?？谑凶贤饩€輻射特征分析及預報方法研究

魏曉雯 陳明 陳亮

（1 海南省氣象服務中心，?？?570203；2 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，?？?70203）

0 引言

海南島全年陽光充沛，長夏無冬，具有豐富的旅游資源。隨著海南國際旅游島建設的逐步推進，特別是“全域旅游”戰略實施以來，海南旅游熱度穩步提升，戶外旅行尤其是濱海項目備受國內外游客青睞，而較強的紫外輻射是影響旅游體驗的重要因素，也威脅著人們的身體健康。提高對紫外輻射強度的精細化預報能力，如今已成為海南省全域旅游氣象服務的迫切需求。

關于紫外線強度的預報，目前主要有統計預報和輻射傳輸模型兩種方法。在統計預報方面，叢菁等利用大連市紫外線輻射強度與氣象要素的關系，建立了不同季節紫外線輻射強度預報方程。武輝芹根據中午時段的能見度、相對濕度、總云量、低云量、氣溫、風速六個氣象因子，利用多元回歸分析方法得出紫外線等級預報方程。上述統計方法計算簡單，易于實現，但物理意義不夠明確。輻射傳輸模型主要是從紫外輻射穿過大氣層到達地表過程的物理機制出發，分析影響到達地表紫外輻射的主要因子，采取一系列算法進行求解。遼寧省和陜西省基于大氣輻射傳輸的物理機理建立了本地紫外線強度預報模型。郜婧婧等在此基礎上，利用云量和氣溶膠等要素對紫外線輻射傳輸模型進行了改進，進一步提高了紫外線強度的預報準確率。雖然輻射傳輸模型相對較為精確，但對計算機要求較高，且部分數據獲取較困難，因此在目前的紫外線預報業務中應用較少。

本文從大氣輻射傳輸的物理機理出發，將大氣輻射傳輸模型與經驗統計方法相結合，建立一種物理意義明確、計算簡便且適用于海南本地的逐日和逐時紫外線強度預報方法，為海南省紫外線預報業務和全域旅游氣象服務提供參考。

1 資料和等級標準

所用的資料包括：1）海南省氣象臺提供的2015年1月—2019年9月?？谑凶贤廨椛鋽祿ㄈ掌骄贤廨椛鋸姸群?8—16時逐小時紫外輻射強度。需要說明的是，由于小時觀測資料缺失嚴重，質量欠佳，小時數據僅選用質量較好的2017年作為研究對象。2）國家氣象信息中心提供的2015年1月—2019年9月?？谑谐Ｒ帤庀笥^測數據，包括逐日和逐時的平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時降水量、最大風速、極大風速、日照、平均氣壓、平均水汽壓、平均濕度、總云量、低云量、最小水平能見度等。3）?？谑协h保局提供的2015—2018年?？谑协h境觀測數據，包括SO、NO、O、PM、PM的日平均值。

2 紫外線輻射強度特征分析

2.1 季節變化特征

從月平均值（圖1）來看，海口市紫外線輻射強度具有明顯的季節變化，總體呈夏季高、冬季低的趨勢，這與太陽高度角變化趨勢相一致。紫外線輻射強度1月為全年最弱，從4月開始迅速增強，7月達到全年最強。7月的平均輻射強度為41.2 W/m，月輻射極值為82.1 W/m。值得注意的是，在8月，無論是月平均輻射值還是月輻射極值，均出現一個相對低值，這可能與8月從海南登錄的臺風數較多有關。統計表明，每年8月從海南島北部沿海登陸的平均熱帶氣旋數為2個，占全年的66.7%?？梢?，紫外輻射除了受季節變化影響外，還與降水、云量、日照等氣象因素密切相關。

圖1 2015—2019年?？谥鹪缕骄贤饩€輻射強度曲線Fig. 1 Monthly averaged ultraviolet radiation intensity curve of Haikou from 2015 to 2019

在現行業務中，紫外線輻射強度統一被劃分為5個等級：到達地面的紫外線輻射強度＜5 W/m為1級，5～10 W/m為2級，10～15 W/m為3級，15～30 W/m為4級，≥30 W/m為5級。進一步將紫外線輻射強度轉換成紫外線等級發現，12月和1月海口紫外線的月平均等級為2級，11月和2月的月平均等級為3級，3月、4月和10月平均等級為4級，其余月份均為5級。

2.2 日變化特征

從2017年?？谑写?、夏、秋、冬四個季節的紫外線輻射強度逐時均值（圖2）可以看出，四個季節紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時是紫外線輻射強度最強的時段，外出應注意采取適當的防護措施，15時后紫外線輻射強度迅速下降。除秋季峰值出現在11時外，其余季節峰值均出現在12時前后。四季中，逐時紫外線輻射強度整體呈現夏季＞秋季＞春季＞冬季。

