認識紫外線(7)-紫外線監測及預報

紫外線監測

（一）紫外線儀器監測原理

　　在太陽輻射中，紫外線的波長是在400nm以下，分成三類包括UV-A，可自由穿透大氣層不受臭氧層的影響； UV-B，臭氧在此波段有很強的吸收帶，若大氣中臭氧減少，則到達地面的UV-B將會增加； UV-C，此段波長完全被大氣吸收，故無法在地面監測到。由於太陽到達地球的短波輻射中，其能量主要集中於可見光的波段中，紫外線波段只佔不到1/10的能量，而地面監測的大部分紫外線輻射能量是屬於UV-A波段的，其能量從400nm起開始緩慢下降至UV-B波段，從315nm起由於臭氧的吸收，能量非常急速下降至UV-C的波段，在280nm時其能量已減少好幾個數量級，只剩下趨近於零的能量。由於紫外線能量小且變化大，故欲長期精密地測量大氣中各波段紫外線輻射能量，是非常的不容易。

　　量測紫外線的儀器包括2個基本方式，其一為能配合特殊作用光譜而反應，比較實用且可直接提供民眾參考；其二為精確量測各光譜之真正輻射量，則是比較偏向學術研究用途。目前發展出來量測紫外線輻射的儀器，依其感應器之不同，可分為掃描式光譜儀、不連續光譜儀、以及寬波段儀器3類。國內已裝設的監測儀器包括第一類及第三類。

（二）掃描式光譜儀

　　目前世界各地使用的掃描式光譜儀，以布魯爾分光光譜儀為例，它利用臭氧對紫外光範圍的吸收特性，根據地面觀測的太陽輻射中紫外輻射的強度，可以推算出空氣柱臭氧總量，亦可加裝紫外線監測器配件，進行290nm至325nm各波段紫外線輻射之監測。

　　此儀器可對紫外線290nm至325nm的波段進行詳細的觀測。作業時利用軟體的控制，從290nm起每隔0.5nm做一個觀測，到達325nm時，再以每0.5nm的間隔遞減回來，所得到各波長的輻射通量密度，經過紅斑作用光譜（Erythema Action Spectrum）的加權計算及積分後，即求得到「危險紫外線輻射量」（Damaging UV values簡稱DUV）。280nm至298nm是紅斑作用光譜中，皮膚致紅最主要的紫外線波段，其加權數值為1，當波長大於298nm時其加權數值快速減少，至400nm時則只剩約萬分之一，所以紫外線的輻射通量密度經由紅斑作用光譜計算後所得之DUV，其值應比原來的輻射值小。而DUV輻射值中，則以UVB波段最為重要。

　　由於此儀器相當精密，其波譜間隔只有0.5nm，故可以準確的得到各波段的觀測值，但儀器掃描來回一次的觀測需花費數分鐘之久，有時遇到雲層快速移動，則明顯影響觀測所得之波譜分布。由於布魯爾分光光譜儀，在不同的時間可分別進行臭氧總量、紫外線的觀測，每天亦可自動進行水銀燈的波長校驗及標準燈的強度校驗，故此儀器售價頗高，且因操作、校正及維護儀器等所費不貲，因此不適合大量設站，目前全世界約裝置有一百餘套，我國則在台北及成功各設有一套儀器，並定期與位於加拿大的世界臭氧及紫外線中心交換資料。

（三）寬波段紫外線輻射監測儀

　　使用普遍的寬波段紫外線輻射監測儀器可用作測量紅斑反應的紫外線波譜儀器。此種寬波段紫外線儀器具有簡便、易於操作及價格低廉等優點。此外，其快速的反應時間（0.1秒左右）亦使其可在任何天氣狀態下進行觀測。然而，此儀器有易受溫度影響且穩定度較差的缺點。此套儀器其測定之原理為光波通過晶體圓罩（Quartz dome）及過濾器後，使欲測的紫外線進入感應器內量測，經過增幅器及溫度訂正後，以直流電壓輸出。此儀器內設計有溫度穩定器，故在攝氏-40至50度的環境溫度下，每度的反應偏差約為1％內。此儀器波譜反應範圍為280nm至400nm，且與皮膚致紅的反應曲線相當一致，所以是量測皮膚致紅之紫外線輻射量的實用工具。

