陳 樹(shù) 鄭向東* 林偉立 張 勇 扎西達(dá)瓦 祁棟林

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所 中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)3)(西藏自治區(qū)氣象局，拉薩 850000)4)(西藏自治區(qū)拉薩市當(dāng)雄縣氣象局，當(dāng)雄 851500)5)(青海省氣象科學(xué)研究所，西寧 810000)

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西藏當(dāng)雄地基紫外線指數(shù)觀測(cè)研究

陳 樹(shù)1)鄭向東1)*林偉立2)張 勇3)扎西達(dá)瓦4)祁棟林5)

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所 中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)3)(西藏自治區(qū)氣象局，拉薩 850000)4)(西藏自治區(qū)拉薩市當(dāng)雄縣氣象局，當(dāng)雄 851500)5)(青海省氣象科學(xué)研究所，西寧 810000)

基于西藏當(dāng)雄2009年9月—2011年8月地基紫外線指數(shù)(UVI)觀測(cè)，結(jié)合TUV輻射傳輸模式分析,該文檢驗(yàn)太陽(yáng)天頂角、云、臭氧、積雪和氣溶膠對(duì)UVI的影響。結(jié)果顯示，影響地面UVI主要因素是太陽(yáng)天頂角和云。晴天地面UVI可簡(jiǎn)單用太陽(yáng)天頂角擬合函數(shù)表征；地面UVI的云調(diào)制因子總體上隨云量增加呈下降趨勢(shì)，但間隙性、未遮蔽日面的云可增強(qiáng)太陽(yáng)散射輻射，使云調(diào)制因子值平均增加約3%～6%，個(gè)別情形達(dá)40%。臭氧低谷使當(dāng)雄UVI比同緯度平原地區(qū)增加約12%；冬季短期、淺層積雪使UVI增加16%或更低，也低于模式模擬值(23%)；氣溶膠(光學(xué)厚度為0.02～0.1)對(duì)UVI衰減低于3%。因臭氧低谷導(dǎo)致青藏高原臭氧南北分布的差異，相同太陽(yáng)天頂角下拉薩(海拔為3650 m)UVI較瓦里關(guān)(海拔為3810 m)偏高 7%～10%。與衛(wèi)星產(chǎn)品比較表明：OMI衛(wèi)星UVI產(chǎn)品在當(dāng)雄、沱沱河、瓦里關(guān)和拉薩較地基測(cè)值總體偏高65%以上，而晴天則平均分別偏高8.6%，13%，9%和50%。云、地基與衛(wèi)星像元地理位置差異應(yīng)是衛(wèi)星UVI產(chǎn)品偏高的原因。當(dāng)雄地基UVI測(cè)值大于14時(shí)，衛(wèi)星UVI產(chǎn)品反而低3%應(yīng)與間隙性云有效增強(qiáng)了地面輻射有關(guān)。

UVI； 西藏當(dāng)雄； 青藏高原； 地基觀測(cè)； 衛(wèi)星比對(duì)

引 言

盡管到達(dá)地面紫外輻射在太陽(yáng)總輻射能量中只占較少的部分，但它對(duì)人類健康、生態(tài)環(huán)境的影響十分重要。為了評(píng)估紫外輻射的生物效應(yīng)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]，通常計(jì)算紫外輻射的光譜輻照度與紅斑效應(yīng)譜(紫外輻射使人類皮膚產(chǎn)生紅斑的能力隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系函數(shù))加權(quán)乘積對(duì)波長(zhǎng)的積分量，得到紅斑有效輻照度。考慮在公眾認(rèn)知范圍內(nèi)，紅斑有效輻照度的概念比較復(fù)雜，世界衛(wèi)生組織(WHO)在2002年給出紫外線指數(shù)(UVI)定義[2]，即用紅斑有效輻射值乘40的值為UVI。UVI值越高，表明紫外輻射對(duì)人體的皮膚潛在傷害越大，它在引起公眾關(guān)注和警示太陽(yáng)輻射可能造成的生物傷害方面具有指示作用。通常情況下，UVI為1～2時(shí)，是安全的；UVI為3～5時(shí)，則需要在一定暴露環(huán)境下具有保護(hù)措施；UVI為7以上時(shí)，需要特殊保護(hù)措施；UVI為11以上時(shí)，則屬于危險(xiǎn)情形[3]。影響到達(dá)地表太陽(yáng)紫外輻射的因素較多。太陽(yáng)天頂角(solar zenith angle,SZA)、天空云量(包括云高)、平流層臭氧、地表反照率、海拔高度和大氣氣溶膠等均可影響到地表太陽(yáng)紫外輻射。青藏高原(簡(jiǎn)稱高原)海拔較高，空氣清潔，地面太陽(yáng)輻射高于同緯度平原地區(qū)[4-5]。青藏高原地區(qū)上空夏季存在臭氧低谷[6]，更增強(qiáng)了高原地區(qū)的紫外輻射。在高海拔地區(qū)已觀測(cè)到極高的UVI[7](UVI值大于20)。但受季風(fēng)影響，夏季多云天氣既可能使高原紫外輻射減弱，也可能由于云散射輻射增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致地表紫外輻射增強(qiáng)[8]。因此，深入了解高原地區(qū)紫外輻射特征及其影響因子對(duì)高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、人體健康保護(hù)均有意義[9]。

