紫外輻射時空變化規律研究進展

王錦旗, 宋玉芝, 鄭建偉, 吳芳芳

(南京信息工程大學應用氣象學院, 南京 210044)

UVR對水體環境生物學效應研究主要集中最近的20～25 a,研究水平從分子領域到生態系統水平[15-17]。最新的研究證實UVR對水生有機體有顯著負面影響[18],主要有浮游植物[19-20]、浮游動物[21-23]、大型藻類、海草[18]、魚卵和幼魚[24-25],甚至對水體中浮游細菌和病毒產生影響[26]。在清澈的海水中,1%的海水表面光強λ為320、380 nm所能達到的深度分別為50 m和280 m[27],在部分南極海域對有機體有傷害的UVR可深入水下60～70 m[28]。在一些淡水水域,UVR生物學效應同樣不可忽視,在長江中下游一些湖泊中,UV-A、UV-B的穿透深度最大可達5.97、2.17 m,對生物有害UVR基本上能到達湖底,其中增強UV-B輻射不僅影響到水生生物,而且可對底棲生物造成傷害[29-30]。因此,深入研究UVR在地表的時空間分布狀況,采取有效措施預防紫外線對人體傷害,提高各類生態系統對UVR的抵御能力及適應能力就顯得十分重要。

1 地表UVR時空間分布

1.1 全球地表UVR時空分布狀況

1.1.1 全球地表UVR空間分布狀況

在太陽輻射輸出總能量中,UV-A占6.3%,UV-B占1.5%,UV-C僅占0.5%[31]。其中UV-C由于大氣中氧分子和臭氧吸收不能到達地表[31-32],全球地表UVR取決于太陽輸出的能量以及大氣的傳輸特性。因此,地表UVR包括太陽直接輻射部分、散射輻射部分[31,33]。UVR強度最高區域集中在南北緯23°之間,主要分布在南非、撒哈拉、中東、印度、中國、美國西南部、中南美洲,在一些高海拔地區UVR強度也較強,包括安第斯山脈和喜馬拉雅山脈,而在亞馬孫熱帶雨林由于大量云系覆蓋,UVR強度明顯低于同緯度的大西洋和太平洋[34]。1969—1986年北半球臭氧柱減少,夏季地表紅斑UVR輻照度增加4%[31]。研究發現,1979—1993年,南北兩個半球的高緯度和中緯度地區UV-B顯著增加,但中緯度地區增幅較小[35];與相應的北半球同緯度地區相比,阿根廷、智利、新西蘭和澳大利亞的紫外線水平相對較高[35]。1979—1997年地表UVR強度表明,南北半球分布不對稱,主要是由于海拔差異及同緯度帶氣候差異,赤道地區(1°S～10°S)下降主要由于云覆蓋,陸地表面最強主要分布在5°N～20°N和10°S～25°S,北半球最高值出現在非洲和中東地區(<20°N),因大量云系存在,中美洲地區低于同緯度的非洲和中東地區,南半球最高值出現在非洲和澳大利亞(<30°S)[35]。2000年后的觀測結果與之前基本一致,臭氧監測儀檢測結果[33]顯示,2005年全球地表UVR日平均值(單位:J/m2)、全球地表UVR日均值(單位:J/m2)依然在赤道附近最高[36]。

1.1.2 全球地表UVR時間變化狀況

地表UVR強度有明顯季節變化,在北半球,1—7月,紫外線逐漸增強,7月達到最大值,之后逐漸減弱,12月達到最小值[31],而南半球與之相反[37]。1979—1989年,UVR季節變化振幅(最高值-最低值)中緯度地區高于低緯度及高緯度地區[35]。年際變化上,1979—1992年到達地表UVR變化均呈增加趨勢,赤道附近變化最小,南極點周圍變化最大,兩個半球呈不對稱分布,最大值出現在20世紀80年代北半球中緯度地區[38]。盡管目前消耗臭氧層物質(ozone depleting substances, ODSs)中氯氟烴(chlorofluorocarbons, CFCs)排放大幅減少,但北半球平流層臭氧減少趨勢仍在加劇,預計到2010—2019年平流層臭氧濃度下降最為嚴重,粗略估算,若臭氧濃度恢復至20世紀80年代水平大約要到2050年[39]。預計北半球到達地表UVR強度2040—2050年達2%,南半球2040—2050年將達27%[40]。

