魏曉雯 陳明 陳亮

（1 海南省氣象服務(wù)中心，海口 570203；2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口570203）

0 引言

海南島全年陽(yáng)光充沛，長(zhǎng)夏無(wú)冬，具有豐富的旅游資源。隨著海南國(guó)際旅游島建設(shè)的逐步推進(jìn)，特別是“全域旅游”戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，海南旅游熱度穩(wěn)步提升，戶外旅行尤其是濱海項(xiàng)目備受?chē)?guó)內(nèi)外游客青睞，而較強(qiáng)的紫外輻射是影響旅游體驗(yàn)的重要因素，也威脅著人們的身體健康。提高對(duì)紫外輻射強(qiáng)度的精細(xì)化預(yù)報(bào)能力，如今已成為海南省全域旅游氣象服務(wù)的迫切需求。

關(guān)于紫外線強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，目前主要有統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和輻射傳輸模型兩種方法。在統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方面，叢菁等利用大連市紫外線輻射強(qiáng)度與氣象要素的關(guān)系，建立了不同季節(jié)紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)方程。武輝芹根據(jù)中午時(shí)段的能見(jiàn)度、相對(duì)濕度、總云量、低云量、氣溫、風(fēng)速六個(gè)氣象因子，利用多元回歸分析方法得出紫外線等級(jí)預(yù)報(bào)方程。上述統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，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(guò)大氣層到達(dá)地表過(guò)程的物理機(jī)制出發(fā)，分析影響到達(dá)地表紫外輻射的主要因子，采取一系列算法進(jìn)行求解。遼寧省和陜西省基于大氣輻射傳輸?shù)奈锢頇C(jī)理建立了本地紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型。郜婧婧等在此基礎(chǔ)上，利用云量和氣溶膠等要素對(duì)紫外線輻射傳輸模型進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了紫外線強(qiáng)度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。雖然輻射傳輸模型相對(duì)較為精確，但對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，且部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取較困難，因此在目前的紫外線預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用較少。

本文從大氣輻射傳輸?shù)奈锢頇C(jī)理出發(fā)，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，建立一種物理意義明確、計(jì)算簡(jiǎn)便且適用于海南本地的逐日和逐時(shí)紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法，為海南省紫外線預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和全域旅游氣象服務(wù)提供參考。

1 資料和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

所用的資料包括：1）海南省氣象臺(tái)提供的2015年1月—2019年9月?？谑凶贤廨椛鋽?shù)據(jù)，包括日平均紫外輻射強(qiáng)度和08—16時(shí)逐小時(shí)紫外輻射強(qiáng)度。需要說(shuō)明的是，由于小時(shí)觀測(cè)資料缺失嚴(yán)重，質(zhì)量欠佳，小時(shí)數(shù)據(jù)僅選用質(zhì)量較好的2017年作為研究對(duì)象。2）國(guó)家氣象信息中心提供的2015年1月—2019年9月?？谑谐Ｒ?guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括逐日和逐時(shí)的平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時(shí)降水量、最大風(fēng)速、極大風(fēng)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(jiàn)度等。3）?？谑协h(huán)保局提供的2015—2018年海口市環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括SO、NO、O、PM、PM的日平均值。

2 紫外線輻射強(qiáng)度特征分析

2.1 季節(jié)變化特征

從月平均值（圖1）來(lái)看，海口市紫外線輻射強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)變化，總體呈夏季高、冬季低的趨勢(shì)，這與太陽(yáng)高度角變化趨勢(shì)相一致。紫外線輻射強(qiáng)度1月為全年最弱，從4月開(kāi)始迅速增強(qiáng)，7月達(dá)到全年最強(qiáng)。7月的平均輻射強(qiáng)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(wú)論是月平均輻射值還是月輻射極值，均出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)低值，這可能與8月從海南登錄的臺(tái)風(fēng)數(shù)較多有關(guān)。統(tǒng)計(jì)表明，每年8月從海南島北部沿海登陸的平均熱帶氣旋數(shù)為2個(gè)，占全年的66.7%?？梢?jiàn)，紫外輻射除了受季節(jié)變化影響外，還與降水、云量、日照等氣象因素密切相關(guān)。