青藏高原地域廣闊，對(duì)其地面紫外輻射的觀測(cè)相對(duì)較少。已有研究集中在拉薩城區(qū)[4-5，10]或高原東北部青海瓦里關(guān)的短期觀測(cè)[11]。為了進(jìn)一步了解高原不同地區(qū)近地面紫外輻射特征及其影響因素，本文主要考察在當(dāng)雄地區(qū)(30.48°N，91.10°E，海拔為4200 m)進(jìn)行為期兩年(2009年9月—2011年8月)的近地面UVI測(cè)值，并結(jié)合輻射傳輸模式重點(diǎn)分析比較當(dāng)雄UVI變化及其受太陽(yáng)天頂角、云、臭氧、地面積雪和氣溶膠等因素的影響狀況。在此基礎(chǔ)上，比較該地UVI與高原其他3個(gè)地點(diǎn)(拉薩、青海的沱沱河及瓦里關(guān))測(cè)值；此外，本文還給出了地面測(cè)值與衛(wèi)星OMI探測(cè)UVI產(chǎn)品的初步比較情況，展示衛(wèi)星UVI產(chǎn)品在高原地區(qū)精度狀況。

1 觀測(cè)儀器和數(shù)據(jù)

1.1 地面紫外輻射觀測(cè)

在當(dāng)雄觀測(cè)UVI儀器是Yankee UVB-1型輻射表(每隔1 min觀測(cè)1次)，是世界氣象組織推薦全球大氣本底觀測(cè)使用的寬波段紫外-B波段(UV-B:290～330 nm)輻射表。該表核心技術(shù)是太陽(yáng)輻射通過(guò)硫酸鎳晶體濾光片后得到較弱的UV-B輻射激發(fā)磷光體產(chǎn)生可見(jiàn)綠波段的熒光，從而通過(guò)光敏二極管測(cè)量熒光輻照度間接實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)UV-B輻射快速而準(zhǔn)確的測(cè)量[12]。與當(dāng)雄進(jìn)行比較的高原其他3個(gè)站,沱沱河(34.22°N，92.43°E，海拔為4500 m)、拉薩(29.67°N，91.13°E，海拔為3640 m)、瓦里關(guān)(36.29°N，100.90°E，海拔為3810 m)的UVI的觀測(cè)儀器分別是編號(hào)為177，074和054的Brewer臭氧光譜儀。Brewer光譜儀與Yankee UVB-1輻射表不同之處在于，Brewer光譜儀還要進(jìn)行臭氧等其他觀測(cè)，對(duì)UVI觀測(cè)并非連續(xù)，但通過(guò)光譜觀測(cè)實(shí)現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)選擇與處理

本文對(duì)當(dāng)雄UV-B原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選：剔除電壓信號(hào)明顯異常的值，僅選擇太陽(yáng)天頂角在90°以下的測(cè)值并將其轉(zhuǎn)換成UVI進(jìn)行分析。云量、地面積雪等天氣信息來(lái)自當(dāng)雄站點(diǎn)定時(shí)氣象觀測(cè)記錄。其中，所有天氣指觀測(cè)時(shí)間內(nèi)所有樣本天氣條件，晴天以每日4次云量均為0為依據(jù)。臭氧總量來(lái)自拉薩177號(hào)Brewer光譜儀測(cè)值。Brewer光譜儀的UVI測(cè)值是按業(yè)務(wù)流程經(jīng)過(guò)質(zhì)量評(píng)估與控制后確定的[13]。

衛(wèi)星與地基UVI比較時(shí)間確定在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻。由于Brewer光譜儀UVI測(cè)值的時(shí)間并不完全與衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間一致，本文參考Tanskanen等[14]研究工作，在處理Brewer UVI數(shù)據(jù)時(shí)，將衛(wèi)星過(guò)境與地基測(cè)值時(shí)間差別設(shè)在10 min內(nèi)進(jìn)行比較；在與衛(wèi)星產(chǎn)品比較時(shí)，晴天依據(jù)衛(wèi)星云量產(chǎn)品為零而確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 當(dāng)雄UVI變化特征

