东疆黑戈壁太阳紫外辐射变化特征

阿吉古丽·沙依提 ，张 坤 ，王 豫

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆气象学会，新疆 乌鲁木齐830002；4.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830002）

太阳紫外辐射（Solar Ultraviolet Radiation）是指波长在太阳辐射紫外波段的电磁辐射，其波长范围约在100～400 nm[1]。紫外辐射按照其辐射波段的不同又可划分为3个波段，即：紫外辐射A（UVA，波长在315～400 nm）占太阳辐射总量的6%、紫外辐射B（UVB，波长在280～315 nm）占太阳辐射总量的1.5%和紫外辐射 C（UVC，波长在 100～280 nm）占太阳辐射总量的0.5%[2-4]。但是，平流层中的臭氧把大部分的UVB和几乎全部的UVC给吸收掉了，所以，到达近地面的紫外辐射主要包括UVA和少量的UVB波段的能量。紫外辐射给人们的生活带来了极大影响，特别是UVB波段，时刻影响着人体健康和农作物的生长，可能导致晒伤、眼损伤、皮肤癌、皮肤老化和皱纹、免疫系统减弱，并可能改变植物生长[5-9]。

近几十年来，我国紫外线辐射分布和趋势的研究取得了进展。周允华[10]根据直接辐射的分光数据，得到了估算紫外（波长＜0.4滋m）直接辐射的经验公式和空间分布图。何清等[11]研究了塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区紫外辐射的特征以及影响因子，结果表明，紫外辐射7月最大，12月最小，紫外辐射年均值占总辐射年均值的4.99%。买买提艾力·买买提依明等[12]研究了塔克拉玛干沙漠北缘过渡带肖塘地区紫外辐射和总辐射特征，表明紫外辐射和总辐射的变化趋势基本相同，紫外辐射年曝辐量和辐照度最大值分别为242.62、62.7 W·m-2。傅玮东[13]研究了新疆紫外辐射的分布特征，表明了新疆紫外辐射南多北少，东部地区多于西部地区。张兴华等[14]对拉萨地区紫外辐射进行了分析，结果表明，紫外辐射和总辐射的变化基本一致，6月最大，1月最小。姜峻等[15]研究了安塞黄土丘陵区紫外辐射的分布变化特征，表明了紫外辐射强度与总辐射、气温呈正相关，与相对湿度呈负相关。黄梅玲等[16]研究了中国生态区紫外辐射的时空演变特征，表明在我国紫外辐射呈现西部高、东部低的总体格局。闭建荣等[17]研究了民勤地区紫外辐射的观测研究，建立了民勤地区紫外辐射的估算方程。刘慧等[18]结合气温、降水和露点温度资料建立了禹城地区的紫外辐射估测方程。

戈壁在我国西北地区分布范围广阔，主要集中分布在中国西部地区[19]，面积约66.1万km2，约占我国国土总面积的6.9%[20]。作为面积较大的陆地地表单元，戈壁区域和周围绿洲的水汽、能量交换对局地大气环流和小气候产生重要影响[21]。本文以东疆哈密地区黑戈壁区域作为研究区，对该区域的紫外辐射变化进行研究，揭示了东疆黑戈壁地区太阳紫外辐射的演变规律，从而为戈壁区域太阳能资源开发利用提供参考。

1 研究区域与资料

1.1 研究区域

本文选择红柳河区域开展戈壁区域的紫外辐射研究。红柳河位于新疆东部哈密地区和甘肃省交界处，这里周围上百公里范围内无其他观测站。该区域下垫面主要为砾石和砂砾。土壤发育微弱，石膏化过程和积盐过程突出，表层具极不稳定的孔状结皮，其下为棕红色紧实层及石膏层，其下的心土层为石膏结晶层，土壤发育为石膏棕色荒漠土。植被覆盖稀疏，盖度不足10%，属于暖性干旱极干旱戈壁区[22]。红柳河年平均气温为6.1℃，极端最高气温40.6℃，最低气温-35.1℃，年平均降水量为50.9 mm[23]。

