拉萨市紫外线辐射强度指数变化特征分析

＊闫睿 黄磊 鲁同所* 旦增克珠 四郎措姆 洛桑卓嘎

（1.西藏大学理学院物理系 西藏 850000 2.拉萨市气象局 西藏 850000）

紫外线，简称UV，是指波长在100-400nm之间，能量很高的一种光线。适量的紫外线有杀菌消毒、诱导皮肤产生维生素D的功能，但过量的紫外线却是名副其实的“看不见的杀手”。主要表现在：（1）紫外线可以穿过真皮层，直接引起皮肤损伤；（2）紫外线可以造成细胞DNA的损伤，引起细胞基因突变，进而诱发皮肤癌的产生；（3）紫外线可以被眼睛中晶状体吸收，损伤晶状体细胞DNA，导致晶体混浊，引发白内障[1]。

青藏高原是我国公认的紫外线辐射强度最高的地区，由于海拔高，大气层低、空气稀薄，大气中可以吸收紫外线的水蒸气、二氧化碳、尘埃、气溶胶等物质大幅度减少，以致高原地区紫外线与平原最多可相差6倍[2]；此外由于这里纬度较低，太阳高度角偏大，高海拔又使得大气稀薄而洁净，太阳辐射在大气中的损耗较少，导致日照时间长，也意味着每日紫外线辐照总量随之增加。如果防范措施不到位，会产生机体损伤，如皮肤出现红肿红斑、水泡等症状，这也是白内障、皮肤癌等在高原地区频发的原因。作为高原最具代表性的城市拉萨，不仅是西藏自治区的政治、经济、教育、文化和宗教中心，而且因为丰富的旅游资源而广为人知，每年到拉萨观光的游客较多，大部分对紫外线的防护意识淡薄，防护措施不健全，极易成为紫外线诱发相关疾病的高危人群。

本文主要通过拉萨市采集到的2018-2019年的紫外线辐射相关数据，研究分析近两年拉萨市紫外线强度的变化特征，着重讨论了影响紫外线强度的因素，并简要介绍了紫外线的作用及危害程度，且有针对性地给出一些具体的防护建议，降低居民和游客不必要的心理负担，促进西藏旅游业健康而长久的发展。

表1 紫外线辐射等级划分

1.测量仪器介绍和数据插值处理

(1)测量仪器介绍

为详细描述紫外线的变化特征，需要长期的连续观测和与其他影响因素如总辐射强度、日照时长、太阳高度角、云层状况等进行联合分析。本文所采用的资料均来自拉萨国家气象站2018-2019年在西藏自治区拉萨市林廓北路2号观测到的数据。紫外辐射表采用荷兰Kipp&Zonen宽波紫外辐射传感器CUV5，光谱波长：280～400nm，输出范围：0～400W/m2，灵敏度：300～500μV/W/m2，响应时间：＜1s。总辐射表采用TBQ-2-B型总辐射表，光谱测量范围为0.28～3.0μm，输出范围0～2000W/m2，电阻约219Ω，灵敏度1288μV/W/m2，响应时间16s。本文中紫外线辐照度是指在单位时间内投射到单位面积上的紫外线辐射能，即观测到的瞬时值，单位为W/m2。

(2)数据插值处理

由于观测仪器及相关硬件的不稳定等因素，在这24个月中一共有46天的紫外线数据资料缺测或部分缺测。为减少订正误差，在本文中涉及到紫外线变化趋势以及紫外线强度级别统计分析的图表，缺测资料均根据历年同期时段相同天空状况下的平均紫外线强度级别进行了临近插值处理。

2.紫外线强度变化特征

紫外线和总辐射强度变化特征分析：

紫外线辐射强度和总辐射强度均取自2018-2019年每日紫外线强度和总辐照强度的最大值。尽管每天的观测结果都因为受到诸如温度、湿度、气溶胶等各种因素的影响而有所差异，但整体来看，各月份太阳总辐射和紫外辐射的变化趋势和规律都呈现出相对一致的特征。从图中可以看出，每年的紫外线和总辐射变化趋势呈现出明显的单峰型。即夏秋大，春冬小。夏季总辐射瞬时值和紫外线日最高瞬时值可达160.5W/m2（2019-07-15）和66W/m2（2019-07-15），紫外线2年内太阳总辐射日累计值10～40MJ/m2之间，远高于我国大部分城市[3]。一方面青藏高原海拔高度较高，到达地面的紫外线强度大。再者因为空气稀薄，大气中可以吸收紫外线的水蒸气、二氧化碳、尘埃、气溶胶等物质大幅度减少，所以太阳辐射瞬时值较大。另一方面，青藏高原的日照时间较长，2018-2019两年中平均每个月的日照时长高达247h左右，这就造成太阳辐射日累积量较高的结果。拉萨旱、雨季明显。每年6-9月进入雨季[4]，此时因为气象状况波动较大，紫外线与总辐射之间变化波动比其他月份都更剧烈。