圖1給出了當(dāng)雄地面觀測(cè)UVI總體變化(時(shí)間為北京時(shí)，下同)。由圖1可以看到，當(dāng)雄UVI具有顯著的日變化和季節(jié)變化特征。晴天UVI以其最大值為軸線呈對(duì)稱分布，隨著太陽(yáng)天頂角逐漸降低，UVI逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度也增大，并在當(dāng)?shù)卣缱笥疫_(dá)到峰值，然后逐漸回落。5—8月是UVI值較高的季節(jié)，前后月份UVI逐漸遞減。正午小時(shí)平均UVI值夏季為12.6±3.9(其中6月為13.5±5.2，全年最高，而7月為12.5±5.7)，最大小時(shí)平均值為19.3±0.6；而冬季僅為5.3±1.4，最大小時(shí)平均值為8.9±1.4。夏季是屬于危險(xiǎn)紫外輻射暴露的情形，UVI最高值為23.1，出現(xiàn)在2010年7月23日，與Dahlback等[10]在西藏米拉山(29.82°N，92.34°E，海拔為5000 m)的測(cè)值接近，但高于高原東北部瓦里關(guān)使用同種類型儀器短期測(cè)量的UVI最高值17[11]。

2.2 影響地面UVI因素的檢驗(yàn)

2.2.1 太陽(yáng)天頂角

由圖1可知，太陽(yáng)天頂角的變化是影響地表紫外輻射最重要的因素。圖2是當(dāng)雄地表UVI隨太陽(yáng)天頂角變化趨勢(shì)。UVI隨著太陽(yáng)天頂角降低總體上呈增大趨勢(shì)，盡管UVI最大值并非均出現(xiàn)在太陽(yáng)天頂角最小時(shí)刻(這也正反映了除太陽(yáng)天頂角外，其他因素也會(huì)明顯影響UVI變化)，UVI高值(大于10)明顯集中于太陽(yáng)天頂角較小(小于40°)的區(qū)域。

圖2b給出了晴天UVI隨太陽(yáng)天頂角變化趨勢(shì)，可以得出UVI(IUV)和SZA(ASZ)的計(jì)算式：

IUV=8.47+8.42cos(0.037ASZ)-

0.15sin(0.037ASZ) 。

(1)

考慮地表太陽(yáng)輻射與日地距離變化有關(guān)，式(2)中增加日地距離訂正因子f，

IUV=8.27+[8.01cos(0.037ASZ)+

0.32sin(0.037ASZ)]f，

(2)

(3)

其中，j表示一年中日序(1～365或366)[15]。 式(2)比式(1)的物理意義更明確一些。需要說(shuō)明的是式(2)是基于當(dāng)雄晴天地基觀測(cè)擬合所得到，這一公式與站點(diǎn)海拔高度、太陽(yáng)天頂角的范圍以及其他晴天影響UVI的因素是密切聯(lián)系的，并不一定完全準(zhǔn)確適合高原其他站點(diǎn)。

圖2 當(dāng)雄UVI(10 min平均)隨太陽(yáng)天頂角的變化 (a)所有天氣，(b)晴天Fig.2 UVI(10 min mean) as a function of SZA observed at Dangxiong(a)all-sky,(b)cloud-free

2.2.2 云

對(duì)比圖2a、圖2b可發(fā)現(xiàn),云對(duì)UVI影響明顯。大多數(shù)情況下，UVI會(huì)隨著天空云量增加而呈整體性降低。為分析云對(duì)UVI的影響，本文引入云調(diào)制因子(cloud motification factor,CMF)，CMF被定義為云天和晴天條件下紫外輻射之比[16]，而本文定義CMF值為某一云量下和晴天條件下UVI的比值(值越小,表示云對(duì)UVI的削弱越強(qiáng))，為消除太陽(yáng)天頂角的影響，本文選擇太陽(yáng)天頂角分別為20°，25°，30°(±0.5°)時(shí),CMF的變化值與云量之間的關(guān)系(圖3)。由圖3可知，CMF值隨云量增加總體上是降低的，當(dāng)云層完全遮蔽天空時(shí)，CMF值最小(0.5～0.6)，云對(duì)UVI的削弱最強(qiáng)。由圖3可知，當(dāng)云量大于8成時(shí)，云僅存在削弱影響(CMF值小于1)。而當(dāng)云量小于8成時(shí)，云的存在除可能降低地面UVI以外，還有使到達(dá)地面UVI增強(qiáng)的現(xiàn)象(存在CMF值大于1)，在云量為1～2成時(shí)的CMF平均值略大于1。當(dāng)雄CMF值分散性較大，這可能與實(shí)際觀測(cè)中云量是一個(gè)主觀觀測(cè)量、存在較大不確定性有關(guān)，同時(shí)也可能是隨后分析到的不遮日面的間隙性破碎云增強(qiáng)地表輻射的緣故(圖3中“10-”表示天空布滿云但存在空隙)。

