برآورد تابش فرابنفش تجمعی روزانه UVA و سازگاری آن با برخی عوامل مؤثر - مطالعه موردی: مناطق مرکزی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد هواشناسی گروه مهندسی علوم آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا

2 دانشجوی دکتری هواشناسی کشاورزی گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا

10.22131/sepehr.2021.246148

چکیده

پرتوهای فرابنفش (UV) بخش خطرناک تابش خورشیدی است که علیرغم داشتن سهم کوچکی از کل انرژی تابشی خورشید (5 تا 7 درصد) و فوایدی در زمینه تولید ویتامین D3، اما تابش بیش از حد آن می‌‌تواند آسیب‌‌های جبرانناپذیری به سلول‌‌های انسان برساند. عمده تحقیقات صورت گرفته قبلی در ایران بر روی تابش UV صرفاً محدود به اثرات آن روی پارامترهای گیاهی یا پهنه‌‌بندی در محدوده کوچک بصورت مطالعه موردی بوده است. در تحقیق حاضر تابش فرابنفش تجمعی روزانه UVA در منطقه وسیعی از فلات مرکزی ایران که دارای اقلیم خشک و نیمه خشک هستند در دورهی اقلیمی 13 ساله شامل 22 ایستگاه در 9 استان به وسیله مدل انتقال تابش لایه‌‌ای TUV5 برآورد شده است. نتایج در سه حالت شرایط آسمان کاملاً صاف، کاملاً ابری و واقعی (ترکیبی از درصد هوای ابری و صاف در ماه مربوطه) برآورد گردید و بصورت متوسط فصلی پهنهبندی شد و انطباق آن با عوامل اثرگذار بر تابش فرابنفش مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیشینه تابش UVA در نیمه جنوبی منطقه مورد مطالعه متمرکز است که در فصول گرم سال غالباً در شرق و در فصول سرد سال در نواحی مرکزی و جنوب غرب منطقه مستقر است. مقایسه پهنه‌‌های تابش تجمعی روزانه در شرایط کاملاً ابری نشان میدهد که همخوانی مطلوبی با پهنه‌‌های عمق نوری ابر و آئروسل وجود دارد. در حالیکه در شرایط کاملاً صاف، انطباق پهنه‌‌های توزیع تابش UVA و ازون کلی بیشتر است. شرایط آسمان تمام ابری قادر است شدت تابش روزانه دریافتی UVA را حدود 52 درصد در فصل زمستان و 21 درصد در فصل تابستان به نسبت شرایط آسمان کاملاً صاف کاهش دهد. در شرایط واقعی آسمان شدت تجمعی پرتوهای UVA برآورد شده در مقایسه با آسمان کاملاً صاف، کاهش متوسط 19 درصدی در فصل تابستان تا 32 درصدی در فصل زمستان را نشان میدهد. میزان تأثیر کاهشی ابر بر تابش سطحی فرابنفش در فصول گرم سال (به دلیل زاویه سمت الرأس کمتر) به طور نسبی کمتر از فصل سرد سال می‌‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

An estimation of daily cumulative UVA radiation and some related influential factors in the central regions of Iran

نویسندگان [English]

  • Ali Akbar Sabziparvar 1
  • Alireza Seifzadeh 2
1 Professor in Meteorology, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 Ph.D. Candidate in Agricultural Meteorology, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Extended Abstract
Introduction
Ultraviolet radiation (UVA) is a dangerous part of solar radiation that makes a small percentage of total solar radiation energy (5 to 7 percent). Despite the beneficial role of solar energy in the production of vitamin D3, it can cause irreparable damage to human cells. The majority of previous studies on ultraviolet radiation in Iran have focused on in-vitro impacts of UV radiation on human health and plant physiology in a limited study area. The present study estimates daily cumulative UVA radiation in central regions of Iran and compare it with total column ozone (TCO), cloud optical depth (COD) and aerosol optical depth (AOD) in different seasons.
 
Materials and methods
The present study estimates daily cumulative UVA radiation (320-400 nm) over a 13-year reference period (2005-2017) in a large area in Central Plateau of Iran with arid and semi-arid climate using TUV5 multilayer radiative transfer model (Madronich, 1993). 22 synoptic stations in 9 provinces were investigated in this study. Daily cumulative UVA radiation under three different sky conditions (clear-sky, overcast and real-sky) was also compared with geographical distribution of total column ozone (TCO), cloud optical depth (COD), aerosol optical depth (AOD) and surface albedo (SALB). Required data were extracted from satellite images (downloaded from http://disc.gsfc.nasa.gov) and Iran Meteorological Organization data center.
 