1.2 资料与方法

本文数据来自中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所2016年5月在新疆与甘肃交界的红柳河地区建设的戈壁下垫面陆气相互作用观测站（94°43.8′E，41°32′N，海拔 1579 m）和红柳河国家基本观测站。红柳河戈壁陆气相互作用观测站由35 m梯度探测系统、涡动相关系统和基于地面辐射基准站网络BSRN（Baseline Surface Radiation Network）标准建设的基准辐射观测系统组成。地表基准辐射观测系统由大气短波辐射仪、地面短波辐射仪、大气长波辐射仪、地面长波辐射仪、散射辐射仪、太阳直接辐射仪、太阳自动跟踪器、日照计、双波段紫外辐射仪和光合有效辐射仪组成（表1）。数据采集器采用美国Campbell公司的CR6系列，采集频率为1 Hz，并输出 1 s、10 s、1 min、30 min 和 1 h 不同时间步长的平均数据。

表1 红柳河基准辐射观测系统仪器参数

为了研究不同天气情况下的紫外辐射，利用红柳河国家基本气象站人工观测的天气现象记录，对晴天、少云、多云、阴天和雨天数据进行分类[22]。使用地表基准辐射观测系统数据，对不同天气条件下的紫外辐射变化特征进行了分析。

2 结果与分析

2.1 紫外辐射UVA和UVB的日变化

由图1可以看出紫外辐射UVA和UVB4个季节的平均日变化大致呈单峰分布，早晚小，中午大，最大值均出现在正午12时。10—14时大气质量相对稳定，紫外辐射随着太阳高度角的变化小，对应这段曲线变化较平缓。另外，7月的紫外辐射的变化幅度明显高于其他季节，这是由于在7月，太阳高度角最大。而1月太阳高度角最小，春季次之。

2.2 紫外辐射UVA和UVB的季节变化

图2显示了紫外辐射UVA和UVB的四季（用1、4、7、10 月分别代表春、夏、秋、冬 4 个季节）日曝辐量变化。从图中可以看出，紫外辐射总体呈现夏季最高，冬季最低，春季高于秋季的趋势。这是同太阳高度角随季节的变化相适应的，在夏季，太阳高度角大，紫外辐射到达地表所要经历的光程较短，被吸收而散失的量较少。而冬季，太阳高度较小，紫外辐射到达地面所要经历的光程就比较长，会有较多的吸收，因此强度和辐射量变小[27]。

图1 UVA和UVB辐照度月平均日变化

图2 各季节紫外辐射的日曝辐量均值

另外，从图中可以看出，各季节逐日紫外辐射UVA和UVB变动的离散度在夏季最大，冬季最小，春季大于秋季。这是由于云量影响所致。比如，在春季，紫外辐射UVA与UVB日曝辐量的变化相位基本相同，UVA在8日以及18日出现了低谷，达到了 0.62、0.60 MJ·m-2，根据天气记录数据得知，8日和18日这两天的日平均总云量达到了10成，相比日平均总云量为0成的21日，紫外辐射UVA相差了 1.13 MJ·m-2。 同样，UVB变化情况也随之相同，在8日和18日分别出现了低谷现象。可见每天的云况不同是造成这种差距的主要原因。在有云的天气条件下，云量的多少在很大程度上造成了紫外辐射不同程度的增减，云层越厚，太阳紫外辐射大部分就会被云层吸收，达到地表的紫外辐射就会越弱。

2.3 紫外辐射UVA和UVB的年变化

由图3可知，在红柳河地区紫外辐射UVA和UVB变化位相基本相同，大体呈现倒“U”型分布，呈现出夏高冬低的趋势，紫外辐射UVA月曝辐量最大值在5月，为53.67 MJ·m-2，远高于塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区，最大值在 7月，为 38.03 MJ·m-2[24]，这主要是由于5月塔中地区沙尘频发，沙尘削弱了到达地面的紫外辐射。紫外辐射UVB月曝辐量最大值在7月，为1.27 MJ·m-2，与塔克拉玛干沙漠腹地大致相同，其最大值也是出现在7月，为1.24 MJ·m-2[27]。紫外辐射UVA、UVB月曝辐量最小值均出现在12月，分别为 14.92、0.18 MJ·m-2。 在 5—8 月，UVB的值相差比较接近，为0.06 MJ·m-2。 紫外辐射UVA、UVB的年曝辐量分别为 400.31、8.63 MJ·m-2。