圖2 2017年四個季節的08—16時海口市逐時平均紫外線輻射強度曲線Fig. 2 Hourly averaged ultraviolet radiation intensity curve of Haikou in 2017

3 不同紫外線等級的大氣環流背景

從大氣環流角度出發，探究不同紫外線等級下的大氣環流背景。圖3給出了1～5級紫外線分別對應的大氣環流場?？傮w來看，從紫外線1～5級，大氣環流場表現出從冬季環流向夏季環流轉換的特征。當紫外線強度為1級和2級時，大氣環流表現出明顯的冬季環流特征：中高緯等位勢高度線密集，氣壓梯度較大，中國大陸受大陸冷高壓（反氣旋性環流）控制，海南島在偏東氣流影響下易出現低溫陰雨天氣。紫外線為3級時對應的大氣環流場表現出冬夏季節轉換特征，大陸冷高壓減弱，500 hPa西太平洋副熱帶高壓（副高）緩慢北抬。當紫外線強度為4級和5級時，大氣背景場已具備明顯的夏季環流特征：中高緯等位勢高度線稀疏，熱帶地區西南季風開始建立，副高西伸北抬，海南島受南到西南氣流控制，易出現晴熱高溫天氣。

4 紫外線輻射強度預報方法

4.1 紫外線輻射強度與氣象環境要素的相關性分析

圖3 不同紫外線等級對應的大氣環流場（圖3a～3e分別對應紫外線1～5級；等值線表示500 hPa位勢高度，單位：dagpm；箭頭表示850 hPa風速，單位：m/s）Fig. 3 Atmospheric circulation fields corresponding to different ultraviolet levels(Fig. 3 a-3e correspond to ultraviolet levels 1-5 respectively, the contour represents the potential height of 500 hPa, unit:dagpm, the arrow represents wind speed on 850 hPa, unit: m/s )

為了建立?？谑凶贤廨椌€射強度預報模型，在了解大氣環流背景的前提下，進一步對紫外線輻射強度與氣象條件的相關性進行分析。選取日平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時降水量、平均風速、最大風速、極大風速、日照時間、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對濕度、最小水平能見度等作為常規氣象要素指標，與紫外線輻射強度進行相關性分析。另外，由于大氣環境因素對紫外線輻射也有一定程度的影響，選取日平均SO、NO、O、PM和PM等作為環境要素指標與紫外線輻射強度進行相關性分析。為了在相關分析時消除其他變量的影響，判斷某個特定要素與紫外線輻射強度的關系，相關分析中采用偏相關系數。

表1 給出了日平均紫外線輻射強度與各因子的相關系數。綜合來看，紫外線輻射強度與氣溫要素的關系最為密切，其中與日最高氣溫的相關性最高（

r

=0.726）；其次，相關性較高的為氣壓、濕度、云量、日最小能見度等要素（0.3＜|

r

|＜0.6）；日平均PM和PM濃度對紫外輻射強度也有一定的影響（0.1＜|

r

|＜0.3），但日平均SO濃度、日平均NO濃度和日平均O濃度等環境要素與紫外線輻射強度的相關性均較低（|

r

|＜0.1）。

表1 紫外線輻射強度與氣象環境因子的偏相關系數Table 1 Partial correlation coefficient between ultraviolet radiation intensity and meteorological environment factors

4.2 逐日紫外線輻射強度預報模型

選取2015—2017年日平均紫外線輻射強度作為樣本數據（2018—2019年9月資料作為檢驗數據），建立逐日紫外線輻射強度預報模型。根據大氣輻射傳輸理論，到達地表的紫外線輻射強度與太陽總輻射在某個地區的比值較為固定，紫外線輻射強度可用如下公式表示：

式中，

Q

為到達地表的紫外輻射強度，

Q

為到達地表的太陽總輻射，

η

近似為常數，

Q

為大氣上界的太陽總輻射強度，由太陽對地球的天文位置所決定；

a

為太陽輻射穿過大氣層到達地面的衰減程度，綜合反映了大氣對太陽輻射的削弱作用。令 ，則紫外輻射強度的計算公式可簡化為：

到達地球大氣上界的太陽輻射量

Q

可由以下公式求得：

式中，

S

為太陽常數，取1373 W/m，

θ

為太陽高度角，

φ

為緯度，

φ

為時角，正午時

φ≈

0，

δ

為太陽赤緯。進一步對到達地表的紫外輻射

Q

與大氣上界太陽總輻射

Q

的比值

A

進行回歸分析，以便剔除太陽高度角的影響。首先按照公式（4）和（5）計算出一年中每日的地球大氣上界太陽總輻射量，再根據逐日紫外線輻射強度實況計算

A

。最后選取4.1節中與紫外線強度相關系數信度通過

α

=0.01檢驗的要素作為待選預報因子，進行逐步回歸分析，得到

A

的線性回歸方程：

式中，

T

為日最高氣溫，單位為℃；

CCL

為低云量，單位為%；

P

為日平均氣壓，單位為hPa；

Vis

為日最小能見度，單位為km；

V

為極大風速，單位為m/s；

RH

為日平均相對濕度，單位為%。計算出

A

后，利用公式（3）～（5）便可預報出海口市逐日紫外輻射強度。預報方程充分考慮了溫度、云量、氣壓、能見度、風速、相對濕度等氣象要素以及太陽高度角對紫外線輻射的影響。

