广州地区紫外辐射特征和模式对比分析

蒋承霖,吴 兑,谭浩波,邓雪娇,李 菲,范绍佳 (1.广东省气候中心,广东 广州 510080；.中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 51075；.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 510080)

广州地区紫外辐射特征和模式对比分析

蒋承霖1,2,吴 兑2,3*,谭浩波3,邓雪娇3,李 菲3,范绍佳2(1.广东省气候中心,广东 广州 510080；2.中山大学环境科学与工程学院,广东 广州 510275；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东 广州 510080)

根据中国气象局广州热带海洋气象研究所的紫外观测数据,研究了广州的紫外辐射季节变化,结果表明,2005年和 2006年广州各月份紫外辐射强度的极值的最大值都出现在7月,2006年的达到了55.48W/㎡,极值的最小值也都出现在1月,2005年最小只有23.17W/㎡.利用NCAR(美国大气研究中心)的TUV模式,模拟研究了2005年11月16～29日一次从清洁到灰霾过程的典型个例,模拟的结果与实际观测基本一致,模式研究表明,在污染较轻时,TUV模式能够很好的模拟晴天紫外辐射的日变化,模式与实测之间有约7%～15%的误差. 随着污染的加剧,模式的偏差也变大.气溶胶对紫外辐射的影响相当大,在气溶胶污染严重时可使紫外辐射降低40%,气溶胶对紫外辐射的短波谱也有较大的影响,随着污染的加重,对紫外辐射的短波衰减会加强.

紫外辐射；气溶胶；TUV模式；衰减；广州

紫外(UV)辐射在太阳辐射光谱中的谱区范围是 100～400nm,其能量仅占太阳辐射总量的8%,按照不同波长的紫外线所起的生物作用,可分为三部分:紫外线 A段(UV-A),波长 320～400nm,约占太阳辐射总量的 6%;紫外线 B段(UV-B),波长 290～320nm,约占太阳辐射总量的1.5%;紫外线C段(UV-C),波长100～290nm,约占太阳辐射总量的0.5%,几乎完全被臭氧层吸收而不能到达地面[1-2].紫外辐射对生物体有着各种生物效应,对人体的胃肠道、循环系统、代谢系统、内分泌、神经系统都有影响[3-4].紫外辐射能够驱动大气光化学反应,形成中间产物臭氧,会强烈刺激人的呼吸道.随着经济的发展,城市车辆增多的同时,也导致了排放的增加,为光化学反应的发生提供了充足的前体物,臭氧也逐渐变成了低层大气的主要污染物之一[5].

气溶胶对气候有着复杂的影响.气溶胶颗粒物悬浮在空气中,成云至雨时可充当凝结核,污染加剧使得大气中凝结核增多,云滴的数量增加、体积减小,直接导致了云生命周期的延长,云对太阳辐射有着很强的反射能力,云的增加会导致到达地面的太阳辐射减小,从而影响全球气候[6-7].另一方面,气溶胶中含有一些成分对光有很强的散射,会使到达地面的辐射减少,形成“凉伞效应”;还有一部分气溶胶由于吸收了辐射,温度升高,会对周围的空气加热产生辐射强迫作用,与温室气体相比,气溶胶的辐射强迫要复杂得多[8-12].

广州位于我国南方,广东省中南部,地处珠江三角洲腹地,毗邻香港和澳门.广州存在着严重的环境污染,市区经常会出现低能见度的天气现象,灰霾天气频繁.而气溶胶的污染治理又与紫外辐射存在着复杂的关系,如果气溶胶的污染下降了,势必导致紫外辐射的增强从而引起紫外光化速率的变化,而光化速率直接制约着光化学烟雾污染过程,因此需要进一步认识它们之间相互影响的本质因素.

到达地面的紫外辐射受到太阳高度角、云、气溶胶、相对湿度、臭氧、氮氧化物、二氧化硫、有机物以及其它气体等多种因素的影响,至今为止,对广州地区的紫外辐射已有一些研究[2]分析了广州地区紫外线辐射的气候规律,但气溶胶对紫外辐射的影响研究比较少,本文通过选取典型个例的方法,利用模式模拟一次从清洁到灰霾天气的过程,旨在了解紫外辐射与气溶胶之间的内在影响机制.

1 资料与方法

1.1 资料来源

紫外辐射的观测用的是Eppley lab的紫外辐射表[13],型号是 TUVR,观测的紫外波段是 295～ 385nm,观测位置在广东省气象局顶楼天台.观测数据经过了质量控制.

主要气溶胶观测资料来自于中国气象局广州热带海洋气象研究所大气成分观测站番禺子站,包括气溶胶的散射系数、吸收系数和光学厚度(AOD),测量仪器分别是黑碳仪(Magee Scientific Aethalometer AE-31-ER)、浊度计(Nephlometer M9003)和太阳光度计(Solar Light Microtop s II).由散射系数和吸收系数可计算得到单次散射反照率(SSA).计算公式如下:

式中:be表示消光系数,bs表示散射系数,ba表示吸收系数.