Results and Discussion
In general, maximum daily UVA radiation was recorded in the southern half of the study area. During warm seasons of the year, the eastern part of the study area (Kerman and Khorasan-e-Jonubi Provinces) and during the cold seasons of the year, central and southwestern part of the study area (Yazd and Fars Provinces) experience maximum daily UVA radiation. Maximum cloudiness in spring has occurred in northeastern and western parts of the study area and a lower level of cloudiness has always been recorded in its southern parts. Thus, the highest level of UVA radiation has been recorded in southeastern parts of the study area and especially in Birjand station (1071.12 kj/m2 per day). As expected, maximum UVA radiations in all sky conditions and all stations were recorded in summer. The lowest level of cloudiness was also recorded in this season. During autumn and in overcast condition, the highest concentration of UVA was recorded in southeastern parts of the study area and Birjand station (725.85 kj/m2 per day). This is consistent with cloud optical depth and total column ozone, and so, the lowest amount of ozone in this season was recorded in Birjand station (276.57 Dobson). The highest values of atmospheric aerosol with an average of 0.59 optical depth were recorded in winter in the eastern parts of the study area. Thus unlike other seasons, maximum UVA radiation in overcast condition moves toward central stations in winter. Comparison of daily cumulative radiation maps in overcast condition shows that there is a good agreement between daily cumulative radiation and cloud optical depth (COD) and aerosol optical depth (AOD). This indicates that in overcast condition, total column ozone (TCO) have a weaker impact on UVA radiation as compared to other sky conditions. However, UVA radiation is consistent with total column ozone in clear-sky conditions.
 
Conclusions
Geographical distribution of UVA radiation indicates that maximum daily radiation in warm seasons has often occurred in the eastern parts of the study area. However, maximum concentration of UVA radiation moves towards southwestern parts of the region in cold seasons. Therefore, residents of the eastern and southwestern regions face a higher risk due to daily cumulative UVA radiation. Findings indicate high biological risk of solar UVA wavelengths in clear-sky condition within the study area. Overcast conditions can reduce daily UVA radiation up to 52% in winter and 21% in summer as compared to clear sky conditions. In real-sky conditions, daily UVA radiation decreases up to 19% in summers and up to 32% in winters as compared to clear-sky conditions. As a result of lower solar zenith angle, the impact of cloudiness on surface UVA radiation in summer is relatively less than cold seasons.

کلیدواژه‌ها [English]