1.2 中國地表UVR時空分布狀況

1.2.1 中國地表UVR空間分布狀況

在中國UVR與總輻射年變化規律一致,從地域分布看,青藏高原一直是中國UVR高值區,四川盆地一帶經常是低值區,夏季全國有一條明顯的分界線,從黑龍江緯度偏中地區到云南省一線,把中國分為西北和東南兩部分,UVR西北部分明顯大于東南部分[41]。在空間上,UVR呈現緯度地帶性分布,從南向北逐漸減小,從東向西增加;東部、東北的低海拔地區,UVR相對較低,以長江流域南部為最小,向南向北增加,華南地區為最大,華北地區次之,到東北地區又隨著緯度增加而減小。UVR與高程呈現明顯的正相關,在高海拔的青藏高原區UVR高[42-44]。

1.2.2 中國地表UVR時間變化狀況

中國UVR存在明顯的季節變化,強度從1～7月逐漸增大,在夏季(7月) 達到最大值,春秋季次之,達,冬季(12月份)達到最小值[41,44-45]。在時間變化上,中國紫外線指數(ultraviolet index, UVI)年際變化整體由西南向東北逐漸減小,南海和青藏高原西部年際變化最大,東北華北地區最小[43]。在季節上:中國青藏高原年際變化春季最大,南海地區靠近赤道附近在秋季變化最大,其他區域在冬季變化較大,東北在夏季年際變化較大,華中、華南和華東年際變化春冬季大于夏季和秋季[43]。青藏高原的UVR在1961—1984年呈上升趨勢,之后變化較小,與全國和其他地區的總體趨勢不一致[42]。其中2005—2015年平均UVR呈上升趨勢,不同區域的變化趨勢表現出明顯的空間差異,大體在高值的青藏高原區,UVR呈現減少的趨勢;在低值區, UVR呈現逐漸增大的趨勢[45]。

2 影響達到地表UVR的因素

影響地表UVR因素比較多,其中較重要的有:太陽天頂角、臭氧總量、二氧化硫、氣溶膠、火山氣溶膠、地表反照率和云、海拔高度和氣溶膠負荷及污染氣體含量[43,46-47]等因素。

2.1 天文因素

2.1.1 日地距離

地表獲得的太陽輻射強度與地球距離太陽之間的距離的平方成反比[36,48]。由于地球圍繞太陽的軌跡為橢圓形,因地球軌道為橢圓形,太陽位于橢圓形軌跡的其中一個焦點上,全年大氣層頂(100 km)實際到達的太陽輻射強度主要由日地距離決定[49]。張軒誼[49]計算地球位于近日點與遠日點時大氣層頂的UVR流量,發現近遠日點輻射流量在平均日地距離附近波動±3.3%。這種日地距離引起的輻射變化同樣影響到地表接收UVR在不同季節差異,以及不同地區的分布[48]。有模型研究發現,在給定的太陽天頂角(solar zenith angle, SZA)條件下,由于地球繞太陽的橢圓軌道,12月和1月的輻照度比6月和7月高約7%[50]。

2.1.2 SZA

太陽輻射穿過大氣層的路徑長度由SZA決定[50],SZA是影響UVR強度最重要的天文因素[51],太陽偏離地平線越多,輻射穿越大氣到達地面的路徑越短,晴天無云情況下的太陽UVR的日變化主要是因為SZA的變化,通常出現在中午[48]。張軒誼[49]模擬UVR流量隨SZA變化時發現,觀測高度越低,受SZA的影響越大。當地面高度為0.1 km時,SZA>20°時,輻射流量隨 SZA 增大而減小;當高度為20 km時,SZA>70°時輻射流量出現明顯下降;當高度為50 km時,當SZA>80°時輻射流量出現明顯下降[49]。

2.1.3 太陽活動

太陽活動11年周期也是影響UVR的天文因素,在總太陽能輸出的變化幅度達0.1%[52]。且太陽活動11年周期對短波輻射影響更大,根據Lean等[53]的研究在200～300 nm時,因太陽活動周期導致UVR變化幅度高達1.1%。太陽活動另一個重要影響是太陽活動11 a周期會影響平流層臭氧的濃度,20世紀60—70年代、20世紀70年代—21世紀10年代報告的平流層臭氧濃度均與11 a太陽周期相關,繼而會影響地表UVR強度[54-55]。