圖3 不同太陽(yáng)天頂角條件下CMF值隨云量變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Variations of CMF with changes of cloud amount at different SZAs

為進(jìn)一步了解云對(duì)紫外輻射的影響，圖4給出了2010年7月19，23日和25日地基UVI觀測(cè)變化，期間太陽(yáng)天頂角和臭氧總量相近但云況不同。7月19日全天晴天，UVI日變化以最大值為中心呈對(duì)稱分布。7月25日日平均云量為4成，且在午后云量逐漸增多到10成(云層遮蔽天空)，UVI對(duì)應(yīng)變化為在當(dāng)?shù)貢r(shí)間正午過(guò)后大大降低，這是云削弱到達(dá)地面紫外輻射。但7月23日全天云量變化對(duì)UVI的影響很明顯。天氣記錄該日出現(xiàn)太陽(yáng)光可透過(guò)云隙的積云和積雨云，但在當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)間前，UVI比晴天條件下大大增強(qiáng)，且13:45出現(xiàn)了兩年內(nèi)UVI最大值(23.1)，高于7月19日(晴天)UVI約40%(19日太陽(yáng)天頂角比23日還要略小)。

圖4還給出了利用NCAR的TUV輻射傳輸模式[17]計(jì)算出7月23日晴天時(shí)UVI的日變化值。模式模擬值與7月19日晴天條件下觀測(cè)值高度吻合?？梢?jiàn)，在檢驗(yàn)其他影響晴天UVI的因素(如臭氧總量、地面反照率等)時(shí)，模式是一個(gè)很好的工具。觀測(cè)和模式模擬值的比較表明：間隙性云層會(huì)增大到達(dá)地面紫外輻射。Dahlback等[10]在拉薩—林芝地區(qū)的米拉山也注意到，在這種情況下，UVI比晴天要高出30%左右。

UVI最大值出現(xiàn)的時(shí)間(7月23日)與Norsang等[18]在拉薩測(cè)得最大UV-B輻射值的時(shí)間相近(7月22日)。這表明在這個(gè)季節(jié)當(dāng)云量較多但云層未遮蔽日面時(shí)，云層多次反射增大到達(dá)地面的紫外輻射在高原地區(qū)是普遍現(xiàn)象。類似現(xiàn)象在第1次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)中已被觀測(cè)到[19]，其表現(xiàn)為夏季高原地面太陽(yáng)總輻射常出現(xiàn)超過(guò)全輻照度(total solar irradiance，TSI)值。這與高原較常出現(xiàn)強(qiáng)烈發(fā)展的對(duì)流云有關(guān)[20]：當(dāng)天空未被云完全覆蓋、而對(duì)流直展云系發(fā)展旺盛、在云頂部形成強(qiáng)烈的輻射散射面的情況下，太陽(yáng)輻射穿過(guò)云隙到達(dá)地面過(guò)程中散射輻射得到增強(qiáng)，從而提升了太陽(yáng)總輻射值。陸龍驊等[21]在對(duì)夏季珠穆朗瑪峰地區(qū)的太陽(yáng)總輻射分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)地表總輻射超過(guò)太陽(yáng)全輻照度23%的現(xiàn)象；因此，云層增強(qiáng)地表太陽(yáng)輻射在高原地區(qū)應(yīng)是普遍現(xiàn)象。Piacentini等[22]在阿根廷的阿塔卡瑪沙漠高原同樣也觀測(cè)到夏季地面總輻射超過(guò)太陽(yáng)全輻照度的現(xiàn)象。

圖4 太陽(yáng)天頂角接近時(shí)但不同云況下UVI日變化比較Fig.4 Comparison of UVI under conditions of different cloud coverage

2.2.3 臭 氧

平流層臭氧量減少會(huì)導(dǎo)致到達(dá)地面UV-B紫外輻射增加。為了解臭氧總量與UVI的變化關(guān)系，本文挑選了當(dāng)雄晴天、太陽(yáng)天頂角比較接近時(shí)，觀測(cè)到的UVI變化與臭氧總量之間的關(guān)系(圖5)。臭氧總量與UVI之間線性擬合式為y= -0.017x+7.41，相關(guān)系數(shù)為0.81(達(dá)到0.01的顯著性水平)，這一擬合與TUV模式計(jì)算比較吻合。