　　行政院環境保護署於民國1997年已完成5套寬波段紫外線輻射監測儀，預計在1998年再增設10套監測儀器，同時利用2套監測設備進行巡迴檢校，以確保數據品質。

（四）最新紫外線監測結果

　　紫外線的能量小且受時空變化的影響很大，故欲長期準確地測量大氣中各波段紫外線輻射能量是相當困難。我國已累積10多年的紫外線指數監測結果，已可初步顯示紫外輻射的長期趨勢。 統計2000~2010年環保署各站年平均UVI與過量級以上 (UVI≧8) 出現機率的逐年變動情形，其中以恆春站的年平均值是平地站中最大，約介於6.8 ~8.4間；過量級以上 (UVI≧8) 出現機率，約介於45~65%間。鹿林山的年平均值在2008年達8.6，為最強。在 多年平均方面，以基隆、陽明山的5.0為最小，恆春的7,9為最大，新竹與宜蘭以北都小於6，三義與花蓮以南都大於6。

　　2011年1月~11月間之UVI逐月平均，大致上，冬季時，台灣北部的UVI偏低，而隨著氣候變暖，南方的UVI明顯增加；夏季則全島出現顯著增加情形。逐月危險級 (UVI≧11) 出現機率， 用以觀察高UVI的出現情形，其結果顯示：元月無危險級UVI出現，而進入春季，首先以東部的危險級UVI出現較多，其可能與春季台灣受大陸冷氣團影響，冷鋒面主要影響台灣北方之故。夏季時，則全島各地都會出現危險級的UV輻射，而以台南到 恆春的危險級出現機率高。

　　各測站平均累積輻射量以夏季最高，秋季及春季次之，冬季最低。日累積輻射量以五月至八月較強。在春、秋、冬三季午時工作者所接受的累積輻射量占每日累積輻射量的比率大約為64%~72%，一般上班族（上午8~10時與下午16~18時搭車時間在外活動者）大約為15%~24%，晨跑者（上午6~8時在外活動者）大約為3%~1%；在夏季一般上班族與午時工作者所接受的輻射量十分接近，晨跑者則略低前二者。以整年情況而言，午時工作者平均接受了約60%左右的日累積輻射量，一般上班族20%左右，晨跑者則因地理位置而略有不同的比率，一般為北部低南部高且平地低於高山。

 

紫外線預報

　　從1994年夏天開始，美國國家氣象局及環保署提供一項實驗性新產品----紫外線指數預報，它每日由氣象人員實驗性的發布，並包含在天氣報告中提供大眾使用，這個指數模擬次日中午陽光最強的一個小時，紫外線到達地面的輻射量。

　　要得到紫外線指數值(UVI)須先求得紫外線輻射量（DUV，Damaging UV values）。DUV為紫外線B各波段（280nm~320nm）乘上權重函數（紅斑作用光譜）而得，因為UVB為紫外線極強的波段，故所得到之結果稱為危險紫外線輻射量（mW/M²）。得到DUV的值後對時間做積分並定義每小時的累積量100J/m2=1 UVI。例如每日正午DUV的值為1000 J/m²，則其UVI的相對值就為10。UVI為一方便推估對每小時太陽紫外線到達地面的量提供做為一個參照的指數。環保署自1998年7月起接辦台灣各地區紫外線指數預報工作，提供給社會大眾做參考，以採取相關的防護措施，降低紫外線所造成的傷害。

