（气象学专业论文）我国臭氧和紫外线的分布特征及未来变化预测.pdf

中文摘要 近几十年来， 由 于人类活动引 起的全球平流层臭氧总量减少己 经被许多观测 事实所证实， 中国地区也不例外。 臭氧层减少导致的最直接后果是近地面中短波 紫外辐射的增加， 这将对人类的生存、 气候环境、 生态环境等产生重要影响。因 而， 全球臭氧总量和紫外线的现状和长期变化趋势问 题引起了 科学界和国际社会 的普遍关注。 针对过去臭氧研究主要采用较早年份和仅仅研究某一个地区上空臭氧总量分 布特征的特点，本文采用最新的t o m s 臭氧总量每日格点资料，把我国分成华南、 西南高原、青藏高原、华中华东、西北高原、华北、东北共7 个区域，对这我国 7 个区域臭氧总量的空间分布特征、时间分布特征、周期分布进行分析。 结合史久恩、周秀骥等的大气臭氧预测模型，本文提出 一个臭氧总量年平均 变化的预测模型， 对我国未来3 0 年后的臭氧总量进行预测。 结果表明: 在中国区 域， 在未来的三十年， 臭氧总量继续以较大的 速度在减少， 特别是从2 0 1 3 年开始， 几乎以线性趋势在减少，到了2 0 3 0 年达到自1 9 7 9 年以来的最低值。预计臭氧总 量在未来3 0 年里还不会出现回升现象。 本文首次引进美国大气研究中心 ( n c a r ) s a s h a等开发的计算对流层紫外线 t u v 模式， 弥补了国内 紫外线模式研究较少的不足。 使用美国e p p l e y 实验室生产 的紫外线仪器对南京的2 0 0 1 年5 月到2 0 0 2 年4 月和2 0 0 5 年3 月份紫外线进行观 测，并与t u v 模式结果进行比 较，进行了 两次实验， 模型值和实测值吻合较好， 说明可以 采用t u v 模式来预测未来由 于臭氧总量变化带来的紫外线变化。 根据未来3 0 年臭氧预测数据，利用t u v 模式，对我国 紫外线未来变化程度 进行了分析。 在我国，纬度越高，由于臭氧减少导致的紫外线增加越厉害， 东部 的紫外线增加率大于西部， 说明在高纬地区 更应该采取有效措施来预防紫外辐射 的危害，而在东部平原地区比 西部高原地区受到更大的影响. 关键词:臭氧总量:臭氧预测:紫外线:下 u v模式:紫外线趋势 a b s t r a c t f o r re c e n t t w e n t y y e a r s , i t i s a f a c t b y m a n y o b s e r v a t i o n s t h a t g l o b a l t r o p o s p h e r i c t o t a l o z o n e i s d e p l e t i n g f o r h u m a n b e i n g a c t i v i t y . t o t a l o z o n e d e p l e t i n g l e a d s t o t h e d ir e c t c o n s e q u e n c e t h a t i s t h e m i d d l e a n d s h o rt s u r f a c e u l t r a v i o l e t ( u v ) r a d i a n c e i n c r e a s i n g . u v i n c r e a s i n g w i l l h a v e a s i g n i f i c a n t i m p a c t o f h u m a n b e i n g l i v i n g , c l im a t e e n v i r o n m e n t a n d e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t . s o t h a t ， t h e p r e s e n t s t a t e a n d l o n g - t e r m c h a n g e o f g l o b a l t o t a l o z o n e a n d u v p r o v o k e u n i v e r s a l a tt e n t i o n a n d s t u d y . t h e m a in s t u d y o f t h i s p a p e r i s th e t o t a l o z o n e a n d u v d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r a n d f u t u r e c h a n g e c h a r a c t e r i n c h i n a t o t h e q u e s t i o n o f p r e s e n t o z o n e s t u d y u s i n g e a r l y t o ms d a t a t o s t u d y o z o n e a n d o n l y s t u d y s o m e a r e a u p p e r a t m o s p h e r e t o t a l o z o n e , t h e