沧州市紫外线辐射强度变化特征及预报模型

常志坤，吴 薇，黄 毅

（沧州市气象局，河北沧州 061000）

0 引言

紫外辐射对大气环境、人和多种动植物的健康有明显影响。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，紫外线辐射（波长100～400 nm，包括UVA、UVB和UVC）在一类致癌物清单中。我国的紫外线观测始于20世纪90年代初，1992年我国最先在长春和北京开始紫外辐射光谱的观测[1]，现今已有许多学者对紫外辐射进行了观测和研究[2-4]。

本研究利用2017年12月至2018年12月沧州市气象站紫外辐射数据、常规气象观测数据，分析沧州地区紫外辐射强度的日、月、季节变化规律，并对多个气象要素要素进行相关性分析，找出对紫外辐射有影响的因子，再通过逐步回归分析，建立紫外辐射强度的预报方程。

1 数据来源

紫外辐射数据来自沧州市气象局。紫外辐射观测使用日本EK0 INSTRUMENTS公司研制的高精度大气紫外辐射传感器，使用其观测UVA、UVB的日、分钟观测数据，光谱响应范围：UVA：315～400 nm，UVB：280～315 nm。所使用的气象数据，为沧州国家自动站的站点的平均气温、最高气温、海平面气压、日照时数、最小能见度、平均风速、降水量、相对湿度、相对湿度基本气象要素的日观测数据。

2 沧州市紫外线辐射强度变化特征分析

2.1 日变化规律

对沧州市紫外A、B辐射分春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）、冬（12—2月）四个季节计算逐小时紫外辐射均值。由于夜间紫外A辐射和B辐射均基本为零，以每日05～20时逐小时的平均数据分析，见图一。无论是全年平均，还是四季平均，紫外A、B辐射日变化曲线均呈现“单峰型”的分布特征，峰值现在中午12时前后。且四季中，小时紫外辐射强度整体呈现夏季＞春季＞秋季＞冬季。沧州冬季能够接收到紫外A辐射的时段为08～16时，夏季则延长至08～16时，冬季日紫外辐射时间明显小于夏季。因此，业务上规定日紫外辐射强度是按照每日10～14时平均值也是较符合实际的情况的。

对夏季紫外A、B辐射的逐小时均值做K-S检验，PUVA=0.665＞0.05，PUVB=0.665＞0.05，符合正态分布特征，紫外辐射日变化分布特征与气象要素分布极相似，一定程度上说明了紫外辐射强度变化与气象要素之间联系密切。

2.2 月、季变化规律

紫外A、B辐射的月季变化规律有所不同（见图1）。其中，夏季的A辐射占全年总辐射量达45%，明显多于同期B辐射的占比值36%，冬季的A辐射占全年总辐射量达6%，明显少于同期B辐射的占比值12%，说明紫外A辐射比B辐射的季节变化特征更为明显。

从紫外A、B辐射的月辐射总量来看，A辐射7月份最大达768.16 W/m2，而紫外B辐射的6月份最大达54.69W/m2。这主要是由于两者的波长不同，UVA的波长（400～320 nm之间）大于UVB（320～280 nm之间），致使UVA比UVB的穿透能力更强，而天气状况对UVB的干扰更大造成的。据统计，2018年7月降雨量224.3 mm，降雨日数12天均明显多于6月降雨量91.6 mm，降雨日数6天，造成7月UVB总量明显衰减，最大值出现在6月。

表1 紫外A、B辐射与大气因子相关系数表

图1 一年中逐月紫外A辐射强度均值（左图），紫外B辐射强度均值（右图）

3 建立紫外A、B辐射的预报模型

3.1 与气象要素的相关性分析

分别用逐日紫外A、B辐射与太阳高度角、温湿压、能见度、降水量及其变量进行相关分析，寻找关键影响因子，得出相关系数R大于0.5，且在0.01水平（双侧）上显著相关的影响因子。按照与紫外A辐射相关系数大小的因子排序为：最高气温＞正午太阳高度角＞平均气温>海平面气压。按照与紫外B辐射相关系数大小的因子排序为：最高气温＞平均气温＞正午太阳高度角＞海平面气压（表1）。

3.2 建立预报模型

根据以下两点原则选择统计建模的环境因子：

1）与紫外线指数相关性显著；

2）在实际评估或预测中易于获取。

选取2017年12月18日至2018年12月17日数据作为训练样本用来建立模型。得到预测模型结果如下：

紫外A辐射预报模型：

Y=-5.638221+0.389886*X1+0.214115*X2+0.381221*X3-0.000233*X4

其中：Y为紫外A辐射（W/m2）；

X1为最高气温（℃）；

X2为正午太阳高度角（°）；

X3为平均气温（h）；

X4为海平面气压（pa）。

紫外B辐射预报模型：

Y=-0.074208+0.000027*X1+0.010180*X2+0.030893*X3+0.024802*X4

其中，Y为紫外B辐射（W/m2）；

X1为最高气温（℃）、X2为平均气温（℃）；

X3为正午太阳高度角（°）；

X4为海平面气压（pa）。

4 结语

本文利用沧州市气象站紫外辐射、气象观测数据，研究了沧州地区紫外辐射强度的日、月、季节变化规律，并建立紫外辐射强度的预报模型方程。主要内容和结论如下：

1）沧州紫外A、B辐射日变化曲线均呈现“单峰型”的分布特征，峰值现在中午12时前后，冬季能够接收到紫外A辐射的时段为08～16时，夏季则延长至08～16时，逐小时的紫外A、B辐射符合正态分布特征。紫外A辐射比B辐射的季节变化特征更为明显。从紫外A、B辐射的月辐射总量来看，A辐射7月份最大达768.16 W/m2，而紫外B辐射的6月份最大达54.69 W/m2。

2）气象因子与紫外A辐射相关系数大小排序为：最高气温＞正午太阳高度角＞平均气温＞海平面气压。气象因子与紫外B辐射相关系数大小排序为：最高气温＞平均气温＞正午太阳高度角＞海平面气压。