  • TUV5 Model
  • Cloud and aerosol optical depth
  • UVA radiation
  • Overcast
  • Clear sky
1- آروین اسپنانی، عباسعلی. (1391). ارتباط الگوهای گردشی جو با تغییرات اوزن کلی در اصفهان. مجله جغرافیا و توسعه. شماره 29، صص 1-14.
2- بهروز، سیف، فتاحی اصل، بهروز؛ محمدعلی، فاطمه، جعفر، لیلا. (1388). اندازه‌گیری میزان شدت پرتوهای فرابنفش کیهانی در شهر اهواز در ماه‌های مختلف سال. مجله علمی پزشکی، دوره9، شماره1، ص 51-45.
3- جهانبخش، مدرس ثانوی،  قناتی، توکلی، مرادی قهدریجانی، پناهی؛ حبیبه، سید علی محمد،  فایزه، اکبر، مهرداد، مهدی (1393). بررسی عملکرد دانه و صفات کیفی ذرت شیرین (Zea mays L.var. Sacarata) تحت تیمارهای کم آبی، تشعشع فرابنفش و ازدیاد دی اکسید کربن. فصلنامه علوم گیاهان زراعی ایران. شماره 3، جلد 41، ص 335-344.
4- حسینی سرقین، کاراپتیان، خارا؛  سیاوش، ژیرایر، جلیل (1388). بررسی اثر اشعه UV روی برخی پارامترهای ساختاری و فراساختاری در گیاه فلفل قلمی. علوم دانشگاه خوارزمی. شماره 3، جلد 9، ص 485-502.
5- رستم پور، الماسی، رستم‌پور، بیات، کریمی؛ نیما، تینوش، معصومه، حسنا، سعیده (1391). بررسی میزان شدت پرتوهای فرابنفش خورشیدی نوع A در شهر همدان. مجله دانشگاه علوم پزشکی و خدمات بهداشتی درمانی همدان. شماره 4، جلد 19، ص 69-74.
6- سبزی پرور، ع. ا و کریمی، ع. (1397). ارزیابی تجربی روابط رگرسیونی بین شدّت لحظه‌ای تابش فعال فتوسنتز و شدّت تابش کل خورشید. نشریه آب و خاک. جلد 32، شماره 1، صص 213-228.
7- محجوب، عظیمی خراسانی، هرویان،  مومنی‌مقدم، محجوب؛ منیژه، عباس، جواد، حامد، فاطمه (1391). اثر رنگ‌های مختلف عینک‌های آفتابی بر عملکرد بینایی. ماهنامه تحقیقات علوم‌پزشکی. شماره54، ص22-10.
8- موسوی، حاجی‌زاده، حسنی؛ شفیع، ابراهیم، مریم  (1391). مدل اصلاح شده داده‌های ماهواره‌ای در ناحیه‌بندی تابش فرابنفش خورشید دوره گرم سال روی سرزمین ایران. همایش اوزون و تابش فرابنفش. تهران، سازمان هواشناسی کشور، معاونت توسعه و پیش‌بینی هواشناسی. ص 48-36.
9- موقری، ع و خسروی، م. (1393). محاسبه، ارزیابی و تحلیل توزیع مکانی شاخص پرتو فرابنفش در گستره ایران. نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی. سال چهاردهم، شماره 34، صص 11-31.
10- Blum, A., & Volkenandt, M. (2002). Skin cancer. Deutsche medizinische Wochenschrift. 127(33): 1679-1681.
11- Caldwell, M.M., Camp, L.B., Warner, C.W., & Flint, S.D. (1986). Action spectra and their key role in assessing biological consequences of solar UV-B radiation change, In Stratospheric ozone reduction, solar ultraviolet radiation and plant life. Springer Berlin Heidelberg. 11(5): 11-87.
12- Carvalho, V.S.B., Itimura, M.S., & Yamasoe, M.A. (2009). Comparison of results of spectrally integrated irradiance generated by radiative transfer models SBDART and TUV. AIP Conference Proceedings. 35-37.
13- Janjai, S., Wattan, R., & Sripradit, A. (2015). Modeling the ratio of photosynthetically active radiation to broadband global solar radiation using ground and satellite-based data in the tropics. Advances in Space Research. 56(11): 2356-2364.
14- Kielbassa, C., Roza, L., & Epe, B. (1997). Wavelength dependence of oxidative DNA damage induced by UV and visible light. Carcinogenesis. 18(4): 811-816.
15- Lesser, M.P., Lamare, M.D., & Barker, M. F. (2004). Transmission of ultraviolet radiation through the Antarctic annual sea ice and its biological effects on sea urchin embryos. Limnology and oceanography. 49(6): 1957-1963.
16- Madronich, S., McKenzie, R.L., Caldwell, M., & Björn, L.O. (1995). Changes in ultraviolet-radiation reaching the earths surface. journal of Ambio. 24(3): 143-152.
17- McKenzie, R.L., Aucamp, P.J., Bais, A.F., Bjorn, L.O., & llyas, M. (2007). Changes in biologically-active ultraviolet radiation reaching the Earth’s surface Photochem. Photobiological Science. 6(3): 218-231.
18- Moradi Rikabad, M., Pourakbar, L., Moghaddam, S.S., & Popović-Djordjević, J. (2019). Agrobiological, chemical and antioxidant properties of saffron (Crocus sativus L.) exposed to TiO2 nanoparticles and ultraviolet-B stress. Industrial Crops and Products. 137(1): 137-143.
19- Moreno, I., Vida, J., & Alados-Arboledas, L. (1998). A Simple All Weather Model to Estimate Ultraviolet Solar Radiation (290–385 nm). Journal of Applied Meteorology. 38 (7):1020-1026.
20- Piacentini, R.D., Alfano, O.M., Albizzati, E.D., Luccini, E.A., & Herman, J.R. (2002). Solar ultraviolet irradiance for clear sky days incident at Rosario, Argentina: Measurements and model calculations. Journal of Geophysical Research. 107 (15): 61-67.
21- Sabziparvar, A.A., Keith, P., Shine, E., & Piers, M. (1999). A Model- Derived Global Climatology of UV Irradiation at the Earth s Surface.  Journal of Photochem and photobiol. 69(2): 193-202.
22- Tajek, E., Rezai, A.A., Abkar, A., Alavipanah, S.k., Jahantab, Z., & Rahmati, A.R. (2015). Estimate the total instantaneous solar short wavelength using the Modus satellite imagery (Case study: Central regions of Iran ). Remote Sensing and Geographic System in Natural Resources. 6(1): 17-30.
23- Wang, X., Gao, W., Slusser, J.R., Davis, J., & Gao, Z. (2007). Spectral distribution of UV-B irradiance derived by synthetic model compared with simulation results of TUV and ground measurements. Proceedings of SPIE journal. 10(3): 126-138.
24- Williamson,C.E., Zepp, R., Lucas, R., Madronich, S., Austin, T., Ballaré, C., Norval, M., Sulzberger, B., & Robinson, S.A. (2014). Solar ultraviolet radiation in a changing climate. journal of Nature Climate Change. 4(6): 434-441.
25- Yu, X., Wu, Z., Jiang, W., & Guo, X. (2015). Predicting daily photosynthetically active radiation from global solar radiation in the Contiguous United States. Energy Conversion and Management. 89: 71-82.
26- Zhang, X., Chen, Y., Gao, Q., Wang, W., Liu, L., Fan, J., Cao, L., & L, C. (2017). Short-term UV-B radiation effects on morphology physiological traits and accumulation of bioactive compounds in Prunella vulgaris L. J. Plant Interact. 12(1): 348–354.