p a p e r a d o p t t h e r e c e n t t o ms d a t a , a n d a r e a o v e r c h i n a a r e d i v i d e d i n t o 7 r e g i o n s . t h e 7 r e g i o n s a r e s o u t h o f c h i n a , s o u t h w e a s t e rn p l t e a n , q i n g h a i - p l a t e a n , c e n t e r e a s t e r n o f c h i n a , p l a t e a n o f n o r th w e a s t e rn , n o r th o f c h i n a , n o r t h e a s t e rn c h in a . w e u s e t o ms d a t a t o a n a l y s e t h e s p a t i a l a n d t e m p o r a l ， p e r i o d i c o f t h e t o t a l o z o n e o v e r c h i n a c o m b i n e d t h e a t m o s p h e r e o z o n e p r e d i c t m o d e l o f s h i j i u e n ,z h o u x i u j i , w e i n t r o d u c e a m o d e l t o c a l c u l a t e t h e t o t a l o z o n e a v e r a g e a n n u a l - c h a n g e , a n d u s e t h e m o d e l t o p r e d i c t t h e t o t a l o z o n e i n f u t u r e t h i rt i e s y e a r s o v e r c h i n a . t h e m o d e l h a v e t w o p a rt , t h e t e n d e n c y a n d p e r i o d i c i t y . t h e re s u l t s h o w s t h e t o t a l o z o n e c o n t i n u o u s d e p l e t e a t g r e a t s p e e d i n f u t u r e t h ir ti e s y e a r s o v e r c h i n a . e s p e c i a l l y fr o m 2 0 1 3 , t h e t o t a l o z o n e a l m o s t d e p l e t e i n l i n e a r , a n d l e a d t o m i n i m u m a t 2 0 3 0 . p r e d i c t e d t h e r e a r e n o r e c o v e ry p h e n o m e n o n i n f u t u r e t h i r ti e s y e a r s i n t h i s p a p e r , w e a t f i r s t i n t r o d u c e t u v m o d e l t h a t w as d e v e lo p e d b y n c a r t o c a l c u l a t e t r o p o s p h e r i c u v r a d i a n c e , w h i c h w i l l r e m e d y t h e d e f i c i e n c y o f u v m o d e l s t u d y i n g i n c h i n a . we m a k e t w o e x p e r i m e n t s o f t h e t u v m o d e l , c o m p a r i n g th e t u v m o d e l r e s u l t t o a c t u a l m e as u r e d d a t a . t h e t w o r e s u l t o n l y h a v e a l i tt l e d i ff e r e n c e . s u c h i n d i c a t e t h a t w e c a n u s e t h e t u v m o d e l t o c a l c u l a t e t h e u v c h a n g i n g f o r t h e t o t a l o z o n e d e p l e t i n g . b as e d o n t h e p r e d i c t e d t o t a l o z o n e i n f u t u r e t h irt i e s y e a