紫外线预报产品设计与研究

穆璐 于金 刘红欣

（中国气象局公共气象服务中心，北京 100081）

0 引言

人们长时间暴露在阳光下，皮肤会被紫外线损伤，轻者晒伤晒黑，重者引发皮肤癌。我国在2000年初开始对太阳紫外线辐射进行观测，同时进行有关紫外线辐射强度的初步分析和各种预报模型的研究工作。

中国天气网（http://www.weather.com.cn/） 于2017年研发出一款基于用户位置的紫外线预报产品并在手机WAP端开展服务应用（产品链接地址： http://e.healthweather.cn/uv/））。

1 国内外紫外线气象服务产品调研

80%的用户需要希望掌握近1～2 d的紫外线强度变化，指导护肤。20%的用户（皮肤过敏或者感光度高的人群）需要随时掌握近3 d的紫外线强度变化，方便出行。城市用户需要国际紫外线（UVI）等级标准[1]，希望能够基于UVI数值进行防护提示。乡镇用户需要紫外线强度直观等级提示，对如何防护，是否合适晾晒有更强需求。

针对目前国内外主流的用户下载排名前3的紫外线气象服务产品（表1），对其功能和优劣势进行分析。

表1 紫外线气象服务产品调研 Table 1 Product research of ultraviolet weather service

2 主要功能及算法研究

2.1 主要功能

紫外线产品的功能包含当前紫外线提示语、个性化皮肤定制晒黑晒伤时间、未来3 d逐小时紫外线预报、科普资讯和防晒品购买等5大功能。其中产品最突出的亮点在于个性化皮肤定制和不同海拔提示库两大功能（图1）。

图1 皮肤防晒定制和不同海拔提示库界面 Fig. 1 The interface of skin sunscreen customization and its forecast at different altitudes

2.2 算法研究

2.2.1 紫外线指数预报算法

目前国内外对紫外线指数预报主要有统计预报和模式预报两种方法[2]，模式预报主要利用卫星探测臭氧总量，利用辐射传输模式推算紫外辐射量；而统计预报主要依赖于高精度、高准确度的紫外实时观测资料应用统计学方法建立紫外线辐照度的预报方程。统计学方法无明确物理意义，而辐射传输方程从紫外线辐射在大气中的传输机理出发易于人们接受，但许多资料难以获取，同时对计算机要求较高[3-5]。

本产品以陈万隆[6]的到达地面的紫外辐射参数化方案、Frederick模式中的高度修正方程和NWS的云量修正方程[5]为基础，通过对当地当前时间晴空紫外辐射的理论值研究，利用海拔、气温、云量等多要素进行实时订正，对到达地面的紫外辐射强度进行预测，通过辐射观测资料，如紫外辐照度、曝辐量，对紫外辐射进行检验分析，修正多要素订正算法以预测总紫外辐射强度：

式中，Quv为紫外辐射，Q为太阳总辐射，η为紫外辐射占总辐射的比例，取值0.043。ξ为臭氧订正系数，取1。a2/r2为日地距离订正值，取1。

根据中国气象局2008年下发的QXT 87-2008《紫外线指数预报》中对紫外线强度的等级划分标准进行紫外线指数等级划分，以提升产品的标准性和科学性[6]。算法流程如图2所示：

图 2紫外线指数算法流程 Fig. 2 The algorithm flow of ultraviolet index

2.2.2 皮肤防晒算法

从产品服务角度出发，单纯拥有准确的紫外线指数对用户的针对性和预报的直观性有所欠缺，我们调研了大量国内外皮肤学科研究发现紫外线除了长期影响带来引发皮肤癌、眼疾等外，也是引起皮肤晒黑晒伤的主要因素，因此产品结合美国哈佛医学院皮肤科医生Fizpatrie于1975年提出的，将皮肤分为 I、II、III、IV、V、VI型的Fitzpatrick-pathak的经典日光反应性皮肤分型，将不同皮肤类型的最小红斑量（MED）和最小持续黑化量（MPPD）与防晒产品的SPF、SPF遮蔽率以及亚洲地区通用的PA结合[7]，估算出针对于不同皮肤分型的晒黑晒伤时间，已满足用户的需求。

通用皮肤防晒算法公式：

晒伤时间计算=SPF×晒伤自我防护时间

晒黑时间计算=PA×2×晒黑自我防护时间

TT=MIN（SPF×晒伤自我防护时间，PA×2×晒黑自我防护时间）

2.2.3 提示库研究

产品提示库从两个层面出发，首先针对于亚洲常见皮肤类型，结合紫外线指数，提供在未进行防护的条件下紫外线对用户造成损伤的最短时长，其次结合产品算法针对用户设置的皮肤分型和选择的防护措施综合给出可能造成损伤的最短时长。此外针对不同海拔高度地区建立了分海拔区域化提示库，为了满足不同海拔地区的紫外线情况，根据经纬度和海拔信息等综合判断，建立全面的分海拔区域化提示库，通过海拔高低的不同，给出精准提示。表2—4给出了平原地区默认的提示库。

表2 平原地区默认等级提示语 Table 2 Default reminder at plain areas

表3 高海拔地区默认等级提示语 Table 3 Default reminder at high areas

表4 低海拔地区默认等级提示语 Table 4 Default reminder at low areas

3 服务效果

产品上线后，从用户实时反馈系统得出结论，85%的用户使用后，认为对防晒护肤有帮助，60%的用户认为紫外线预报数据准确。通过浏览量统计平台的数据，浏览量和独立用户数逐步提升。

浏览量和用户数的趋势变化如图3所示，可以发现紫外线随季节强弱的变化，越来越受到用户的关注和查询。

图3 产品点击趋势变化曲线 Fig. 3 Product click over time

4 小结

本文研发的产品，将国内紫外线等级标准与国外标准统一，并且是国内最早推出的基于位置的紫外线预报产品，产品中根据国外对中国女性皮肤类型的分析，结合皮肤学科中Fitzpatrick-pathak的经典日光反应性皮肤分型，研究出适合中国女性皮肤，晒黑晒伤时间算法，融合了用户个性化防晒需求。该产品还初步尝试了与电商资源进行合作，让产品更具有实际应用价值和长远商业价值。

但是，该产品在某些方面需要进一步改进。例如，该产品主要基于智能手机WAP端的应用服务，在PC端应该深入应用。未来研究开发以GIS地图为基础的全国紫外线等级预报网格产品，从空间层面上拓展，从所在地，扩展到全国领域。同时，从时间层面上增加中长期紫外线预报，从未来3 d逐小时，提升为未来15 d逐小时。