图3 紫外辐射UVA和UVB曝辐量的年变化

2.4 紫外辐射和总辐射的关系

2.4.1 紫外辐射在总辐射中所占的比例

表2给出了2017年1—12月的紫外辐射和总辐射的月平均日总量和各月的紫外辐射在总辐射中所占的比例的变化情况。从表中可以看出，红柳河地区的紫外辐射的年变化和总辐射的年变化位相基本相同，最小值都出现在12月，分别为0.49、8.30 MJ·m-2，最大值也都出现在 5 月，分别为1.73 MJ·m-2和 26.11 MJ·m-2。紫外辐射在总辐射中所占的比例的年变化也呈现出夏季多、冬季少的特点。最大值出现在7月，为6.97%，最小值出现在11月，为5.86%，红柳河地区紫外辐射占太阳总辐射比例的平均值为6.53%，而世界各地的紫外辐射占太阳总辐射的比值为4.6%～5.9%，平均为5.4%[28]。其瞬时最大值出现在6月，为73.22 W·m-2，最小值出现在12月，为29.61 W·m-2。

表2 紫外辐射和总辐射月平均日总量及其比例的变化

2.4.2 典型天气下紫外辐射在总辐射中所占的比例的日变化

根据天气记录数据选取了6种典型天气，即晴天（5月26日）、多云（6月7日）、阴天（4月23日）、扬沙（3月22日）、雾（2月22日）以及降雨（7月1日）。根据6 d的典型天气数据，分析不同天气下紫外辐射占总辐射比例日变化（图4），得出以下结论：

紫外辐射在总辐射中所占的比例在不同的天气条件下其变化幅度的情况也不尽相同，最大值或最小值基本上会出现在早晨或傍晚，此段时间内，太阳高度较低，总辐射值较小，导致紫外辐射所占比例增高。紫外辐射在总辐射中所占的比例呈：雨天>雾天>扬沙天>阴天>云天>晴天，即在太阳高度角一定的条件下，降水、扬沙和云量对总辐射均有削弱作用，但对紫外辐射的削弱能力不大，说明云雨条件下太阳辐射的削弱因子对不同波长段的作用有差异。在晴天、阴天其变化幅度最小，除去晴天的傍晚时分，其余时刻其变化幅度都比较平缓，但在有雾或者降雨天气条件下，其变化波动最大，其中在降雨天气下，紫外辐射在总辐射中所占的比例最大值和最小值相差最大，为9.81%。在阴天天气条件下，紫外辐射在总辐射中所占比例的最大值和最小值相差最小，为1.08%。紫外辐射在总辐射中所占比例的最大值出现在降雨天气为15.17%，最小值出现在扬沙天气为4.45%。可见，随着云量的增多，紫外辐射在总辐射中的比例就会增大，相反，随着沙尘的增多，比值就会减小。

2.5 典型天气下紫外辐射UVA和UVB的变化特征

根据6种典型天气下的紫外辐射UVA和UVB数据分别做出了日变化趋势图（图5）。在晴天天气下，无论是UVA还是UVB辐射都呈现正态分布，即中午高，早晚低，均在中午12时出现最大值，分别为66.89、2.89 W·m-2。这是由于中午太阳高度角最大，所以地面所获得的紫外辐射相应增加，相反早晚太阳高度角较小，所获得的紫外辐射也会相应变小；在多云天气下，紫外辐射UVA和UVB都发生较大的波动，在这一天日平均总云量达到了7成，UVA波段在9—11时出现低谷，最后又逐渐增加，到13时达到最大值，为70.61 W·m-2，随后开始呈现下降趋势，其UVB波段也呈现相应的变化，9—11时呈现缓慢的增长趋势，13时达到最大值为2.00 W·m-2，随后开始呈现递减趋势。可见云量对紫外辐射也有一定的影响；在阴天天气下，紫外辐射UVA和UVB也有一定的波动，在这一天，日平均总云量达到了9成，UVA和UVB波段都在12时出现了最大值分别为57.57、1.69 W·m-2。和晴天天气下UVA和UVB的最大值相差了9.32、1.2 W·m-2。这是由于云量多，云层厚，到达地面的紫外辐射有一部分被大气层中反射，所以到达地面的紫外辐射相比晴天来说就会变少；在扬沙天气下，紫外辐射UVA和UVB上下变化幅度都开始变小。