r s a n d t u v m o d e l , w e a n a l y s e t h e f u t u r e c h a n g e o f u v o v e r c h i n a . t h e t e n d e n c y s h o w s , i n c h in a , w h e n t h e l a t i t u d e b e c o m e h i g h e r , t h e u v d e p l e t i n g r a t e i n c r e a s e g r e a t e r , a n d t h e e as t e rn u v r a t e i s a l i tt l e g r e a t e r t h a n t h e w e a s t e rn s . t h e u v d a m a g e i n t h e n o r t h e rn r e g i o n i s g r e a t e r t h a n t h e s o u t h e rn r e g i o n , t h e e as t e rn g r e a t e r t h a n t h e w e as t e rn. s o y o u u r g e n t ly n e e d t o t a k e s o m e m e t h o d t o p r o t e c t u v d a m a g e w h e n li v n g i n t h e n o r th a n d t h e e as t . k e y w o r d : t o t a l o z o n e ; o z o n e p r e d i c t ; u v ; t u v m o d e l ; u v t e n d e n c y 学位论文独创性声明 本 人郑 重声明 : 坚持以 “ 求实、创新 ”的科学精神从事研究工作。 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 p、 1.工c 成 果 。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经 发表或撰写过 的研究成果 。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意 。 作者签名 日期: - 1 2 4 a l 二 一 勃趁落j 孕 口 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京气象学院有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版; 有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅; 有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索;有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名 日期: .l : 必好， t , 却 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解南京信息工程大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校 有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作 , t , o : ( 保密的论文在解密后应 守此规定) .公川ij 廿茂了 日 : 鱼些i ,) o 第一章引言 臭氧是太阳紫外线辐射的一种过滤器， 能够保护人类和动植物免受紫外辐射 的 伤害。自 从1 9 8 5 年f a r m a n 等 i 利 用d o b s o n 地 面 观测仪首 先发 现南 极臭 氧洞 以 来， 臭氧总量的 全球性减少己 经得到许多 观测事实所证实2 -3 1 大气臭氧总量减少导致的最直接后果是近地面中短波紫外辐射的增加，在医 学上早有资 料证明， 紫外辐射u v( 包括u v a和u v b , u v a位于3 2 0 - 4 0 0 n m 之间，u v b位于2 8 0 - -3 2 0 n m之间)在人类皮肤中能产生维生素d ，除此之外尚 未发现其它有益的效应。 相反， 过量的u v照射皮肤会刺激皮肤产生色素即“ 红 斑效应” ， 如果u v辐射剂量加大则易诱发皮肤癌a u v辐射还能引起白内障， 并 千扰人体的免疫系统， 并危及呼吸器官。 科学家们己根据臭氧层破坏和u v增加 速率对人类影响进行推算; 假如全球臭氧浓度年平均减少率为0 . 1 yo - 4 . 1 8 %， 则 5 0 年后地球北纬 3 06 0 0 人口最稠密地区， 人类皮肤癌发病率将增加2 5 % - 6 3 %. 白内 障患者 将增加1 0/ o - 5 .4 % ， 这是令 人震 惊的 事 情 。 大气臭氧层能够吸收太阳紫外辐射的 7 0 % - 8 0 %，形成了对地球生态系统的 一个天然保护层。 