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

在現(xiàn)行業(yè)務(wù)中，紫外線輻射強(qiáng)度統(tǒng)一被劃分為5個(gè)等級(jí)：到達(dá)地面的紫外線輻射強(qiáng)度＜5 W/m為1級(jí)，5～10 W/m為2級(jí)，10～15 W/m為3級(jí)，15～30 W/m為4級(jí)，≥30 W/m為5級(jí)。進(jìn)一步將紫外線輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成紫外線等級(jí)發(fā)現(xiàn)，12月和1月海口紫外線的月平均等級(jí)為2級(jí)，11月和2月的月平均等級(jí)為3級(jí)，3月、4月和10月平均等級(jí)為4級(jí)，其余月份均為5級(jí)。

2.2 日變化特征

從2017年海口市春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的紫外線輻射強(qiáng)度逐時(shí)均值（圖2）可以看出，四個(gè)季節(jié)紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時(shí)是紫外線輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段，外出應(yīng)注意采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，15時(shí)后紫外線輻射強(qiáng)度迅速下降。除秋季峰值出現(xiàn)在11時(shí)外，其余季節(jié)峰值均出現(xiàn)在12時(shí)前后。四季中，逐時(shí)紫外線輻射強(qiáng)度整體呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季＞冬季。

圖2 2017年四個(gè)季節(jié)的08—16時(shí)?？谑兄饡r(shí)平均紫外線輻射強(qiáng)度曲線Fig. 2 Hourly averaged ultraviolet radiation intensity curve of Haikou in 2017

3 不同紫外線等級(jí)的大氣環(huán)流背景

從大氣環(huán)流角度出發(fā)，探究不同紫外線等級(jí)下的大氣環(huán)流背景。圖3給出了1～5級(jí)紫外線分別對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流場(chǎng)。總體來(lái)看，從紫外線1～5級(jí)，大氣環(huán)流場(chǎng)表現(xiàn)出從冬季環(huán)流向夏季環(huán)流轉(zhuǎn)換的特征。當(dāng)紫外線強(qiáng)度為1級(jí)和2級(jí)時(shí)，大氣環(huán)流表現(xiàn)出明顯的冬季環(huán)流特征：中高緯等位勢(shì)高度線密集，氣壓梯度較大，中國(guó)大陸受大陸冷高壓（反氣旋性環(huán)流）控制，海南島在偏東氣流影響下易出現(xiàn)低溫陰雨天氣。紫外線為3級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流場(chǎng)表現(xiàn)出冬夏季節(jié)轉(zhuǎn)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(dāng)紫外線強(qiáng)度為4級(jí)和5級(jí)時(shí)，大氣背景場(chǎng)已具備明顯的夏季環(huán)流特征：中高緯等位勢(shì)高度線稀疏，熱帶地區(qū)西南季風(fēng)開(kāi)始建立，副高西伸北抬，海南島受南到西南氣流控制，易出現(xiàn)晴熱高溫天氣。

4 紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法

4.1 紫外線輻射強(qiáng)度與氣象環(huán)境要素的相關(guān)性分析

圖3 不同紫外線等級(jí)對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流場(chǎng)（圖3a～3e分別對(duì)應(yīng)紫外線1～5級(jí)；等值線表示500 hPa位勢(shì)高度，單位：dagpm；箭頭表示850 hPa風(fēng)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(qiáng)度預(yù)報(bào)模型，在了解大氣環(huán)流背景的前提下，進(jìn)一步對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度與氣象條件的相關(guān)性進(jìn)行分析。選取日平均溫度、最高溫度、最低溫度、08—20時(shí)降水量、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、日照時(shí)間、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度、最小水平能見(jiàn)度等作為常規(guī)氣象要素指標(biāo)，與紫外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。另外，由于大氣環(huán)境因素對(duì)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(huán)境要素指標(biāo)與紫外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。為了在相關(guān)分析時(shí)消除其他變量的影響，判斷某個(gè)特定要素與紫外線輻射強(qiáng)度的關(guān)系，相關(guān)分析中采用偏相關(guān)系數(shù)。

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

r

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

r

|＜0.6）；日平均PM和PM濃度對(duì)紫外輻射強(qiáng)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(huán)境要素與紫外線輻射強(qiáng)度的相關(guān)性均較低（|

r

|＜0.1）。

表1 紫外線輻射強(qiáng)度與氣象環(huán)境因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 1 Partial correlation coefficient between ultraviolet radiation intensity and meteorological environment factors

