拉薩市紫外線輻射強度指數變化特征分析

＊閆睿 黃磊 魯同所* 旦增克珠 四郎措姆 洛桑卓嘎

（1.西藏大學理學院物理系 西藏 850000 2.拉薩市氣象局 西藏 850000）

紫外線，簡稱UV，是指波長在100-400nm之間，能量很高的一種光線。適量的紫外線有殺菌消毒、誘導皮膚產生維生素D的功能，但過量的紫外線卻是名副其實的“看不見的殺手”。主要表現在：（1）紫外線可以穿過真皮層，直接引起皮膚損傷；（2）紫外線可以造成細胞DNA的損傷，引起細胞基因突變，進而誘發皮膚癌的產生；（3）紫外線可以被眼睛中晶狀體吸收，損傷晶狀體細胞DNA，導致晶體混濁，引發白內障[1]。

青藏高原是我國公認的紫外線輻射強度最高的地區，由于海拔高，大氣層低、空氣稀薄，大氣中可以吸收紫外線的水蒸氣、二氧化碳、塵埃、氣溶膠等物質大幅度減少，以致高原地區紫外線與平原最多可相差6倍[2]；此外由于這里緯度較低，太陽高度角偏大，高海拔又使得大氣稀薄而潔凈，太陽輻射在大氣中的損耗較少，導致日照時間長，也意味著每日紫外線輻照總量隨之增加。如果防范措施不到位，會產生機體損傷，如皮膚出現紅腫紅斑、水泡等癥狀，這也是白內障、皮膚癌等在高原地區頻發的原因。作為高原最具代表性的城市拉薩，不僅是西藏自治區的政治、經濟、教育、文化和宗教中心，而且因為豐富的旅游資源而廣為人知，每年到拉薩觀光的游客較多，大部分對紫外線的防護意識淡薄，防護措施不健全，極易成為紫外線誘發相關疾病的高危人群。

本文主要通過拉薩市采集到的2018-2019年的紫外線輻射相關數據，研究分析近兩年拉薩市紫外線強度的變化特征，著重討論了影響紫外線強度的因素，并簡要介紹了紫外線的作用及危害程度，且有針對性地給出一些具體的防護建議，降低居民和游客不必要的心理負擔，促進西藏旅游業健康而長久的發展。

表1 紫外線輻射等級劃分

1.測量儀器介紹和數據插值處理

(1)測量儀器介紹

為詳細描述紫外線的變化特征，需要長期的連續觀測和與其他影響因素如總輻射強度、日照時長、太陽高度角、云層狀況等進行聯合分析。本文所采用的資料均來自拉薩國家氣象站2018-2019年在西藏自治區拉薩市林廓北路2號觀測到的數據。紫外輻射表采用荷蘭Kipp&Zonen寬波紫外輻射傳感器CUV5，光譜波長：280～400nm，輸出范圍：0～400W/m2，靈敏度：300～500μV/W/m2，響應時間：＜1s。總輻射表采用TBQ-2-B型總輻射表，光譜測量范圍為0.28～3.0μm，輸出范圍0～2000W/m2，電阻約219Ω，靈敏度1288μV/W/m2，響應時間16s。本文中紫外線輻照度是指在單位時間內投射到單位面積上的紫外線輻射能，即觀測到的瞬時值，單位為W/m2。

(2)數據插值處理

由于觀測儀器及相關硬件的不穩定等因素，在這24個月中一共有46天的紫外線數據資料缺測或部分缺測。為減少訂正誤差，在本文中涉及到紫外線變化趨勢以及紫外線強度級別統計分析的圖表，缺測資料均根據歷年同期時段相同天空狀況下的平均紫外線強度級別進行了臨近插值處理。

2.紫外線強度變化特征

紫外線和總輻射強度變化特征分析：

紫外線輻射強度和總輻射強度均取自2018-2019年每日紫外線強度和總輻照強度的最大值。盡管每天的觀測結果都因為受到諸如溫度、濕度、氣溶膠等各種因素的影響而有所差異，但整體來看，各月份太陽總輻射和紫外輻射的變化趨勢和規律都呈現出相對一致的特征。從圖中可以看出，每年的紫外線和總輻射變化趨勢呈現出明顯的單峰型。即夏秋大，春冬小。夏季總輻射瞬時值和紫外線日最高瞬時值可達160.5W/m2（2019-07-15）和66W/m2（2019-07-15），紫外線2年內太陽總輻射日累計值10～40MJ/m2之間，遠高于我國大部分城市[3]。一方面青藏高原海拔高度較高，到達地面的紫外線強度大。再者因為空氣稀薄，大氣中可以吸收紫外線的水蒸氣、二氧化碳、塵埃、氣溶膠等物質大幅度減少，所以太陽輻射瞬時值較大。另一方面，青藏高原的日照時間較長，2018-2019兩年中平均每個月的日照時長高達247h左右，這就造成太陽輻射日累積量較高的結果。拉薩旱、雨季明顯。每年6-9月進入雨季[4]，此時因為氣象狀況波動較大，紫外線與總輻射之間變化波動比其他月份都更劇烈。

