外線輻射強(qiáng)度達(dá)到中等(3級)以上級別,外出時(shí)就必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,如戴好遮陽帽、太陽鏡和太陽傘,這對于冬季氣象服務(wù)來說顯然不太合理。因此,服務(wù)上可根據(jù)冬半年和夏半年進(jìn)行區(qū)分,分別制定相應(yīng)的防御建議,夏半年采取現(xiàn)有的防御建議,冬半年則根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)略作修改,具體如表4所示。

表4 改進(jìn)的紫外線劃分標(biāo)準(zhǔn)及夏、冬半年防御建議

5 結(jié) 語

本文利用2010—2015年寧波市鄞州站紫外輻射數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)以及大氣環(huán)境數(shù)據(jù),研究了寧波地區(qū)紫外輻射強(qiáng)度的日、月、季節(jié)和年際變化規(guī)律,并對多個(gè)氣象要素和環(huán)境要素進(jìn)行相關(guān)性分析,找出對紫外輻射有影響的因子,再通過逐步回歸分析,建立紫外輻射強(qiáng)度的預(yù)報(bào)方程,方程中充分考慮了太陽高度角,以及溫度、降水、水汽、能見度及本地氣候特征等影響。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

1)紫外輻射日變化曲線呈現(xiàn)“單峰型”,峰值出現(xiàn)在中午12時(shí)前后。月均值是夏季高冬季低,但6月份出現(xiàn)一個(gè)低值,是因?yàn)榇藭r(shí)寧波正處于梅雨季節(jié)。全年中4級紫外線強(qiáng)度出現(xiàn)的頻率最高,占39.59%。春季,4級、5級出現(xiàn)頻率總和約占70%;夏季超過一半的概率會出現(xiàn)5級,1級的日數(shù)幾乎不會出現(xiàn);秋季、冬季有近一半的概率為4級。

2)分別對氣象因素和大氣環(huán)境因素與紫外輻射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析,氣溫要素中日最高氣溫與紫外輻射值相關(guān)性最高,其次是氣壓、濕度、能見度等要素;降水量與紫外輻射呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),10—14時(shí)降水量并沒有日降水量與紫外輻射的相關(guān)更高;而風(fēng)速、日照與紫外輻射的相關(guān)系數(shù)較低。大氣環(huán)境因素其對紫外線輻射的影響不大,僅日平均PM10濃度與紫外輻射的相關(guān)系數(shù)略高,說明大顆粒物造成的霾天氣對紫外輻射有一定程度的影響。

3)預(yù)報(bào)方法上綜合了大氣輻射傳輸理論、統(tǒng)計(jì)分析和本地氣候特征。統(tǒng)計(jì)分析中并不直接用紫外輻射值進(jìn)行回歸,而是對到達(dá)地表的紫外輻射與大氣上界的太陽總輻射的比值η′進(jìn)行逐步回歸,建立η′的預(yù)報(bào)方程,最后利用輻射傳輸公式計(jì)算出到達(dá)地面的紫外輻射強(qiáng)度。預(yù)報(bào)方程充分考慮了太陽高度角,以及溫度、降水、水汽、能見度等氣象要素對紫外輻射的影響。并將統(tǒng)計(jì)方法與本地氣候特征相結(jié)合,增加了氣候特征判據(jù)。經(jīng)檢驗(yàn),該方法優(yōu)于主觀方法,能夠提高現(xiàn)有的紫外線等級預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

4)根據(jù)本地特點(diǎn)優(yōu)化了紫外線分級標(biāo)準(zhǔn)和防御建議。在不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)限值的基礎(chǔ)上,考慮對中間檔適當(dāng)做一點(diǎn)調(diào)整,將3級和4級均取10 W·m-2跨度,如此以來中等以上強(qiáng)度紫外線出現(xiàn)概率則較為均等,在25%～30%左右。另外,不同季節(jié)紫外線的影響程度和人體感覺也是不同的,服務(wù)上根據(jù)冬半年和夏半年進(jìn)行區(qū)分,分別制定相應(yīng)的防御建議,夏半年采取現(xiàn)有的防御建議,冬半年則根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)略作修改。

本文針對寧波地區(qū)紫外線輻射的分布規(guī)律和預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了初步的探索。以往的研究對氣象因素考慮較多,本文在此基礎(chǔ)上增加了大氣環(huán)境因素,對大氣污染氣體、氣溶膠顆粒物等對紫外線輻射的影響進(jìn)行了重點(diǎn)分析。在預(yù)報(bào)方法上,創(chuàng)新地將大氣輻射傳輸理論、本地氣候特征和統(tǒng)計(jì)分析方法相結(jié)合,建立紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型,綜合了不同方法的優(yōu)點(diǎn),方法簡單、易于實(shí)現(xiàn),且物理意義明確。另外,結(jié)合本地特征,根據(jù)不同時(shí)節(jié)提出一套分季節(jié)的紫外線等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和防御建議,使紫外線預(yù)報(bào)服務(wù)更具合理性和實(shí)用性。

然而,雖然預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較主觀預(yù)報(bào)有所提高,但是完全正確的比率還有待進(jìn)一步提升的空間。另外,在實(shí)際應(yīng)用中,變量的選取來源于數(shù)值預(yù)報(bào),所以預(yù)報(bào)結(jié)果依賴于數(shù)值模式的穩(wěn)定性。因此,對紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法的進(jìn)一步優(yōu)化還需深入分析研究。