圖5 晴天條件下ASZ=60°±2.5°時(shí)臭氧總量與UVI的變化趨勢(shì)Fig.5 UVI as a function of total ozone with SZA of 60°±2.5° under clear-sky condition

夏季高原上空的臭氧低谷已被衛(wèi)星和地基觀測(cè)證實(shí),主要在高原南部覆蓋拉薩和當(dāng)雄地區(qū)[6,23-24]。高原地區(qū)夏季臭氧低谷對(duì)UVI影響也可以從理論上量化。當(dāng)雄與拉薩均處在夏季臭氧低谷影響區(qū)域范圍內(nèi)。為了解臭氧低谷對(duì)UVI的影響，根據(jù)拉薩和同緯度的東部地區(qū)臨安(處在非臭氧低谷區(qū)域)夏季臭氧總量值平均值(拉薩為262.3 DU，臨安為287.4 DU)的差異，TUV模式計(jì)算比較了臭氧總量差異對(duì)UVI的影響：在夏至日晴天正午因?yàn)槌粞蹩偭坎町?，?dāng)雄UVI變化為12.3%。

2.2.4 地面積雪

一般情況下,紫外波段地面反照率較小，它對(duì)UVI影響不大。輻射傳輸模式研究表明[25]，非冰、雪的地表紫外波段反照率對(duì)波長(zhǎng)有依賴性，反照率變化對(duì)UVI的影響幅度不超過(guò)4%，但對(duì)于如冰、雪等地表，地面紫外輻射增強(qiáng)可達(dá)到40%。Kylling等[26]研究也表明，積雪長(zhǎng)期覆蓋地表會(huì)使地面紅斑輻射月平均值增加20%。TUV模式對(duì)高原瓦里關(guān)地區(qū)UV-B輻射反照率敏感性試驗(yàn)也表明[13]：積雪地面的UVI增大且與雪深有關(guān)，雪深2 cm和5 cm分別使地面UVI增加21%～22%，27%～28%。為了探究實(shí)際積雪對(duì)當(dāng)雄地區(qū)UVI的影響，本文根據(jù)當(dāng)雄地區(qū)的氣象觀測(cè)積雪記錄，半定量了解積雪對(duì)UVI的影響。

表1給出了晴天條件下，有、無(wú)積雪時(shí)固定太陽(yáng)天頂角(分別固定為50°，60°)UVI測(cè)值以及TUV模式模擬值(括號(hào)中)的比較。有積雪的2009年第323日(11月19日)和2010年第2日(1月2日)UVI較高；2010年第2日UVI在ASZ=50°,60°分別比第363日(12月29日)高16.6%和16.9%(TUV模式模擬值在相應(yīng)的條件下分別高22.7%和23.1%)。盡管第11日(1月11日)的臭氧總量?jī)H為242 DU，但第2日的UVI仍然高于第11日?？梢?jiàn)，地面積雪增大地表反照率，使UVI值相應(yīng)加強(qiáng)。但如果將表1中2009年第300日的UVI測(cè)值與第323日的進(jìn)行比較會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上第323日的積雪對(duì)UVI的增強(qiáng)不到5%，遠(yuǎn)低于理論上的22%左右。

基于觀測(cè)推算積雪對(duì)UVI增加幅度均遠(yuǎn)低于Kylling等關(guān)于高緯度地區(qū)研究(約20%)[26]，也低于28%[13]和40%[25]的模式模擬值。通過(guò)對(duì)相同條件下當(dāng)雄本地TUV模式模擬值分析可知，實(shí)際積雪對(duì)UVI的影響低于理論值(約23%)。這一差值與當(dāng)雄積雪粒子物理屬性、積雪厚度、融化程度及表面雜質(zhì)等因素造成積雪反照率的變化有關(guān)[27]。高緯度地區(qū)積雪深、太陽(yáng)天頂角高導(dǎo)致的積雪反照率高對(duì)UVI的增加明顯。冬季高原地面積雪的時(shí)空差異很大[28]，當(dāng)雄處在中低緯度下墊面為高原草甸地區(qū)，冬季積雪薄、持續(xù)時(shí)間短，當(dāng)太陽(yáng)天頂角較低時(shí)，積雪地表反照率低，這些使積雪對(duì)UVI增強(qiáng)幅度遠(yuǎn)低于理論值。