1.2 研究方法

采取统计的方法分析广州地区 2005～2006年UV辐射的变化规律.

选取典型个例(晴天)研究气溶胶对紫外辐射的影响,典型个例的背景气象场采用矢量和分析方法,以描述污染物在一段时间内的积累.

运 用 TUV(Tropospheric Ultraviolet and Visible Radiation Model)模式模拟在不同浓度气溶胶的影响下,紫外辐射及光化反应速率的变化.TUV辐射传输模式是美国国家大气研究中心(NCAR)研究开发的计算对流层紫外线与部分可见光辐射的模式,模式波长取值范围121～735nm,不仅可以计算紫外线辐射的生物影响和紫外辐照度,还可以计算光化学辐射通量、分子光解速率等,模式采用2流或4流方案求解辐射传输方程,并计算 73个光化学反应的光解速率系数[14].模式在辐射计算、化学模式、生态研究等方面已得到广泛的应用[15-16].

2 典型个例TUV模式分析

2.1 2005年～2006年紫外辐射分析

2.1.1 紫外辐射月总量的变化 从图 1可以看出,2005年和2006年的月总量最大值都出现在7月,分别为19.8,20.2MJ/m2. 2005年的最小值出现在2月,为4.5MJ/m2,2006年的最小值出现在3月,为7.4MJ/m2.从季节变化来看,广州的紫外辐射夏季明显高于其他季节,是由于太阳高度角是影响辐射变化的首要因子,盛夏是紫外辐射照射最强的季节,冬季的太阳高度角最小,因此紫外辐射最弱;春季和秋季的太阳高度角接近.而从图2可以看出,3～5月份的月降水量明显高于9～11月,春季广州受连阴雨天气的影响,到达地面的紫外辐射较弱.陈炳洪等[17]对广州的紫外线季节变化的研究,结果与本研究基本一致.

图1 2005、2006年广州紫外辐射月总量变化Fig.1 Monthly variations of UV radiation quantum of Guangzhou in 2005 and 2006

图2 2005、2006年广州逐月降水量Fig.2 Monthly precipitation of recipitation of Guangzhou in 2005 and 2006

2.1.2 紫外辐射强度极值分析 从表 1可以看出,2年的极值最大值都出现在7月,2006年最大达到了55.48W/m2,6月和8月出现的极值只比7月略低,都超过了 55W/m2, 2005年最大是51.24W/m2,比2006年低.极值的最小值也都出现在1月,2005年最小只有23.17W/m2,2006年最小是32.22W/m2.

表1 2005、2006年广州各月份紫外辐射强度极大值(W/m2)Table 1 The maximums of UV intensity at different calendar months of Guangzhou in 2005 and 2006 (W/m2)

2.2 典型个例模式验证

图3 2005年11月16～29日广州的空气污染指数和能见度变化Fig.3 API and visibility variations of Guangzhou from 16th to 29th of November, 2005

2.2.1 典型个例背景场分析 取2005年11月16日～29日在这段时间经历了由一个清洁的过程慢慢积累逐渐恶化成一个污染过程,污染严重时的首要污染物是可吸入颗粒物,而且这段时间白天人工定时观测的总云量大部分低于或等于2成,以晴天为主,有利于研究气溶胶对UV辐射的影响效果.

图 3中污染指数的变化可以看出,16～21日可作为一个清洁的过程,空气质量相当好,污染指数都没有超过50;22～25日,是污染物的逐渐积累阶段,空气污染指数逐渐升高,能见度开始下降;26～29日是一个污染过程,空气污染指数都在100以上,在27日达到了最高的141,27至29日的能见度也都低于了 10km,最低在 28日,只有8km,相对湿度都低于 70%,气象学中当空气能见度低于 10km,相对湿度低于 80%时,就定义为灰霾天气.

2.2.2 TUV模式验证 图4中SSA由观测的散射系数和吸收系数通过式(1)和式(2)计算得到,AOD是直接观测得到.从图4可以看出,在这段时间内的 SSA有微小的波动,16日最小,为 0.806,最大在 20日,为 0.846,平均 SSA 为0.827.AOD 的变化较大,最低在 17日仅为0.311,29日最大,为1.264.将SSA和 AOD作为TUV模式的主要输入参数,25日缺的SSA用前后2日的插值代替,得到晴天的紫外辐射模拟情况与实际对比如图 5,输入的参数值以及输出的结果与实际对比情况在表2中.