4.2 逐日紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型

選取2015—2017年日平均紫外線輻射強(qiáng)度作為樣本數(shù)據(jù)（2018—2019年9月資料作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)），建立逐日紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型。根據(jù)大氣輻射傳輸理論，到達(dá)地表的紫外線輻射強(qiáng)度與太陽(yáng)總輻射在某個(gè)地區(qū)的比值較為固定，紫外線輻射強(qiáng)度可用如下公式表示：

式中，

Q

為到達(dá)地表的紫外輻射強(qiáng)度，

Q

為到達(dá)地表的太陽(yáng)總輻射，

η

近似為常數(shù)，

Q

為大氣上界的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度，由太陽(yáng)對(duì)地球的天文位置所決定；

a

為太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)地面的衰減程度，綜合反映了大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用。令 ，則紫外輻射強(qiáng)度的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

到達(dá)地球大氣上界的太陽(yáng)輻射量

Q

可由以下公式求得：

式中，

S

為太陽(yáng)常數(shù)，取1373 W/m，

θ

為太陽(yáng)高度角，

φ

為緯度，

φ

為時(shí)角，正午時(shí)

φ≈

0，

δ

為太陽(yáng)赤緯。進(jìn)一步對(duì)到達(dá)地表的紫外輻射

Q

與大氣上界太陽(yáng)總輻射

Q

的比值

A

進(jìn)行回歸分析，以便剔除太陽(yáng)高度角的影響。首先按照公式（4）和（5）計(jì)算出一年中每日的地球大氣上界太陽(yáng)總輻射量，再根據(jù)逐日紫外線輻射強(qiáng)度實(shí)況計(jì)算

A

。最后選取4.1節(jié)中與紫外線強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)信度通過(guò)

α

=0.01檢驗(yàn)的要素作為待選預(yù)報(bào)因子，進(jìn)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(jiàn)度，單位為km；

V

為極大風(fēng)速，單位為m/s；

RH

為日平均相對(duì)濕度，單位為%。計(jì)算出

A

后，利用公式（3）～（5）便可預(yù)報(bào)出海口市逐日紫外輻射強(qiáng)度。預(yù)報(bào)方程充分考慮了溫度、云量、氣壓、能見(jiàn)度、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象要素以及太陽(yáng)高度角對(duì)紫外線輻射的影響。

4.3 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

將2018年1月—2019年9月紫外線實(shí)況觀測(cè)資料與預(yù)報(bào)模型計(jì)算出的紫外線預(yù)報(bào)值求相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.87，遠(yuǎn)超過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明預(yù)測(cè)模型較為可靠；進(jìn)一步將紫外線輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為紫外線等級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)等級(jí)正確的占63.7%，相差1級(jí)的占28.4%，相差2級(jí)的比例為4.3%，其余占3.6%。其中預(yù)測(cè)正確及相差1級(jí)的比例占總數(shù)的92.1%，表明預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想，可在業(yè)務(wù)中使用。

圖4 2018年1月—2019年9月預(yù)報(bào)紫外線等級(jí)中各實(shí)際等級(jí)的比例Fig. 4 Percentage of actual ultraviolet levels accounting for the predicted ultraviolet levels from January 2018 to September 2019

為進(jìn)一步分析誤差來(lái)源，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，圖4給出了2018年1月—2019年9月紫外線預(yù)測(cè)等級(jí)中實(shí)際各等級(jí)所占的百分比。當(dāng)預(yù)測(cè)紫外線為1級(jí)時(shí)，68.2%的實(shí)況等級(jí)為1級(jí)，即準(zhǔn)確率為68.2%；預(yù)測(cè)等級(jí)為4級(jí)時(shí)，準(zhǔn)確率為67.3%；預(yù)測(cè)等級(jí)為5級(jí)時(shí)，準(zhǔn)確率為80.6%?？梢?jiàn)模型預(yù)報(bào)出1級(jí)、4級(jí)和5級(jí)時(shí)可信度較高，無(wú)需做調(diào)整。但當(dāng)模型預(yù)報(bào)為2級(jí)時(shí)，有55.6%的實(shí)況等級(jí)為1級(jí)，而2級(jí)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率僅為28.6%，預(yù)測(cè)等級(jí)往往偏高；當(dāng)模型預(yù)報(bào)為3級(jí)時(shí)，預(yù)報(bào)的不確定性較大，實(shí)際紫外線等級(jí)為1、2、3、4級(jí)的情況均有可能出現(xiàn)。因此該預(yù)報(bào)模型在業(yè)務(wù)應(yīng)用中，若紫外線預(yù)測(cè)等級(jí)為2、3級(jí)，應(yīng)根據(jù)前一天實(shí)況酌情考慮訂正紫外線強(qiáng)度等級(jí)。