表1 晴天積雪對(duì)UVI影響的調(diào)查Table 1 Investigation of influences from snow coverage on UVI at Dangxiong

2.2.5 氣溶膠

高原地區(qū)氣溶膠濃度總體較低，含量明顯低于同緯度低海拔地區(qū)，接近潔凈地區(qū)背景值。張軍華等[29]測(cè)量表明：當(dāng)雄地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)較小，為0.02～0.1(550 nm)。利用TUV輻射傳輸模式模擬氣溶膠變化對(duì)當(dāng)雄地區(qū)地面UVI影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)固定的情況下，AOD由0.02變?yōu)?.1時(shí)，相應(yīng)的UVI僅減少約為3%，說(shuō)明當(dāng)雄氣溶膠變化對(duì)UVI影響很小，不超過(guò)3%，由此可以推測(cè)，在高原氣溶膠低值地區(qū)， UVI受氣溶膠的影響很小。

2.3 與高原其他站點(diǎn)測(cè)值的比較

為了解高原地區(qū)UVI整體情況，將當(dāng)雄與沱沱河、拉薩和瓦里關(guān)地基UVI測(cè)值進(jìn)行比較(表2)?？紤]到太陽(yáng)天頂角是UVI變化主要因子，同時(shí)也兼顧Brewer UVI測(cè)值樣本量較少的因素，表2將太陽(yáng)天頂角分別按10°±1°間隔固定在10°～60°的范圍內(nèi)比較?？梢钥闯?，在相同的太陽(yáng)天頂角情況下，海拔高度對(duì)UVI影響很明顯：當(dāng)雄地面UVI與沱沱河接近(比沱沱河低約0.5%)，但分別高于拉薩和瓦里關(guān)25.86%及26.53%。在較高的太陽(yáng)天頂角(50°以上)時(shí)，當(dāng)雄UVI略高于沱沱河的原因仍需探討，可能與沱沱河樣本量較少有關(guān)。

由于海拔較低，拉薩UVI明顯低于其他3個(gè)站的測(cè)值。但當(dāng)太陽(yáng)天頂角低于40°時(shí)(主要在夏季)卻明顯高于瓦里關(guān)測(cè)值。說(shuō)明高原地區(qū)UVI總體既受海拔高度差異影響也受其他因子影響。夏季拉薩處在臭氧低谷區(qū)域，其上空臭氧總量低于瓦里關(guān)近30 DU，盡管瓦里關(guān)海拔高度略高于拉薩且不在城市地區(qū)，但UVI值仍較拉薩偏低約7%～10%(太陽(yáng)天頂角為20°～40°)。

表2 當(dāng)雄、沱沱河、拉薩、瓦里關(guān)地基UVI測(cè)值的比較Table 2 Comparison of ground-based UVI at Dangxiong,Tutuhe,Lhasa,Waliguan

2.4 與OMI衛(wèi)星UVI產(chǎn)品初步比對(duì)

由于高原地區(qū)的地面觀測(cè)站點(diǎn)非常少，更多觀測(cè)數(shù)據(jù)需依靠衛(wèi)星產(chǎn)品，因此，利用地基測(cè)值對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品檢驗(yàn)有重要意義。全球其他地區(qū)大部分站點(diǎn)衛(wèi)星與地基測(cè)值的比較結(jié)果是衛(wèi)星UVI產(chǎn)品高于地基測(cè)值[14,30-31]，究其根本原因是衛(wèi)星在反演地表UVI時(shí)未考慮對(duì)流層吸收性氣溶膠對(duì)紫外輻射的衰減。因此，OMI衛(wèi)星UVI 產(chǎn)品在晴天或云天情況下比地基測(cè)值高13%～33%不等(如歐洲地區(qū))[31-32]。圖6a是當(dāng)雄地區(qū)Aura-OMI衛(wèi)星過(guò)境時(shí)衛(wèi)星與地基UVI數(shù)據(jù)比對(duì)的總體結(jié)果。顯然衛(wèi)星UVI產(chǎn)品也高于地基測(cè)值，但數(shù)據(jù)點(diǎn)分散范圍很大，相對(duì)差別平均高達(dá)80%，遠(yuǎn)高于其他海拔較低地區(qū)的比對(duì)結(jié)果(平均為0～40%[14])。由圖6a可知，當(dāng)UVI值大于14處于較高水平時(shí)，衛(wèi)星UVI產(chǎn)品普遍低于地基測(cè)值；而當(dāng)?shù)鼗鵘VI值不小于14時(shí)，衛(wèi)星比地基測(cè)值平均低3.3%。由圖2可知，UVI值不小于14基本上是在太陽(yáng)天頂角為36°以下的范圍，主要是夏季。