而臭氧总量的减少必然会造成到达地面紫外辐射的增多， 从而 会对人类以至整个生态环境产生影响。 因而， 全球臭氧和紫外线的现状和长期变 化趋势问题引起了科学界和国际社会的普遍关注。 1 . 1 大气臭氧变化研究现状 臭氧是一种微量气体， 在大气分子中臭氧所占比例不到百万分之一， 是大气 的重要组成部分， 大部分集中 在5 0 k m以 下的 平流层， 极大值在2 0 - 2 5 k m附 近， 对流层大气中臭氧含量不到整层大气臭氧含量的十分之一。 臭氧单位是 d u . 1 d u =1 0 - 3 c m ， 在标准温度和气压下， 全球平均臭氧整层 大气臭氧含量为0 .3 c m，也就是3 0 0 d u o 臭氧在整个大气中占的分额很小，但却是影响对流层一 平流层大气动力、热 力、 辐射、 化学等过程的关键因子， 并对地球气候和地球生态系统产生巨大的影 第一章引言 臭氧是太阳紫外线辐射的一种过滤器， 能够保护人类和动植物免受紫外辐射 的 伤害。自 从1 9 8 5 年f a r m a n 等 i 利 用d o b s o n 地 面 观测仪首 先发 现南 极臭 氧洞 以 来， 臭氧总量的 全球性减少己 经得到许多 观测事实所证实2 -3 1 大气臭氧总量减少导致的最直接后果是近地面中短波紫外辐射的增加，在医 学上早有资 料证明， 紫外辐射u v( 包括u v a和u v b , u v a位于3 2 0 - 4 0 0 n m 之间，u v b位于2 8 0 - -3 2 0 n m之间)在人类皮肤中能产生维生素d ，除此之外尚 未发现其它有益的效应。 相反， 过量的u v照射皮肤会刺激皮肤产生色素即“ 红 斑效应” ， 如果u v辐射剂量加大则易诱发皮肤癌a u v辐射还能引起白内障， 并 千扰人体的免疫系统， 并危及呼吸器官。 科学家们己根据臭氧层破坏和u v增加 速率对人类影响进行推算; 假如全球臭氧浓度年平均减少率为0 . 1 yo - 4 . 1 8 %， 则 5 0 年后地球北纬 3 06 0 0 人口最稠密地区， 人类皮肤癌发病率将增加2 5 % - 6 3 %. 白内 障患者 将增加1 0/ o - 5 .4 % ， 这是令 人震 惊的 事 情 。 大气臭氧层能够吸收太阳紫外辐射的 7 0 % - 8 0 %，形成了对地球生态系统的 一个天然保护层。 而臭氧总量的减少必然会造成到达地面紫外辐射的增多， 从而 会对人类以至整个生态环境产生影响。 因而， 全球臭氧和紫外线的现状和长期变 化趋势问题引起了科学界和国际社会的普遍关注。 1 . 1 大气臭氧变化研究现状 臭氧是一种微量气体， 在大气分子中臭氧所占比例不到百万分之一， 是大气 的重要组成部分， 大部分集中 在5 0 k m以 下的 平流层， 极大值在2 0 - 2 5 k m附 近， 对流层大气中臭氧含量不到整层大气臭氧含量的十分之一。 臭氧单位是 d u . 1 d u =1 0 - 3 c m ， 在标准温度和气压下， 全球平均臭氧整层 大气臭氧含量为0 .3 c m，也就是3 0 0 d u o 臭氧在整个大气中占的分额很小，但却是影响对流层一 平流层大气动力、热 力、 辐射、 化学等过程的关键因子， 并对地球气候和地球生态系统产生巨大的影 响 5 - 8 1 。 平流层臭 氧可强 烈吸收太阳 紫外 辐射， 在很大程 度上决 定了 平流 层和对 流层顶的温度; 同时使得到达地表的太阳紫外辐射大大减少。 臭氧在可见光谱区 和红外光谱区 有许多吸收带， 特别是在9 . 6 g m处有一很强的吸收带， 因 而又是一 种重要的温室气体， 在平流层上层产生冷却效应， 在平流层底层和对流层产生增 暖效应。 从1 9 7 4 年开始的世界范围的大气臭氧总量的 系统观测进一步确认， 臭氧含 量有明显的地区和季节变化，其范围约从 2 0 0 d u - 4 5 0 d u 。同时，发现近几十年 来臭氧含量发生了 变化，其中 对流层臭氧增加，而平流层臭氧含量却逐年减少， 臭 氧 总 量 日 趋 下 降 9 -14 1 自 从1 8 3 9 年德国科学家c .f . s c h o n b e i n 第一个发现臭氧以 来， 大气臭氧的研 究经历了1 6 0 多年。1 9 7 0 年发射升空的n im b u s 4 装载的后向散射紫外遥感器较 早地进行了紫外辐射观测，从而获得了臭氧的全球分布资料。除了n i m b u s 7 之 外，t o ms 仪器在 1 9 9 1 -1 9 9 4 年间在俄罗斯me t e o r 3 卫星上飞行，1 9 9 6 -1 9 9 7 年间在日本a d e o s 卫星上飞行. 现在在美国n a s a的e a r th p r o b e 卫星上飞行。 臭 氧资 料还可以 通过t i r o s 业务垂 直 探测器 ( t o v s ) ， 平 流层 气溶胶和 气体 试验 ( s a g e 和s a g e 1 1 ) ， 欧 洲e r s - 2 卫 星装 载的 全 球臭 氧 监测试验 ( g o m e ) 获 得。 