圖1 2018-2019年拉薩紫外線幅度與總幅度的變化趨勢

3.紫外線與太陽高度角的特征分析

圖2為2018年春分（2018-03-21），夏至（2018-06-21），秋分（2018-09-23），冬至（2018-12-22）左右的紫外線幅度隨太陽高度角的變化曲線。從圖中可以看出，相對于其它三個日期，2018年12月23日的紫外線幅度變化更為平緩，且與太陽高度角的變化趨勢也更為相近。這是因為隨著秋分的開始，雨季進入了尾聲。晴朗少云的天氣替代了云雨天氣。與之相對的，太陽高度角替代了在雨季中影響天氣狀況的其它因素，成為此時影響紫外線幅度的主要因素[5]，于是紫外線幅度的變化特征也逐漸趨近于太陽高度角的變化特征了。

圖2 紫外線幅度與太陽高度角的變化趨勢

4.紫外線輻照度最大值及出現時間

圖3 紫外線輻照度最大值及出現時間

紫外線輻照度日最大值取自輻照度分鐘數據，若有不同時刻輻照度最大值相同，輻照度最大值取第一次出現的時間。2018-2019年絕大多數的紫外線輻照值大于30W/m2，最高達66W/m2，日最大紫外線幅度小于15W/m2，僅有2d。日最大值出現時間主要集中在12：00-14：00（北京時間，下同）。在12：00之前出現的只有13d，在14：00之后出現的有30d。紫外線輻照數據絕大多數出現在8：00-17：00之間，而且16：00時刻的輻照值明顯高原8：00的輻照值，這些都跟青藏高原日出較晚，日落較晚的特殊高原氣候有關[6]。

5.紫外線與云層的特征分析

圖4（a）是2018年春、夏、秋、冬四個季節中各選取一天晴空天氣的紫外線幅度變化。晴朗天氣下，紫外線的變化特征存在明顯的，大致相同的變化規律。晴空少云的天氣狀況下，紫外線的變化呈現為不完全規則的單峰型變化。紫外線幅度最大值出現在夏季，最小值出現在冬季。

圖4

圖4（b）是2018年3月3日（多云）和2018年3月6日（陰天）的紫外線幅度變化。有云狀況下，一天之中紫外線的變化規律也大致符合中間高，兩邊低的特征。但不同于晴空狀態下的變化曲線，陰天和多云天氣中有多個波谷和波峰。這是因為云層和太陽的位置是變化的，云層遮住太陽時會出現一個波谷，云層打開時就會出現一個波峰[7]。4圖（b）中的曲線與4圖（a）中2018年3月8日的曲線對比，陰天和多云天氣下，紫外線幅度的最大值急劇降低。可見，云層對于紫外線幅度的影響不可小覷。

由表2：2018-2019年各月與全年紫外線輻照等級所占百分率可知，2018-2019年全年出現1級、2級、3級的頻率極低，4級，5級出現的頻率很高。出現5級以上的天數占到了全年天數的77%左右，4月、5月、6月、8月出現5級的天數甚至高達100%。這表明，拉薩戶外紫外線的輻照強度極高，在12：00-14：00左右外出時一定要做好防護措施，避免不必要的曬傷。

表2 2018-2019年各月與全年紫外線輻照等級所占百分率

6.結論

本研究通過對拉薩氣象站2018年1月1日-2019年12月31日的日輻射資料進行分析研究，重點探討了拉薩地區紫外線強度及其影響因素，主要得到以下幾個結論：

（1）拉薩地區紫外線輻射極強，4月、5月、6月、8月的輻射最強，1月，12月的紫外線輻射強度相對較弱；全年輻射等級5級出現頻率最高，1-3級基本不出現；紫外線輻射強度最大值可達66W/m2，日最大值主要集中在12：00-14：00（北京時間，下同）之間。

（2）紫外線輻照強度與總輻射強度有明顯的相關性，兩者變化趨勢高度相似；旱季，太陽高度角是影響紫外線輻照強度變化的主要因素。云層對紫外線輻射度的變化規律有顯著影響。

光波是原子中運動的電子產生的電磁輻射，各種物質發射出來的光波因原子內部電子的運動情況不同而存在差異，光譜就是光中各個波長成分的比例信息。共振線是原子由激發態躍遷到基態所發射的譜線中波長最長的一種，共振線對研究天體的化學組成及物理狀態有著非常重要的作用，而元素的共振線在紫外光區的分布遠遠高于可見光區。因此，通過觀測來自遙遠星系的紫外線光譜和共振線，我們可以了解宇宙天體的化學成分，元素豐度以及恒星大氣參數等相關信息，進而驗證天文學中的相關理論以及還原天體演化的情景。著名的哈勃望遠鏡就是探測紫外線的儀器。

地球的大氣層吸收了絕大多數來自宇宙中的紫外輻射，以致在天文領域，探測紫外線的儀器往往身在高空。作為我國大氣層最稀薄的的地區之一，青藏高原是少數有望不借助人造衛星，在地面上直接觀測到來自宇宙中的紫外線的地區。研究青藏高原紫外線的變化規律，一定程度上也為我國天文事業的發展提供了相應的借鑒和推動作用。