图1 2018-2019年拉萨紫外线幅度与总幅度的变化趋势

3.紫外线与太阳高度角的特征分析

图2为2018年春分（2018-03-21），夏至（2018-06-21），秋分（2018-09-23），冬至（2018-12-22）左右的紫外线幅度随太阳高度角的变化曲线。从图中可以看出，相对于其它三个日期，2018年12月23日的紫外线幅度变化更为平缓，且与太阳高度角的变化趋势也更为相近。这是因为随着秋分的开始，雨季进入了尾声。晴朗少云的天气替代了云雨天气。与之相对的，太阳高度角替代了在雨季中影响天气状况的其它因素，成为此时影响紫外线幅度的主要因素[5]，于是紫外线幅度的变化特征也逐渐趋近于太阳高度角的变化特征了。

图2 紫外线幅度与太阳高度角的变化趋势

4.紫外线辐照度最大值及出现时间

图3 紫外线辐照度最大值及出现时间

紫外线辐照度日最大值取自辐照度分钟数据，若有不同时刻辐照度最大值相同，辐照度最大值取第一次出现的时间。2018-2019年绝大多数的紫外线辐照值大于30W/m2，最高达66W/m2，日最大紫外线幅度小于15W/m2，仅有2d。日最大值出现时间主要集中在12：00-14：00（北京时间，下同）。在12：00之前出现的只有13d，在14：00之后出现的有30d。紫外线辐照数据绝大多数出现在8：00-17：00之间，而且16：00时刻的辐照值明显高原8：00的辐照值，这些都跟青藏高原日出较晚，日落较晚的特殊高原气候有关[6]。

5.紫外线与云层的特征分析

图4（a）是2018年春、夏、秋、冬四个季节中各选取一天晴空天气的紫外线幅度变化。晴朗天气下，紫外线的变化特征存在明显的，大致相同的变化规律。晴空少云的天气状况下，紫外线的变化呈现为不完全规则的单峰型变化。紫外线幅度最大值出现在夏季，最小值出现在冬季。

图4

图4（b）是2018年3月3日（多云）和2018年3月6日（阴天）的紫外线幅度变化。有云状况下，一天之中紫外线的变化规律也大致符合中间高，两边低的特征。但不同于晴空状态下的变化曲线，阴天和多云天气中有多个波谷和波峰。这是因为云层和太阳的位置是变化的，云层遮住太阳时会出现一个波谷，云层打开时就会出现一个波峰[7]。4图（b）中的曲线与4图（a）中2018年3月8日的曲线对比，阴天和多云天气下，紫外线幅度的最大值急剧降低。可见，云层对于紫外线幅度的影响不可小觑。

由表2：2018-2019年各月与全年紫外线辐照等级所占百分率可知，2018-2019年全年出现1级、2级、3级的频率极低，4级，5级出现的频率很高。出现5级以上的天数占到了全年天数的77%左右，4月、5月、6月、8月出现5级的天数甚至高达100%。这表明，拉萨户外紫外线的辐照强度极高，在12：00-14：00左右外出时一定要做好防护措施，避免不必要的晒伤。

表2 2018-2019年各月与全年紫外线辐照等级所占百分率

6.结论

本研究通过对拉萨气象站2018年1月1日-2019年12月31日的日辐射资料进行分析研究，重点探讨了拉萨地区紫外线强度及其影响因素，主要得到以下几个结论：

（1）拉萨地区紫外线辐射极强，4月、5月、6月、8月的辐射最强，1月，12月的紫外线辐射强度相对较弱；全年辐射等级5级出现频率最高，1-3级基本不出现；紫外线辐射强度最大值可达66W/m2，日最大值主要集中在12：00-14：00（北京时间，下同）之间。

（2）紫外线辐照强度与总辐射强度有明显的相关性，两者变化趋势高度相似；旱季，太阳高度角是影响紫外线辐照强度变化的主要因素。云层对紫外线辐射度的变化规律有显著影响。

光波是原子中运动的电子产生的电磁辐射，各种物质发射出来的光波因原子内部电子的运动情况不同而存在差异，光谱就是光中各个波长成分的比例信息。共振线是原子由激发态跃迁到基态所发射的谱线中波长最长的一种，共振线对研究天体的化学组成及物理状态有着非常重要的作用，而元素的共振线在紫外光区的分布远远高于可见光区。因此，通过观测来自遥远星系的紫外线光谱和共振线，我们可以了解宇宙天体的化学成分，元素丰度以及恒星大气参数等相关信息，进而验证天文学中的相关理论以及还原天体演化的情景。著名的哈勃望远镜就是探测紫外线的仪器。

地球的大气层吸收了绝大多数来自宇宙中的紫外辐射，以致在天文领域，探测紫外线的仪器往往身在高空。作为我国大气层最稀薄的的地区之一，青藏高原是少数有望不借助人造卫星，在地面上直接观测到来自宇宙中的紫外线的地区。研究青藏高原紫外线的变化规律，一定程度上也为我国天文事业的发展提供了相应的借鉴和推动作用。