f a r m a n ( 1 9 8 5 ) 首 次 提出 南 极“ 臭氧洞” 以 来， 世界 各国 十 分关 注大气臭 氧 层的 破 坏并导致1 9 8 7 年9 月美国和其他2 3 个国家及欧共体在蒙特利尔首次召开会议， 产生了限制氟利昂和含卤代物生产条约，1 9 8 9年在伦敦召开了拯救臭氧层世界 大会，世界气象组织 ( w mo )大气臭氧委员会几乎每隔四年召开一次国际臭氧 会议。 我国在7 0 年代末，在北京、昆明两地分别建立了d o b s o n 大气臭氧观测站， 这两个站都成为了wmo全球观测系统的成员。 自 从8 0 年代南极臭氧洞发现以来，国外和国内的学者对大气臭氧进行了大 量的实验室研究、 实际观测和模式模拟， 对大气臭氧的输送、 变化及其原因和机 理进行了更广泛的研究。臭氧研究主要在以下几个方面进行:1 )臭氧总量变化 趋势研究: 2 )臭氧准两年振荡方面:3 )南极和北极臭氧总量变化和形成机制樟 拟研究; 4 )臭氧与气候的关系; 5 ) 臭氧变化趋势研究;6 )青藏高原臭氧总量 变化研究。 国内 外 科 学 家 对大 气 臭 氧的 变 化 趋 势 研究 都 做出 了 重 要 贡 献。 d o n a l d 1 ， 魏 鼎文等 1 6 1 都研究了 北半球0 3 总量的 长期变化， 他们结果表明， 2 0 世纪6 0 年代 初期0 3 总量达到最低值， 随后开始回升。 到2 0 世纪7 0 年代初氏总量达最大值， 2 0 世 纪8 0 年 代以 来又 呈 下降 趋 势。 s t o la r s k i 等 1 7 1利 用1 9 7 8 -1 9 9 0 年t o m s 资 料， 运用统计模式， 计算出全球各纬度平均臭氧的年变化趋势， 发现趋势随纬度 而变， 赤道附近近似为零，向 两极逐渐增加， 臭氧减少主要在冬春季节。 r a n d e l 等 1 8 分析了1 9 9 1 -1 9 9 4 年 全球臭 氧 变 化时， 发 现这4 年变 化最 大的区 域是每年 冬春季节北半球中纬度地区 ， 特别是在1 9 9 2 -1 9 9 3 年期间， 超过了1 9 9 3 年春季 的南半球高纬度地区。 魏鼎 文 等19 分析了 北 京 及昆 明 两地 1 9 7 9 -1 9 9 3 年的 地面 观 测资 料 认为 两 地臭 氧总量 在不断 减少， 尤 其是 在1 9 9 1 -1 9 9 3 年。 周秀 骥 2 0 根据卫 星资 料发 现 了 我国 青藏高 原的 臭 氧“ 低谷” 区。 史 久恩、 周 秀 骥等 2 1 1 采 用 确定 性趋 势( 包括 趋势影响和准周期影响) 和均值为零的平稳随机影响叠合模型预测中国地区大气 臭 氧变化趋势。 柳燕2 2 探索出 一 种 预测 臭 氧含 量 演变 趋势的 分 析方法， 该 方法将 臭氧总量分为三到五个状态， 并用状态间的转移频率近似地代替状态间的转移概 率， 最大的频率状态即为臭氧即将演变的趋势方向， 并给出实例， 效果较好。 石 广玉等2 3 -2 4 采用放 探空 气球的 方法 研究我国 臭氧的 垂 直分布规 律及青藏高原臭 氧低值的原因。 1 . 2 到达地表紫外辐射量计算方法及研究现状 紫外线按其所起的生物作用， 可分为3 个部分: a紫外线波长3 2 0 -4 0 0 n m , 其影响表现在对合成维生素d有促进作用，但过量的a紫外线照射会引起光致 凝结， 抑制免疫系统功能， 太少或缺乏a紫外线照射又容易患红斑病和白内障; b 紫外线波长2 8 0 - 3 2 0 n m，其影响表现在使皮肤变红和短期内降低维生素 d的生 拟研究; 4 )臭氧与气候的关系; 5 ) 臭氧变化趋势研究;6 )青藏高原臭氧总量 变化研究。 国内 外 科 学 家 对大 气 臭 氧的 变 化 趋 势 研究 都 做出 了 重 要 贡 献。 d o n a l d 1 ， 魏 鼎文等 1 6 1 都研究了 北半球0 3 总量的 长期变化， 他们结果表明， 2 0 世纪6 0 年代 初期0 3 总量达到最低值， 随后开始回升。 到2 0 世纪7 0 年代初氏总量达最大值， 2 0 世 纪8 0 年 代以 来又 呈 下降 趋 势。 s t o la r s k i 等 1 7 1利 用1 9 7 8 -1 9 9 0 年t o m s 资 料， 运用统计模式， 计算出全球各纬度平均臭氧的年变化趋势， 发现趋势随纬度 而变， 赤道附近近似为零，向 两极逐渐增加， 臭氧减少主要在冬春季节。 r a n d e l 等 1 8 分析了1 9 9 1 -1 9 9 4 年 全球臭 氧 变 化时， 发 现这4 年变 化最 大的区 域是每年 冬春季节北半球中纬度地区 ， 特别是在1 9 9 2 -1 9 9 3 年期间， 超过了1 9 9 3 年春季 的南半球高纬度地区。 魏鼎 文 等19 分析了 北 京 及昆 明 两地 1 9 7 9 -1 9 9 3 年的 地面 观 测资 料 认为 两 地臭 氧总量 在不断 减少， 尤 其是 在1 9 9 1 -1 9 9 3 年。 周秀 骥 2 0 根据卫 星资 料发 现 了 我国 青藏高 原的 臭 氧“ 低谷” 区。 史 久恩、 周 秀 骥等 2 1 1 采 用 确定 性趋 势( 包括 趋势影响和准周期影响) 和均值为零的平稳随机影响叠合模型预测中国地区大气 臭 氧变化趋势。 柳燕2 2 探索出 一 种 预测 臭 氧含 量 演变 趋势的 分 析方法， 该 方法将 臭氧总量分为三到五个状态， 并用状态间的转移频率近似地代替状态间的转移概 率， 最大的频率状态即为臭氧即将演变的趋势方向， 并给出实例， 效果较好。 