2.2 臭氧

UVR和大氣臭氧間的相關性是眾所周知的,據記錄,平流層臭氧水平下降,導致地表UVR水平上升[56]。由于人類活動排放的大量消耗臭氧層物質(ODSs),如氯氟烴類化合物和《蒙特利爾議定書》控制的氟氯化碳和其他鹵代物種[57]。20世紀90年代早期,全球臭氧損耗達到最大,比1964—1980年全球平均臭氧減少5%[58],盡管目前CFCs排放大幅減少,但北半球平流層臭氧減少趨勢仍在加劇。根據估算,若臭氧濃度恢復至20世紀80年代水平大約要到2050年[39]。大氣中臭氧總量減少1%,UV-B輻射增加到約2%[38]。1979—1993對流層臭氧和氣溶膠可以顯著降低全球UV-B輻射[34]。Katsambas等[59]、Herman[60]分析1978—2005年地表UVR變化發現,在引起地表UVR因素中(臭氧、云),南北半球地表UVR變化很大程度是由O3造成的。在希臘雅典(37.6°N,23.4°E),1985—1993年的夏季因為臭氧總量的減少,到達地面紫外線輻射在300、312、320 nm和UV-B(280～320 nm)每10年分別增加0.54%、0.98%、2.60%和0.79%[59]。歐亞大陸北部(40°N～80°N, 10°W-180°E) 1979—2015年UVR變化趨勢為+3%/10a,主要原因是臭氧損失[61]。因此,控制ODSs不僅有利于平流層臭氧恢復,也有利于降低地表UVR[62]。2001—2017年南極臭氧洞的臭氧損失明顯減少,然而在低緯度和中緯度地區,尚未觀察到總臭氧柱增加的跡象[63]。

2.3 云

由于云是由小水滴或冰晶時,當輻射通過時即被分散,導致透過的輻射減弱,導致到達地表紫外線的衰減[64],2018年,北歐國家報告的平均UVI值異常高的部分原因是無云條件[63]。天空中的云可以將約80%的UVR傳遞到地球表面[65]。自20世紀90年代中期以來,在北半球中緯度北部地區觀測到的UVR增加較少,主要是原因因云量和氣溶膠的變化引起的,而不是臭氧的變化[62]。Frederick等[66]對美國幾個觀測站點資料進行研究,發現云年平均衰減達22%～38%,對一些清潔無污染條件下模擬發現云對部分紫外波段衰減可達62%～78%,但云在時間和空間上是變化較大,故很難將其規范化。Estupinán等[67]研究表明,薄云或低云量狀況下引起的衰減可能無法觀測,而厚云引起的衰減可能高達99%。云對紫外線衰減作用取決于不同的云的特性,如云量、云光學厚度、太陽和云之間的相對位置、云的類型以及云層數量等[33],這通常會減少表面的紫外線輻射,但在多云晴空條件下,UVR也可能增加[50],這種現象被稱為云增強效應。在巴西東北部Cerro Tres Cruces[68]、Recife[69]地區觀測到UVR云增強效應,在云的作用下,UVR水平得以增強,UVR水平可能達到極值,Recife地區云增強效應導致UV指數高于15[69]。

2.4 氣溶膠

大氣中的氣溶膠不僅能散射太陽輻射而且能吸收太陽輻射,這通常會減少紫外線輻射[50,70]。氣溶膠對UVR吸收還是散射主要與氣溶膠類型有關,如硫酸鹽主要散射UVR,而其他物質,如有機氣溶膠,吸收更大程度UVR[71]。因為氣溶膠,紫外線輻照度在某些區域可能會下降20%或更多[72-73]。Herman等[34]研究發現,1979—1993年對流層臭氧和氣溶膠共同作用可以顯著降低全球UV-B輻射。Erlick等[73]模擬夏季平均濕度條件下310 nm處輻射,發現在內陸地區其減弱可達15.2%,城市地區可達40.0%,這些削減作用相當于氣溶膠光學厚度(AOD)分別為1.26和3.22。研究表明,由于AOD增加導致UVR衰減,當AOD從0.1增加到1時,355 nm處的輻射減少20%[74];在希臘Thessaloniki地區,2009—2011年氣溶膠AOD比2003—2006年平均水平高出約50%[75]。在印度西北部一些城市,2011—2020年,由于化石燃料燃燒、車輛交通和生物量增長增加了氣溶膠排放,AOD從0.2增至1.8,紫外吸收性氣溶膠指數(UV-AI)也呈增長趨勢[76]。在中國,不少地區UV-AI也呈增長趨勢,如陜西省、甘肅省、青海省和寧夏回族自治區在2005—2019年UV-AI值呈波動上升的變化趨勢[77];粵港澳大灣區2008—2019年由于工業活動UV-AI值也保持較高值為0.35[78]。