4.3 預報效果檢驗

將2018年1月—2019年9月紫外線實況觀測資料與預報模型計算出的紫外線預報值求相關，二者的相關系數為0.87，遠超過0.01的顯著性水平檢驗，表明預測模型較為可靠；進一步將紫外線輻射強度轉化為紫外線等級進行檢驗，結果顯示，預測等級正確的占63.7%，相差1級的占28.4%，相差2級的比例為4.3%，其余占3.6%。其中預測正確及相差1級的比例占總數的92.1%，表明預測結果較為理想，可在業務中使用。

圖4 2018年1月—2019年9月預報紫外線等級中各實際等級的比例Fig. 4 Percentage of actual ultraviolet levels accounting for the predicted ultraviolet levels from January 2018 to September 2019

為進一步分析誤差來源，提高預報準確率，圖4給出了2018年1月—2019年9月紫外線預測等級中實際各等級所占的百分比。當預測紫外線為1級時，68.2%的實況等級為1級，即準確率為68.2%；預測等級為4級時，準確率為67.3%；預測等級為5級時，準確率為80.6%?？梢娔Ｐ皖A報出1級、4級和5級時可信度較高，無需做調整。但當模型預報為2級時，有55.6%的實況等級為1級，而2級的預測準確率僅為28.6%，預測等級往往偏高；當模型預報為3級時，預報的不確定性較大，實際紫外線等級為1、2、3、4級的情況均有可能出現。因此該預報模型在業務應用中，若紫外線預測等級為2、3級，應根據前一天實況酌情考慮訂正紫外線強度等級。

4.4 逐時紫外線輻射強度預報方法和檢驗

首先利用公式（3）～（5）得到一年中每日08—16時逐小時的太陽總輻射量，再計算出2017年逐時紫外線強度實況與太陽總輻射的比值

A

，將

A

作為因變量，與紫外線強度相關顯著的要素作為待選預報因子，進行逐步回歸分析，最終建立

A

的預報方程：

式中，

A

為逐時紫外線輻射強度與太陽總輻射的百分比，單位為%；

T

為小時最高氣溫，單位為℃；

T

為小時最低氣溫，單位為℃；

Vis

為小時平均能見度，單位為km；

V

為極大風速，單位為m/s。計算出

A

后，利用公式（2）求出到達地面的逐小時紫外輻射強度。方程中充分考慮了太陽高度角的年變化和日變化特征，以及溫度、風速、能見度等氣象要素對紫外線輻射的影響。

對回歸方程的預測效果進行檢驗，逐時紫外線等級預測正確的占45.1%，相差1級的占40.1%，相差2級的占11.0%，其余占3.8%。其中預測正確及相差1級的比例占全年的85.2%。雖然與逐日紫外線等級預報準確率相比略有下降，但填補了海南省逐時紫外線強度預報的空白，對于海南省精細化旅游氣象服務具有較好的實用價值。

5 結論和討論

在分析?？谑凶贤饩€輻射強度大氣環流背景及其氣象、環境要素相關性的基礎上，將大氣輻射傳輸模型與經驗統計方法相結合，建立了海口市紫外線輻射強度預報方法。主要得到以下結論：

1）?？谑凶贤饩€輻射強度具有明顯的季節變化特征和日變化特征，季節變化總體呈夏季高、冬季低的趨勢。四個季節紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時是紫外線輻射強度最強的時段。

2）從大氣輻射傳輸理論出發，將大氣輻射傳輸模型與經驗統計方法相結合，建立了?？谑兄鹑蘸椭饡r紫外線輻射強度的預報模型。對2018年1月—2019年9月逐日紫外線輻射強度的預報試驗表明，預測等級正確的占63.7%，相差1級的占28.4%，預測結果較為理想；對于逐時紫外線輻射強度預報模型，2017年逐時紫外線等級預測正確的占45.1%，相差1級的占40.1%，有效填補了海南省逐時紫外線強度預報的空白。

由于紫外線觀測資料的限制，本文僅針對?？诘貐^紫外線輻射的分布規律和預報方法進行了初步探索。未來隨著紫外線觀測站點的增加以及紫外線輻射觀測資料的不斷完善，預報方法將進一步完善，精細化程度將得到進一步提高。