石 广玉等2 3 -2 4 采用放 探空 气球的 方法 研究我国 臭氧的 垂 直分布规 律及青藏高原臭 氧低值的原因。 1 . 2 到达地表紫外辐射量计算方法及研究现状 紫外线按其所起的生物作用， 可分为3 个部分: a紫外线波长3 2 0 -4 0 0 n m , 其影响表现在对合成维生素d有促进作用，但过量的a紫外线照射会引起光致 凝结， 抑制免疫系统功能， 太少或缺乏a紫外线照射又容易患红斑病和白内障; b 紫外线波长2 8 0 - 3 2 0 n m，其影响表现在使皮肤变红和短期内降低维生素 d的生 成， 长期接受可能导致皮肤癌，白内障及抑制免疫系统功能;c紫外线波长 1 0 - -2 8 o n m ，几乎 全部 都 被 臭 氧 层 所 吸 收， 影响 不 大 2 5 1 臭氧层变化将会导致的u v 辐射增加的幅度，一直是人们研究的重点。由于 大气臭氧变化而导致的到达地表u v 辐射量增强的研究方法有三种:实验室法、 野外观测法及计算方法。 近年来，u v辐射观测的质量和数量己大大提高，不同仪器值的差异正逐步 减少，但长期变化的探测仍是一个问题，几乎没有历史数据可作为本底值估计。 而且不同地区， 即使使用同一种紫外观测仪器， 不同的污染程度、 天气状况， 使 得观测数据几乎没有办法进行比较。 人们纷纷采用计算的方法， 计算u v辐射量 的 变 化 2 6 1 从紫外线计算方法上看， u v预报大致可分为统计计算方法( 含气候学模型) 和模式计算方法。前者应用观测资料和数值预报产品，寻找与u v r强度的统计 关系。 统计预报方法较简便， 但需要长期的紫外辐射观测资料，由于国内开展紫 外线观测的时间较短，长期的资料很缺乏，而且仪器的误差和大气状况的不同， 不同地区获得的资料可比 性差， 难以 进行大尺度范围内的紫外辐射变化的计算研 究 2 6 1 。 在 我国 各 个 气 象台 站 一 般都 是 用 统 计 计 算 方 法 来 计 算到 达 地 表的 紫 外 辐 射 量。 而模式计算方法则是从紫外辐射进入大气到达地表过程的物理机制出发， 分 析影响到达地表紫外辐射量主要因子，采取一系列的精确或近似算法进行求解。 在紫外线研究工作中大多采用辐射传输的计算模型，它精度高，物理意义明确， 有较强的机理性; 而开展服务则大多采用经验计算方法， 所需资料少， 方法简单。 国内外学者对紫外线辐射强度在统计计算方面和模式计算已 有许多的研究 成果。 在统计计算方面， 刘滔等2 7 1 利用气候学统计计算方法， 对云南省昆明、 腾冲、 景洪三个地区的紫外直接辐射进行了 计算。 毕家 顺2 8 1 在气候学晴天模式的基础上 进行订正预报有云天气， 得出晴空、少云、多云对应的回归 方程。吉廷艳等2 9 1 也用气候学紫外辐射模式计算了贵阳地区 太阳紫外线辐射并进行预报。 白 建辉等 3 0 1* 1 用g a n t n e : 等8 年紫外辐射、 臭氧等观测资 料发展起来经验方法分析了 北京 近2 0 年来的晴天紫外辐射的变化趋势。 在模式预报方面， d i s o r t 模式， s b d a r t 模式， u v s p e c 模式， s m a r t s 模 式， g o m e t r a n模式， t u v模式， s t a r模式， m o n t e - c a r l 。 模式等都使用的 较 多， 最常用的 是d i s o r t模式。 d i s o r t模式， s b d a r 7 ， 模 式， u v s p e c模式 ， s m a r t s模式， g o m e t r a n模式， s t a r模式都属于多重散射光谱模式。 g o m e t r a n是建立在有限差分方法之上的伪球面多重散射辐射传输模式。 s b d a r i ， 模式和u v s p e c 模式都是基于d i s o r t 方法发展起来的。 d i s o r t ( d i s c r e t e - o r d i n a t e - m e t h o d ) 是s t a m n e s 等 3 ) 人在八 十年 代初 对离散 坐标方法进行研究， 并对原离散坐标方法进行改进后完成的具有较高效率和计算 稳定性的实用程序。 该程序曾经与许多特殊情况下的标准结果进行了比较， 证明 了 它的 经度相当 好。 s l u s s e r 等3 2 1 利 用t o m s 卫 星 装 载的u s d a紫 外传感器 观 测 资料、 d i s o r t 模式结果和地面观测数据在所有天气状况下进行了比 较， 在晴天 条件下， t o m s 资料和地面观测资料、 d i s o r t模式结果与地面观测资料吻合的 较好。 王 普 才 3 3 1基于s t a m n e s 等 的d i s o r t 程 序 发 展了 一 个 紫 外 辐 射 传 输 模式， 这个模式适用于晴天， 也适用于云天， 王普才还提出从卫星观测的几个参数推算 地面i j v b 辐射通量 密度 和红 斑生 物紫外 辐射剂 量的 方法。 