紫外辐射UVA在11时出现最大值，为39.57 W·m-2，11时之后急剧衰减，根据天气记录数据得知，11：14—12：34 出现了扬沙，同时伴有大风，扬沙出现的时段其UVA和UVB值分别只有晴天相应时段的38.68%和19.38%；在雾天，紫外辐射的最大值比晴天小，UVA最大值在12时，为39.07 W·m-2。UVB波段的变化较大，最大值在12时为0.79 W·m-2。起雾的时刻（8：12—9：28，9：45—9：57，10：18—10：24）紫外辐射值也比较低，UVA和UVB的变化幅度也相对较小，这是由于在有雾时，一些紫外辐射会随着空气中的颗粒、尘埃发生折射散射现象，导致到达地面的紫外辐射变少；在降雨天气条件下，紫外辐射UVA和UVB变化幅度都比较小，最大值也仅为24、0.76 W·m-2。这与晴天天气条件下相应时刻的值相差了42.89、2.13 W·m-2。这说明降雨天气对太阳紫外辐射有一定的衰减作用，云量多，达到地面的紫外辐射就会随之减少。

2.6 与其他地区的比较

为确定红柳河站点紫外辐射的有效性和独特性，与塔克拉玛干沙漠塔中地区、黑河绿洲区、五道梁地区以及太湖流域这4个不同下垫面的地区进行了比较，其结果见表3。

图4 不同天气条件下紫外辐射占总辐射比例的日变化

从表3中可以看出，红柳河戈壁下垫面与塔中沙漠下垫面、黑河绿洲下垫面、五道梁高原下垫面以及太湖平原下垫面的紫外辐射相比有较大的区别。红柳河地区的紫外辐射月平均日总量最大值和最小值分别出现在5月和1月，不同于其他地区出现在7月和12月。年平均值红柳河地区也明显高于其他地区，达到了1.24 MJ·m-2。另外，红柳河戈壁紫外辐射年均值占总辐射年均值之比也明显高于其他地区。这是由于红柳河地区地处戈壁，下垫面植被稀少，加上海拔高度相对较高，云层薄，太阳辐射中到达地面的紫外辐射就会多。

表3 红柳河站与其他地区紫外辐射曝幅量/（MJ·m-2）的比较

3 结论

通过分析2017年紫外辐射UVA和UVB不同时间尺度以及典型天气条件下的变化特征，得到以下结论：

（1）紫外辐射UVA和UVB平均日变化成单峰分布，4个季节的最大值均出现在12时。7月太阳高度角最大，其紫外辐射的变化幅度最大。相反，1月的紫外辐射变化幅度最小。可见，太阳高度角的大小也对紫外辐射有重要的影响。UVA、UVB最大瞬时辐照度为67.97、2.15 W·m-2，日均最大曝辐量为2.09、0.05 MJ·m-2。

（2）紫外辐射UVA和UVB的季节变化呈夏季最高，冬季最低，春季高于秋季的趋势，这是由于太阳高度角的原因所致。其波动的离散程度也呈现出相同的变化特点，这和云量的多少有关。

（3）紫外辐射UVA和UVB的年变化的位相基本相同，大致呈倒“U”型。总体趋势为夏季高，冬季低。两者的年曝辐量分别为 400.31、8.63 MJ·m-2。

（4）紫外辐射在总辐射中所占的比例的月变化呈现夏季高、冬季低的特点。在晴天和阴天条件下，其日变化幅度最小，在降雨条件下，变化幅度最大。

（5）紫外辐射UVA和UVB，在晴天呈正态型分布，总体变化幅度较大，其辐射量也比较大。而在其他天气，其变化会随着某一时刻的天气变化而变化，特别是在降雨天气条件下，其变化幅度最小，辐射量也比较小。

图5 典型天气条件下紫外辐射UVA和UVB辐照度的日变化

（6）红柳河戈壁下垫面的太阳紫外辐射月平均值、年平均值以及紫外辐射年均值占总辐射年均值的比例都明显高于其他地区。