圖6 當(dāng)雄衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻地基與衛(wèi)星UVI值比較 (a)所有天氣，(b)晴天Fig.6 UVI Comparison between satellite-derived overpass and ground-based measurements at Dangxiong under all sky conditions(a) and clear-day only(b)

若不存在云、氣溶膠、地面積雪時(shí)，理論上衛(wèi)星UVI產(chǎn)品與地基測(cè)值具有高度一致性[33]。當(dāng)雄地區(qū)氣溶膠含量較低，且地面積雪出現(xiàn)次數(shù)少，顯然UVI受云的影響較大，由圖6a也可知，多數(shù)地基UVI測(cè)值僅為2～4，而此時(shí)，衛(wèi)星UVI產(chǎn)品則為6～18，兩者相差數(shù)倍，這種現(xiàn)象較為普遍。由圖6b可以看出，衛(wèi)星UVI產(chǎn)品與地基測(cè)值具有很好的一致性，線性回歸斜率約為1，衛(wèi)星UVI產(chǎn)品和地基測(cè)值平均相對(duì)差別為8.6%±5.4%。這一結(jié)果與Tanskanen等[14]和Buchard等[31]的研究結(jié)果較為一致，優(yōu)于Ialongo[30]比對(duì)的平原地區(qū)。但晴天衛(wèi)星UVI產(chǎn)品高值不是高原對(duì)流層吸收性氣溶膠造成地基UVI測(cè)值偏低所致。

當(dāng)UVI值較高(UVI值大于14)時(shí)，地基測(cè)值高于衛(wèi)星產(chǎn)品是一個(gè)比較特殊的現(xiàn)象。該現(xiàn)象在美國(guó)夏威夷Mauna Loa站、極地地區(qū)(如南極的McMurdo站、Palmer站)也曾出現(xiàn)，Tanskanen等[14]將這種現(xiàn)象歸因于高度低于Mauna Loa站(處在山頂上)反射性較強(qiáng)的云或積雪地面(極地站)增強(qiáng)了地表反照率，導(dǎo)致地基UVI測(cè)值偏高。但當(dāng)雄站地基紫外輻射觀測(cè)位于盆地平原中，不存在周邊高度低于測(cè)站的反射性較強(qiáng)的云或積雪地面(UVI值大于14主要在夏季)，因此，導(dǎo)致當(dāng)雄地區(qū)衛(wèi)星UVI產(chǎn)品低于地基測(cè)值最可能原因是云量較多，但未遮蔽太陽(yáng)圓盤的云對(duì)地表散射輻射的加強(qiáng)結(jié)果，這種短期現(xiàn)象在衛(wèi)星產(chǎn)品上難以反映。

表3給出了OMI衛(wèi)星UVI產(chǎn)品和地基測(cè)值相對(duì)差別的比較結(jié)果。顯然，高原地區(qū)衛(wèi)星UVI 產(chǎn)品是明顯高于地基測(cè)值的，晴天與云天兩者巨大的差異也說(shuō)明地基測(cè)值已顯著受到云的影響。晴天拉薩地基UVI測(cè)值比衛(wèi)星產(chǎn)品平均偏低近50%，與拉薩處于復(fù)雜的河谷地區(qū)有關(guān)。在河谷地形下，地基定點(diǎn)位置與衛(wèi)星UVI像元的地理特征難以有效匹配。云對(duì)河谷地表UVI衰減在衛(wèi)星上更難以反映，而其他3個(gè)站因?yàn)楹０胃?如當(dāng)雄、沱沱河)或處在山頂(瓦里關(guān))，地理特征不匹配的影響則不明顯。

表3 當(dāng)雄、沱沱河、拉薩、瓦里關(guān)地基UVI測(cè)值與OMI衛(wèi)星UVI產(chǎn)品的相對(duì)差別Table 3 UVI relative differences between ground-based and OMI over 4 sites

3 結(jié) 論

1) 高原地面UVI測(cè)值受太陽(yáng)天頂角和云的影響明顯。晴天地表UVI可用太陽(yáng)天頂角函數(shù)擬合表征；而UVI的云調(diào)制因子(CMF)隨云量增加呈下降趨勢(shì)，但間隙未遮日面的云會(huì)增強(qiáng)云層間的散射使得地面UVI測(cè)值平均有3%～6%增加，個(gè)別情形達(dá)40%以上；地面積雪使UVI測(cè)值增加16%，但低于理論計(jì)算值；夏季臭氧低谷理論上可使當(dāng)雄UVI測(cè)值增加10%以上；氣溶膠對(duì)UVI的衰減不超過(guò)3%。