郑 有飞 等3 4 利用简 化 型模式计算了 南京地区紫外辐射， 并与国际公认的计算紫外辐射模式 ( d 工 s o r t ) 检验，两者吻合较好. g e r m a r b e r n h a r d 等 3 5 利用u v s p e c 模式结 果和s u v - 1 0 0 紫 外 观测仪器 数据 相比 较， 来反 演 大气 臭 氧总 量。 m a n u e l n u n e z 等 3 6 1 在 有云情 况下，比 较了 紫 外 仪器观测值和mo n t e - c a r l 。 模式模拟结果， m o n t e - c a r l 。 模式中的云分布采用的三 维f i f 模式， 模式值和观测值吻合的 很好。 瑞典大气水文 研究 所 s m h d 3 应 用s ma r t s 模式和u v s p e c模式建立了具有应用性的地表辐射模式系统， 系统 可以提供全球地表每小时总辐射、光合作用辐射、u v辐射。 美国国 家气象局( n ws ) 采用大气辐射传输模型， 通过对臭氧场的 预报来预报 晴天紫 外线 辐射强 度， 然后 进行高 度和云量的 修正 3 8 在r u h l , m e a d o r 等人所作的描 述紫外辐射传输过程的 两流近似的基础上， 郭 世昌 等 13 9 1对 辐射 传 输 过 程 加以 改 进， 用 改 进的 二 流 模式 紫 外 辐射 传 输 方 案计 算 了 当 地正午时昆 明 地面 所获的 太阳生 物有效 紫外辐照 度。 沈 元芳， 况石14 0 应用 c h o u m d的n a s a大气辐射传输模式计算紫外辐射. 陈万隆等14 1 1 基于b e n o v 模 型建立了 紫外线辐射强 度预报模型，随后又提出了 建立在b i r d 和h u l s t o r m计算 晴天到达地面太阳总辐射的参数化方程基础上的紫外线辐射强度预报模型。曾 艳、吴幼乔14 2 采用陈万隆晴天到达地面太阳总 辐射的 参数化方案， f re d e r i c k模 式中的海拔高度修正方案，n ws的云衰减因子方程，建立云南省紫外辐射强度 预 报 模型。 傅 炳 珊 等 4 3 1在大 气 辐 射 传 输 模 式 的 基 础 上， 利 用中 分 辨 率 辐射 传 输 模 式mo d t r a n 3 ， 应用可测得的实际大气地面资料， 建立石家庄晴空或少云天气 状况下紫外辐射强度预报和指数数值预报。 1 . 3 t u v模式的应用现状 t u v ( t r o p o s p h e r i c u l t r a v i o l e t - v i s i b l e ) 紫 外 辐 射传 输 模式 是 美国 国 家 大气研究中心 ( n c a r , n a t i o n a l c e n t e r o f a t m o s p h e r i c r e s e a r c h ) m a d r o n i c h , s . ， s . f l o c k e , j . z e n g，i . p e t r o p a v l o v s k i k h , j . l e e - t a y l o r 共同 研究开发的计算对流层紫外线辐射的紫外线模式。目 前。紫外模式t u v主 要被应用在计算到达地面紫外a , b波段和可见光辐射量、 紫外线的生物作用影 响和分子光化分解率等方面。 欧洲组织c o s t a c t i o n 7 1 3 为了 标准化在欧洲使用的u v - b 计算方法， 在 1 9 9 8 年， 通过对欧洲使用比较广泛的1 8 种紫外线计算方法 ( 包括统计方法和模 式方法)输入相同的参数条件，结果发现模式方法 ( d i s o r t , g o m e t r a n , s b d a r t , s t a r , u v s p e c , t u v )比 统计方法要好的多， 误差只为5 % 左右14 4 1 m a y e r 等14 5 使用 t u v模式 计算了 全球直接 辐射和散 射辐 射、 光化通量， c a s t r o 等 14 6 ) 用t u v 模式 计 算的n o : 光 化 率 系 数j n o 2 和仪 器 观 测的j n o 2 ， 发 现 如 果 考 虑 边 界 层 的 气 溶 胶 分 布， 则 两 者 吻 合 较 好。 k y l li n g 等 14 7 1用t u v 模 式 计 算 了 在r u h l , m e a d o r 等人所作的描 述紫外辐射传输过程的 两流近似的基础上， 郭 世昌 等 13 9 1对 辐射 传 输 过 程 加以 改 进， 用 改 进的 二 流 模式 紫 外 辐射 传 输 方 案计 算 了 当 地正午时昆 明 地面 所获的 太阳生 物有效 紫外辐照 度。 沈 元芳， 况石14 0 应用 c h o u m d的n a s a大气辐射传输模式计算紫外辐射. 陈万隆等14 1 1 基于b e n o v 模 型建立了 紫外线辐射强 度预报模型，随后又提出了 建立在b i r d 和h u l s t o r m计算 晴天到达地面太阳总辐射的参数化方程基础上的紫外线辐射强度预报模型。曾 艳、吴幼乔14 2 采用陈万隆晴天到达地面太阳总 辐射的 参数化方案， f re d e r i c k模 式中的海拔高度修正方案，n ws的云衰减因子方程，建立云南省紫外辐射强度 预 报 模型。 