图4 2005年11月16～29日SSA变化Fig.4 SSA variations from 16th to 29th of November, 2005

图5 2005年11月17,20,24,27日紫外辐射日变化实测与模拟Fig.5 Variations in observed and simulated UV radiations on 17th ,20th,24th, 27th of November, 2005

从图5及表2中模拟的结果看,模式能够很好地模拟晴天紫外辐射的日变化,模拟的结果比实测结果略高,这是由于模拟所得的辐射强度是295～385nm波长范围的积分,而实际的辐射表滤光片透过的并非理想的这一波段,理想滤光片的光谱透射曲线应为矩形,越接近这种情况其透光型越好,但实际上一半的滤光片的光谱透射曲线远离矩形,于是光学界提出了以半峰高宽,简称半宽,作为带通滤光片透射带的宽度,所谓半峰高宽,就是以透射带光谱透射比峰值的一半作为界定透射带起始和终止波长的指标[18],由于实测中存在半宽透射带,所以模式输出的结果略高于实测值. 17日与29日的辐射最大值,29日的辐射最大值仅为17日的60%,理论上这2日的正午太阳高度角变化不大,太阳紫外辐射在未进入大气前应该是非常接近的,而穿过大气层到达地面后却有如此大的差异,可见气溶胶对紫外辐射的影响相当大,在气溶胶污染严重时可使紫外辐射降低40%.在污染严重时,模式的偏差也变大.

表2 模式中输入的参数及输出的UV最大值对比Table 2 The model input parameters and its comparison with output UV maximums

从图6可以看出,在300nm以下到达地面的紫外光为零,这是由于平流层中的臭氧层吸收造成的,300nm 以后,辐射开始增加,在 359,374, 384nm附近有3个较强的吸收带,从辐射光谱比值R(以17日为基准)看,在约320nm附近以上变化非常缓慢,可视为常数,320nm以下R开始下降,与吕达仁等[19]在长春观测的紫外光谱结果类似,从模式中可见气溶胶对紫外辐射的短波谱有一定的影响,随着污染的加重,对紫外辐射的短波吸收会加强.

我国现今的紫外观测只有紫外辐射的总体强度的观测,对紫外辐射的谱观测还较少,还需建立完善紫外辐射谱观测系统,做进一步的研究.

图6 2005年11月17,23,27,29日12:00紫外光谱分布及光谱比值线Fig.6 UV spectrum distribution and its spectrum ratio curve at 12 o’clock on 17th, 23nd, 27th, 29th of November, 2005

3 结论

3.1 从季节变化来看,广州的紫外辐射夏秋两季明显高于冬春两季,主要是由于太阳高度角的季节变化引起的,盛夏是紫外辐射照射最强的季节,冬季的太阳高度角最小,因此紫外辐射最弱;春季广州受连阴雨天气的影响,到达地面的紫外辐射弱于秋季.2005年和 2006年广州各月份紫外辐射强度的极大值都出现在7月,2006年最大达到了 55.48W/m2,极值的最小值也都出现在 1月,2005年最小只有23.17W/m2.

3.2 在污染较轻时,TUV模式能够很好的模拟晴天紫外辐射的日变化,模式与实测之间有约7%～15%的误差.随着污染的加剧,模式的偏差也变大.气溶胶对紫外辐射的影响相当大,在气溶胶污染严重时可使紫外辐射降低40%.

3.3 2005年11月17日为基准的辐射光谱比值R在 320nm附近以上变化非常缓慢,可视为常数,320nm以下R开始下降,可见气溶胶对紫外辐射的短波谱有较大的影响,随着污染的加重,对紫外辐射的短波衰减会加强.

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Observational characteristics of ultraviolet radiation in Guangzhou and its comparison with model results. JIANG

Cheng-lin1,2, WU Dui2,3*, TAN Hao-bo3, DENG Xue-jiao3, LI Fei3, FAN Shao-jia2(1.Guangdong Climate Center, Guangzhou 510080, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；3.Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：391～396

This paper analyzed the seasonal variations of ultraviolet radiation in Guangzhou, based on the ultraviolet radiation observation by the Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou. The peak of the monthly maximum of ultraviolet radiation appeared in July, both of 2005 and 2006, with 55.48 W/m2in 2006. The minimum of the monthly maximum of ultraviolet radiation appeared in January, was only 23.17 W/m2in 2005. The influence of haze on ultraviolet radiation in Guangzhou was conducted by using NCAR(National Center for Atmospheric Research) TUV model for a typical case from extremely clean to haze from 16th to 29th, November, 2005, indicating that the model results were consistent with the actual observations. When the pollution was not serious, TUV model could simulate the daily variation well in sunny day with a residual about from 7% to 15% between modeled and observed results. As the pollution was intensified, the residual of the model increased as well. Aerosol had a strong impact on ultraviolet radiation, which could be reduced by 40% when the aerosol pollution was extremely serious. Besides, aerosol could affect on the shorter spectrum of ultraviolet radiation as well. With the pollution intensified, the effect on the shorter spectrum of ultraviolet radiation was strengthened.

ultraviolet radiation；aerosol；TUV model；attenuation；Guangzhou

X511

A

1000-6923(2012)03-0391-06

2011-06-18

国家自然科学基金资助项目(40375002,40775011, U0733004);国家“973”项目(2011CB403403);国家“863”项目(2006AA06A306,2006AA06A308)

* 责任作者, 二级研究员, wudui@grmc.gov.cn

蒋承霖(1982-),男,广西桂林人,工程师,硕士,主要从事大气物理学与大气环境及气候可行性论证工作.发表论文6篇.