2.5 海拔高度

地形高度本身不會對UV產生影響,但隨海拔高度的增加大氣中的氣溶膠、水汽、大氣成分等會而發生變化,進而引起UVR變化[79]。海拔越高,太陽輻射的光路穿越到達地表時間越短,衰減明顯較少。以20°N中午12:00為例,紫外輻照度隨海拔高度的升高而增加,當海拔高度為0時,UV-B 輻照度為2.03 W/m2;當海拔高度升至5 km時,UV-B輻照度達到2.52 W/m2,增加了1/4。UV-A變化情況與之類似,但幅度略小[79]。Pfeifer等[80]在德國和玻利維亞研究海拔550～5 240 m的UVR變化,將這種UVR隨海拔高度的變化效應稱為高度效應(altitude effect,AE)。在德國,AE變化范圍為7～16%/km,在玻利維亞5%/km～10%/km,在一些高原和高山地區變化幅度為8%/km～23%/km[80]。在高海拔的觀測點也可以獲得UV指數的極值,如在夏威夷Mauna Loa(3 400 m)獲得最大UVI為20;在南半球,安第斯山脈Antiplano的La Quiaca也獲得了20的最大UVI(3 459 m)[81];在中國拉薩(3 698 m)獲得的最高UVI為18[82]。

2.6 反照率

反照率是指表面反射的入射陽光的比例,UVR研究中反照率定義的標準(以及其他太陽光譜)是反射(上升流)輻照度與入射(下降流)輻照度的比率[83]。反照率對波長具有較強的選擇性,在大多數表面反照率隨波長的增加而增加,故UVR反照率遠低于可見光[84],大多數自然表面的反射率小于5%[50]。UV-B波段反照率在植被表面為0.016～0.017,裸露肥沃的土壤為0.04～0.05,高速公路混凝土表面為0.07～0.10,污染雪為0.62%～0.76%,而在UV-A波段,反照率較UV-B略高,植被的反照率為0.02,裸露土壤為0.05～0.08[84]。當積雪覆蓋時,地表反照率可顯著影響UVR[85]。在地表有冰雪覆蓋時,晴朗無云的條件下,經地表與大氣多次反射,UVR較無雪地表增強了10%～25%[86],新鮮的雪甚至可以具有490%的反射率,從而大大增加漫射UV的貢獻[50],而陰天條件UVR增強甚至高達80%[86]。

3 結論與展望

(1)從全球而言,赤道附近太陽高度最高,故UVR最強,主要集中在南北緯23°之間;在中國從地域分布看,從南向北逐漸減小,從東向西增加,青藏高原一直是中國UVR高值區。從時間分布來看,北半球,1—7月紫外線逐漸增強,南半球相反,故在全球而言,南半球UVR最高季節出現在1月份,北半球主要出現在7月份。因人類活動排放的消耗臭氧層物質作用,臭氧層仍持續減少,因此到達地表UVR強度最大將增加;在中國總體太陽輻射與UVR強度在1—7月逐漸增大,7月達到最大值,后逐漸減小,12月達最小值。在未來中國不同地區UVR增加率差異較大。從影響地表UVR分布因素而言,天文因素(日地距離、太陽天頂角、太陽活動)、臭氧、云、氣溶膠及大氣污染物、海拔高度、地表反照率等因素均對地表UVR產生重要影響。

(2)中國對UVR的觀測起步較晚,UVR觀測站點也較少,UVR強度的預測大多依賴于模型模擬,缺少一手監測數據,因此,存在很大的局限性,不能滿足大規模的科研分析。另外,隨著人們生活品質的追求,對UVR的了解的需求也在增強。增加UVR的觀測及預報精度十分重要,隨著氣候變化,UVR在地表變化狀況也變得十分復雜,未來應加強監測與預測工作,可更好地為日常生活提供更為準確的預報,為相關行業及科研工作提供更為準確的數據。關于UVR對有機體影響方面的研究主要集中在陸生生態系統上,尤其集中在農作物對UVR脅迫的研究上,但對水生有機體得研究開展的較少,且缺乏系統的水下(包括海洋和內陸水體)UVR觀測數據,而外國近二三十年來,關于UVR對水生生物影響的研究較多,且在部分水域建立了完整的水下UVR觀測網站,因此,未來中國在此類的研究和觀測需要進一步加強。