4.4 逐時(shí)紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法和檢驗(yàn)

首先利用公式（3）～（5）得到一年中每日08—16時(shí)逐小時(shí)的太陽(yáng)總輻射量，再計(jì)算出2017年逐時(shí)紫外線強(qiáng)度實(shí)況與太陽(yáng)總輻射的比值

A

，將

A

作為因變量，與紫外線強(qiáng)度相關(guān)顯著的要素作為待選預(yù)報(bào)因子，進(jìn)行逐步回歸分析，最終建立

A

的預(yù)報(bào)方程：

式中，

A

為逐時(shí)紫外線輻射強(qiáng)度與太陽(yáng)總輻射的百分比，單位為%；

T

為小時(shí)最高氣溫，單位為℃；

T

為小時(shí)最低氣溫，單位為℃；

Vis

為小時(shí)平均能見(jiàn)度，單位為km；

V

為極大風(fēng)速，單位為m/s。計(jì)算出

A

后，利用公式（2）求出到達(dá)地面的逐小時(shí)紫外輻射強(qiáng)度。方程中充分考慮了太陽(yáng)高度角的年變化和日變化特征，以及溫度、風(fēng)速、能見(jiàn)度等氣象要素對(duì)紫外線輻射的影響。

對(duì)回歸方程的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，逐時(shí)紫外線等級(jí)預(yù)測(cè)正確的占45.1%，相差1級(jí)的占40.1%，相差2級(jí)的占11.0%，其余占3.8%。其中預(yù)測(cè)正確及相差1級(jí)的比例占全年的85.2%。雖然與逐日紫外線等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相比略有下降，但填補(bǔ)了海南省逐時(shí)紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)的空白，對(duì)于海南省精細(xì)化旅游氣象服務(wù)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論和討論

在分析?？谑凶贤饩€輻射強(qiáng)度大氣環(huán)流背景及其氣象、環(huán)境要素相關(guān)性的基礎(chǔ)上，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，建立了?？谑凶贤饩€輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法。主要得到以下結(jié)論：

1）?？谑凶贤饩€輻射強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)變化特征和日變化特征，季節(jié)變化總體呈夏季高、冬季低的趨勢(shì)。四個(gè)季節(jié)紫外線輻射日變化曲線均呈“單峰型”分布，11—14時(shí)是紫外線輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的時(shí)段。

2）從大氣輻射傳輸理論出發(fā)，將大氣輻射傳輸模型與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，建立了?？谑兄鹑蘸椭饡r(shí)紫外線輻射強(qiáng)度的預(yù)報(bào)模型。對(duì)2018年1月—2019年9月逐日紫外線輻射強(qiáng)度的預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明，預(yù)測(cè)等級(jí)正確的占63.7%，相差1級(jí)的占28.4%，預(yù)測(cè)結(jié)果較為理想；對(duì)于逐時(shí)紫外線輻射強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型，2017年逐時(shí)紫外線等級(jí)預(yù)測(cè)正確的占45.1%，相差1級(jí)的占40.1%，有效填補(bǔ)了海南省逐時(shí)紫外線強(qiáng)度預(yù)報(bào)的空白。

由于紫外線觀測(cè)資料的限制，本文僅針對(duì)?？诘貐^(qū)紫外線輻射的分布規(guī)律和預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了初步探索。未來(lái)隨著紫外線觀測(cè)站點(diǎn)的增加以及紫外線輻射觀測(cè)資料的不斷完善，預(yù)報(bào)方法將進(jìn)一步完善，精細(xì)化程度將得到進(jìn)一步提高。