傅 炳 珊 等 4 3 1在大 气 辐 射 传 输 模 式 的 基 础 上， 利 用中 分 辨 率 辐射 传 输 模 式mo d t r a n 3 ， 应用可测得的实际大气地面资料， 建立石家庄晴空或少云天气 状况下紫外辐射强度预报和指数数值预报。 1 . 3 t u v模式的应用现状 t u v ( t r o p o s p h e r i c u l t r a v i o l e t - v i s i b l e ) 紫 外 辐 射传 输 模式 是 美国 国 家 大气研究中心 ( n c a r , n a t i o n a l c e n t e r o f a t m o s p h e r i c r e s e a r c h ) m a d r o n i c h , s . ， s . f l o c k e , j . z e n g，i . p e t r o p a v l o v s k i k h , j . l e e - t a y l o r 共同 研究开发的计算对流层紫外线辐射的紫外线模式。目 前。紫外模式t u v主 要被应用在计算到达地面紫外a , b波段和可见光辐射量、 紫外线的生物作用影 响和分子光化分解率等方面。 欧洲组织c o s t a c t i o n 7 1 3 为了 标准化在欧洲使用的u v - b 计算方法， 在 1 9 9 8 年， 通过对欧洲使用比较广泛的1 8 种紫外线计算方法 ( 包括统计方法和模 式方法)输入相同的参数条件，结果发现模式方法 ( d i s o r t , g o m e t r a n , s b d a r t , s t a r , u v s p e c , t u v )比 统计方法要好的多， 误差只为5 % 左右14 4 1 m a y e r 等14 5 使用 t u v模式 计算了 全球直接 辐射和散 射辐 射、 光化通量， c a s t r o 等 14 6 ) 用t u v 模式 计 算的n o : 光 化 率 系 数j n o 2 和仪 器 观 测的j n o 2 ， 发 现 如 果 考 虑 边 界 层 的 气 溶 胶 分 布， 则 两 者 吻 合 较 好。 k y l li n g 等 14 7 1用t u v 模 式 计 算 了 挪威 t r o m s地区在无云条件下的日 红斑剂量，臭氧资料用 t o ms臭氧数据。 n i c h o l 4 a 1 在有云和 无云 情况下，测 量了 到 达 地面的 红 斑剂 量， 并 与 无云 情况 下t u v 模式输出的红斑剂量相比较， 估计出云对红斑辐照度的削减作用， 还发现云在低 地表反照率时，比 高地表反照率时 对u v削减作 用要强。 w e e l e 14 9 1在6 种真实大 气状况下， 通过输入相同的 参数， 对1 2 种包括t u v模式在内的 紫外线模式结果进 行比较。 1 . 4 本文的研究意义和研究内 容 l 4 . 1 本文的研究意义 自 从2 0 世纪8 0 年代南极臭氧洞首次被提出以 来，近2 0 年来， 全球臭氧总 量减少和变化的幅度一直是科学界广泛关注的焦点。 臭氧减少不仅能够导致到达 地面的紫外辐射的增加， 产生生物效应; 对平流层的气压场、 温度场和风场起着 决定作用，影响全球的大气环流，进而影响全球气候变化，即臭氧的气候效应; 导致地面光化反应加剧， 产生二级污染，使得城市污染更加严重。 很多年来，随着化学工业的发展， 人造纤维和塑料制品的大量生产，紫外辐 射能够加速这些高分子聚合物质的老化过程， 并促使颜料和染色物褪色; 在环境 保护方面， 紫外辐射是产生有毒的光化学烟雾的 重要因素; 在医学上则发现紫外 辐射可能是导致皮肤癌的重要因素; 在农业方面， 紫外辐射对植物的形状颜色与 品质的优劣起着重要作用。 由于这些原因， 人们已 不能满足于了解紫外辐射的相 对光谱分布， 而更迫切地要求了 解紫外辐射能的绝对量值及其随地理纬度， 海拔 高度和气象条件的变化规律。 由 于太阳紫外辐射增加可能引起的气候， 环境变化 及生物效应， 所以对太阳紫外辐射的研究己经受到各国科技界和政府部门的高度 重视。 在人们的日常生活中，不论是工作 ( 户外和户内工作)和休闲旅游过程中， 都不可避免的遭受紫外辐射的照射， 特别是在夏天， 紫外辐射最强的时候， 紫外 线每天的变化和未来的变化趋势与我们的生活息息相关。 而影响紫外线趋势变化 挪威 t r o m s地区在无云条件下的日 红斑剂量，臭氧资料用 t o ms臭氧数据。 n i c h o l 4 a 1 在有云和 无云 情况下，测 量了 到 达 地面的 红 斑剂 量， 并 与 无云 情况 下t u v 模式输出的红斑剂量相比较， 估计出云对红斑辐照度的削减作用， 还发现云在低 地表反照率时，比 高地表反照率时 对u v削减作 用要强。 w e e l e 14 9 1在6 种真实大 气状况下， 通过输入相同的 参数， 对1 2 种包括t u v模式在内的 紫外线模式结果进 行比较。 1 . 4 本文的研究意义和研究内 容 l 4 . 1 本文的研究意义 自 从2 0 世纪8 0 年代