地表UV-B辐照度时空变化及其敏感性分析

【摘要】近几十年来，由于人类活动所导致的臭氧减少而使到达地表的紫外辐射量增加己被许多研究成果所证实。全球紫外辐射情况和长期变化趋势引起了科学界和国际社会的广泛关注。鉴于动植物对UV-B波段辐射最为敏感，UV-B辐照度对人体及生物的危害较大，本文着重分析了全球UV-B辐照度的分布特点和时空变化规律，及其对重要影响因子的敏感性。论文利用世界臭氧与紫外线辐射数据中心提供的地面测量数据分别对TOMS/Nimbus-7(1979.1.1–1993.4.30)、TOMS/EarthProbe(1996.8.1–2005.12.31)以及OMI/EOS-Aura(2005.1.1–2008.12.31)每日正午地表UV-B辐照度数据进行标定，使卫星观测数据更接近地表真实辐照度值。进而利用标定后的卫星数据更准确地分析近三十年全球UV-B辐照度的时空变化规律。目前国内外涉及到大气紫外辐射波长的传感器主要采用天底和临边两种观测模式。较为成熟的辐射传输模型SCIATRAN能提供这两种观测模式的模拟和更细致和系统的参数输入体系。因此论文选用SCIATRAN模型对影响地表紫外辐射的因素进行UV-B辐照度敏感性分析以及模拟不同地面类型的地表UV-B辐射。研究主要关注了公认的五种影响地表紫外辐射因素：观测几何条件、臭氧总量、云厚度、气溶胶厚度、地表反照率。全球紫外UV-B辐照度分布表现出较明显的纬向分布规律，即随纬度的升高而逐渐降低。同纬度海洋的紫外辐照强度要高于陆地。同时，全球UV-B紫外辐照度月平均大致呈现正弦曲线变化特征。三月（春分）和九月（秋分）表现出峰值的特点，六月（夏至）和十二月（冬至）表现出谷值的特点，这是由于南北半球季节性差异造成的。并且一年之中南半球地表接收的太阳UV-B辐射要高于北半球。近三十年全球紫外辐射整体上升约3%，臭氧损耗现象在南极上空较为严重，并有向中纬度地区上空扩展的趋势。通过EOF分析得到UV-B辐照度变化趋势基本具有全球一致的特性，并且在海洋处表现出高值增强区，说明近三十年海洋处的紫外辐射变化较大。整体上看，1979年至2008年紫外辐射强度存在一定的周期性变化。利用Morlet小波分析发现，尺度因子为0.8,1.8和5.1时全球UV-B辐照度存在变化周期，其对应的时间尺度为6、13和127个月，即半年、一年和十一年（太阳活动周期）。UV-B辐照度在两种观测模式下都随太阳天顶角的增加而减少，临边模式敏感性较弱。方位角在天底模式下不是影响UV-B辐照度的主要因素，而在临边模式时，紫外辐照度随方位角增加略有升高。在小于302nm的波长处，UV-B辐照度与天底观测角和临边切线高度成正比关系，而在大于302nm的波长处成反比。当臭氧含量比正常值多时，两种观测模式UV-B辐照度都下降较少；而当臭氧含量比正常值减少时，辐照度会产生大量的增加。云光学厚度对两种观测模式影响基本一致，当云较薄时，就有较强减弱UV-B辐照度的作用，随后削弱能力逐渐减弱。气溶胶光学厚度倍数在天底模式时对UV-B辐照度的衰减主要作用于305nm之后，其规律与云光学厚度相类似，而临边模式下其对辐照度基本无影响。天底模式UV-B辐照度随地表反照率升高增加得较明显，对临边模式下辐照度的影响很微弱。利用SCIATRAN对地表UV-B辐照度模拟也与实际观测值较接近，差异在±10%左右。
【作者】赵莹；
【导师】陈圣波；
【作者基本信息】吉林大学，地图学与地理信息系统，2014，硕士
【关键词】UV-B辐照度；时空变化；SCIATRAN；敏感性分析；

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