2) 與高原其他3個(gè)站測(cè)值(沱沱河、拉薩和瓦里關(guān))比較可知，海拔高度對(duì)高原地區(qū)UVI有明顯影響。海拔4000 m以上的UVI可超過(guò)12(太陽(yáng)天頂角為20°時(shí))，比拉薩或瓦里關(guān)平均高25%以上；由于夏季臭氧低谷，拉薩UVI測(cè)值比瓦里關(guān)高7%～10%(太陽(yáng)天頂角為20°～40°)。

3) 當(dāng)雄地區(qū)OMI衛(wèi)星UVI產(chǎn)品比地基測(cè)值平均偏高80%，但晴天僅高于地面9.0%左右。云是當(dāng)雄地基UVI測(cè)值普遍低于衛(wèi)星產(chǎn)品的原因，但夏季受到間隙性云增強(qiáng)散射輻射影響，衛(wèi)星產(chǎn)品在UVI值高于14的情況下則平均低于地基測(cè)值3.3%。云的影響使沱沱河、瓦里關(guān)和拉薩衛(wèi)星UVI產(chǎn)品普遍高于地基測(cè)值，拉薩河谷地區(qū)尤其顯著。

Observational Study on the Ground-based UVI at Dangxiong of Tibet

Chen Shu1)Zheng Xiangdong1)Lin Weili2)Zhang Yong3)Zaxi Dawa4)Qi Donglin5)

1)(KeyLaboratoryforAtmosphericChemistry,InstituteofAtmosphericComposition,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(MeteorologicalObservationCenterofCMA,Beijing100081)3)(MeteorologicalBureauofTibetAutonomousRegion,Lhasa850000)4)(DangxiongMeteorologicalBureauofXizang,Dangxiong851500)5)(QinghaiInstituteofMeteorologicalSciences,Xining810000)

Factors of solar zenith angle (SZA), cloud, ozone and snow cover modifying the surface ultraviolet index (UVI) in the Tibetan Plateau are presented by the TUV model simulations and the two-year continuous ground-based measurements at Dangxiong (30.48°N, 91.10°E, 4200 m a.s.l ) from September 2009 to August 2011. Results show that the key factors affecting the UVI over the Tibetan region are SZA and cloud. Variations of cloud-free surface UVI can be characterized exactly as a simple empirical SZA function. The UVI cloud modification factor (CMF) generally reduces by 46% as the cloud amount increases from 0 to 100%. CMF might increase by 3%-6%, or even by 40% in individual cases if the solar disk is partly masked with broken clouds. The ozone valley enhances 12% summer surface UVI compared to plain regions of the similar latitudes. The winter short-term thin snow coverage could enhance 16% or less surface UVI, and this enhancement is lower than that from the simulations (23%). UVI attenuation caused by aerosols with optical depth of 0.02-0.1 is no more than 3%. As compared with UVI measured at Lhasa (29.67°N, 91.13°E, 3650 m a.s.l), Tuotuohe (34.22°N, 92.43°E, 4500 m a.s.l) and Waliguan (36.29°N, 100.90°E, 3810 m a.s.l), the difference of site-altitude is a key factor influencing the UVI. Under the same SZA conditions, the summer UVI at Lhasa is 7%-10% higher than that at Waliguan due to the southern thinner ozone layer, the ozone valley. Comparison with satellite-derived product shows that, averagely, the OMI-UVI is 80% higher than the ground-based values at Dangxiong but only 8.6% higher under cloud-free circumstances. The OMI-UVIs are all above 65% higher than those ground-based measurements at the other 3 sites but their cloud-free values are only 13%, 9% and 50% higher at Tuotuohe, Waliguan and Lhasa, respectively. Clouds and geographical mismatches between the satellite pixel and fixed ground-based observation site are supposed to be the main factors of higher space-based UVI values, particularly over Lhasa. As the ground-based UVI is more than 14, the coincident space-based UVI is generally 3% lower at Dangxiong owning to the broken clouds strengthening the in-situ radiation.

UVI; Dangxiong of the Tibet; the Tibet Plateau; ground-based observation; satellite comparison

10.11898/1001-7313.20150410

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40830102,21177157)，中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目(2011Z003,2013Z005)

陳樹(shù),鄭向東,林偉立,等. 西藏當(dāng)雄地基紫外線指數(shù)觀測(cè)研究. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(4)：482-491.

2014-12-10收到， 2015-03-30收到再改稿。

* 通信作者， email: zhengxd@cams.cma.gov.cn