（一）紫外線指數預測計算

　　紫外線的估算與太陽移動路徑、大氣狀態及臭氧剖面資料有關。牽涉到的因素包括太陽天頂角、日序、大氣氣柱水汽量、大氣氣柱臭氧總量、大氣中懸浮微粒、雲量等，故必須藉助輻射數值模式才能充分考慮上述各因子，模擬出理論上的輻射量。環保署預報次日UVI的方法乃委託台大全球變遷中心及環境品質文教基金會協助建立。預報流程係參考上述美國UVI指數的計算方法，原則上是以當日的氣象及臭氧、大氣剖面資料為主，並以當日的太陽天頂角模擬出當日的UVI。

1. 計算次日的臭氧全量
   環保署預報所需當日臭氧氣柱總量係採用中央氣象局板橋站最近的臭氧探空剖面資料，再乘以當日總臭氧量與探空日總臭氧量的比例，所得的結果即做為當日臭氧剖面濃度的調整依據。
2. 計算晴空狀況下到達地面紫外線輻射量的最大值
   環保署採用輻射模式輸入氣象及臭氧剖面資料加上當日的天頂角，計算出當日晴朗無懸浮微粒時正午12:00到達地面的紫外線輻射量。
3. 應用權重函數求出正午之DUV
   環保署把UVB每波段之輻射強度乘上所對應的權重函數換算成DUV量。
4. 將結果加以積分並分級，求出正午之UVI
   環保署預報模式每15分鐘模擬一次DUV強度，故一小時的累積總輻射量是由四部分輻射量積分組成，且分級方式完全依照世界衛生組織(WHO)之方法，依數值大小將分成低量級(0~2)、中量級(3~5)、高量級(6~7)、過量級(8~10)及危險級(≧11)等5級。
5. 利用預報的雲量將中午的輻射量加以調整
   依預報晴天、疏雲、密雲、陰天再由專業人員修正。

（二）紫外線預報流程

　　環保署紫外線預報可分為資料傳輸、資料處理、預估值修正及預報發布四部分，目前已大部分自動化，僅在最後發布階段由預報人員嚴密監視，以確保預報品質。紫外線指數預報時，須先取得紫外線資料、總臭氧量、臭氧剖面監測值、大氣剖面監測值、地面氣象監測值及天氣預報等資料，以為預報模式之輸入值，經前述模式估算後可得隔日之預測值，再經氣象專家以其專業知識考慮對紫外線指數有所影響之各種天氣狀況提出修正意見後，始將隔日預測值對外發布。

（三）紫外線監測站分布

　　目前國內紫外線監測共分有環保署與交通部中央氣象局分別辦理，雙方於102年4月底整併監測站，全台共計34站，環保署所屬測站計有板橋、淡水、桃園、苗栗、沙鹿、彰化、斗六、南投、阿里山、鹿林山(塔塔加)、朴子、新營、橋頭、屏東等14站；交通部中央氣象局所屬測站計有基隆、台北、鞍部、新屋、新竹、台中、日月潭、嘉義、台南、高雄、恆春、玉山、宜蘭、花蓮、成功、台東、蘭嶼、馬祖、金門及澎湖等20站。

（四）紫外線預報點分布

為加強服務民眾環保署自1998年7月辦理紫外線預報共分為49個點進行預報。

1. 北部預報點：基隆市、台北市、新北市、桃園市、桃園縣、新竹市、新竹縣、苗栗市、苗栗縣
2. 中部預報點：台中市、彰化市、彰化縣、斗六市、雲林縣、南投市、南投縣
3. 南部預報點：嘉義市、嘉義縣、台南市、高雄市、屏東市、屏東縣
4. 東部預報點：台東市、台東縣、花蓮市、花蓮縣、宜蘭市、宜蘭縣
5. 外島預報點：金門、馬祖、澎湖、綠島、蘭嶼、小琉球
6. 旅遊預報點：陽明山、龍洞、溪頭、玉山、合歡山、梨山、太魯閣、阿里山、日月潭、墾丁、太平山、三仙台。

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