综述：漫射紫外线辐射的测量与建模

《Photochemistry and Photobiology》：Measurement and modeling of diffuse ultraviolet radiation: A review

本文综述了漫射紫外线（UV）辐射对人类健康的影响、其测量技术与建模方法。文中指出，紫外线环境由直射UV和漫射UV组成，后者在阴天、高气溶胶环境下占比更高。漫射UV从四面八方入射，难以通过帽子、树荫等传统方式完全防护，因而在皮肤癌、眼部疾病风险及维生素D合成中扮演重要角色。文章系统回顾了影响漫射UV的环境因素（云、气溶胶、反照率）、测量技术（宽频与光谱）及建模方法（辐射传输、半经验及AI模型），并指出未来需加强漫射UV监测、建模及公众防护意识。

　　

紫外线的“隐形”威胁：漫射紫外线辐射全解析

紫外线（UV）辐射是我们日常生活环境的一部分，但它并非只有头顶直射的阳光。紫外线环境由直射UV和漫射UV两部分组成。您可能已经对直射阳光的伤害有所警惕，但您知道吗？在阴天、雾霾天，或者即使您身处树荫、遮阳伞下，一种来自天空四面八方的“隐形”紫外线——漫射紫外线——仍然在持续影响着我们。它不仅是晒伤的元凶之一，更与皮肤癌、眼部疾病的风险以及人体必需的维生素D合成息息相关。由于其从各个方向入射的特性，使得常规的防晒手段（如帽子、遮阳结构）难以完全阻挡，因此深入理解漫射UV至关重要。

环境因素如何塑造漫射UV？

多种环境因素共同作用，决定了我们接收到的漫射UV与直射UV的比例。

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  云层：复杂多变的调节器
  云层是影响地表接收UV辐射最主要的因素之一。它们通过散射过程，既能减弱直射UV，也能增强漫射UV。通常，云量超过50%时，对UV辐照度的影响开始显著。在浓云密布的条件下，红斑UV的漫射成分可占总UV暴露的93%之高。有趣的是，在特定条件下，例如当太阳可见并被高反射的云边环绕时，云层甚至能增强地表UVB辐射，最高可比晴空时高出30%，这种现象在卷云或层积云处于特定位置时较为常见。
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  气溶胶：散射与吸收的博弈
  气溶胶来源于自然和人为排放，其吸收和散射特性对UV，特别是晴空下的UV测量至关重要。吸收性气溶胶会减弱UV暴露，而非吸收性气溶胶对直射UV的散射则会增强漫射UV成分。在高气溶胶负荷和低太阳高度角时，短波长的米氏散射可能超过气体分子的瑞利散射，使得漫射部分占据主导。例如，丛林大火产生的烟雾遮蔽太阳时，漫射UV暴露仍然显著，足以对户外活动者构成累积性红斑暴露风险。
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  反照率与地表反射：被低估的角色
  地表对UV的反射（反照率）会增强大气中的漫射UV辐射，但其贡献尚未被完全量化。通常，沙、水、雪等自然表面以及人造表面（如某些建筑材料）具有较高的UV反射率。沿海、城市或高海拔等地区，可能因地表特性而经历更高比例的漫射UV辐射。

如何捕捉来自四面八方的UV？测量技术面面观

科学家们发展出了多种技术来测量这“无孔不入”的漫射UV。

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  宽频测量：获取总体能量
  最常见的水平面漫射UV测量使用宽频仪表。核心原理是遮蔽传感器免受直射UV照射。方法主要有三种：
  1. 1.
     遮阳盘法：使用安装在太阳跟踪器上的圆盘遮挡直射光。
  2. 2.
     遮阳带法：使用一个半圆形带子遮挡太阳路径，并需进行修正以补偿被带子遮住的漫射UV。
  3. 3.
     差值法：分别测量全球UV（直射+漫射）和直射UV，两者相减得到漫射UV。其中直射UV需使用安装在太阳跟踪器上的小视场准直器来测量。
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  光谱测量：剖析特定波长
  要了解特定波长（如UVB 280-320 nm, UVA 320-400 nm）的漫射UV，则需要更精密的仪器。
  1. 1.
     光谱辐射计：如Bentham光谱辐射计，可配置遮阳带直接测量漫射UV光谱，或通过测量全球和直射光谱来计算漫射成分。
  2. 2.
     窄带滤波辐射计：如Biospherical Instruments的GUV-511 C型辐射计，可在305、320、340和380 nm波长测量全球和漫射辐照度。多滤镜旋转遮带辐射计（MFRSR） 则可在300、305、311、317、325、332和368 nm等更多波长进行测量，其遮带会周期性摆动以遮挡太阳。
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  特殊环境下的测量：从树荫到水下
  漫射UV测量对于评估人类在特定环境中的实际暴露至关重要。
  1. 1.
     树荫下：研究使用了从便携式数据记录仪、手持辐射计到聚砜剂量计等多种工具，测量了不同树种提供的UV防护水平。有些研究甚至将剂量计安装在旋转的直立人体模型上，以模拟站立者在树荫下各解剖部位接收的暴露。
  2. 2.
     人工遮阳下：类似的技术被用于评估遮阳伞、遮阳篷等结构的防护效果。通过比较遮阳下与开阔地的UV，可以推导出紫外线防护因子（PF）。研究也显示，遮阳结构下的漫射UV暴露对维生素D的合成仍有贡献。
  3. 3.
     水下：水下的UV传播受衰减和散射过程影响，可用衰减系数K_d来描述。测量水下UV极具挑战，需考虑仪器浸没效应、水质变化、波浪等因素。研究人员已开发多种原位和实验室测量技术来应对这些挑战。

预测无形的辐射：漫射UV建模技术演进

为了填补测量空白并验证数据，对漫射UV进行建模至关重要。

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  传统模型：物理与经验的结合
  1. 1.
     辐射传输模型：如libRadtran软件包中的UVSPEC工具，被广泛用于模拟各种大气条件下的UV辐照度。
  2. 2.
     半经验与经验模型：这些模型基于太阳天顶角（SZA）、臭氧、气溶胶、反照率、云量等参数来估算漫射UV。
  3. 3.
     天空视野模型：用于估算遮阳伞、树冠、遮阳装置等遮挡下的UV暴露。一些模型（如SimUVEx）将直射、漫射和地面反射UV成分与人体不同姿态的模型结合，以计算各解剖部位的照射量。
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  AI模型：数据驱动的新前沿
  鉴于大气变量与漫射UV之间高度非线性的复杂关系，人工智能（AI）模型为解决这一预测难题提供了新方案。AI模型能处理大量数据，提取关键的非线性关系。
  1. 1.
     独立架构：如人工神经网络（ANN）已用于漫射UV预测。
  2. 2.
     混合深度学习模型：如卷积神经网络-长短期记忆网络（CNN-LSTM） 等更先进的模型，被用于短期和长期的UV指数及漫射UV预报。
  3. 3.
     混合方法论：将辐射传输模型与机器学习（如随机森林RF、极限梯度提升XGBoost、深度神经网络DNN等）相结合，可以同时利用物理规律和数据优势，大幅提高预测精度，某些模型对日均太阳辐照度的预测R²值可达0.99。

结论与展望：关注看不见的暴露

漫射UV构成了人群总体UV暴露的很大一部分，对皮肤癌、日光相关眼疾及维生素D合成均有贡献。在遮荫环境下，UV暴露主要源于漫射成分。尽管已有一定认知，但地表反照率的绝对贡献、云与气溶胶复杂多变的影响仍需进一步量化。

当前，针对“漫射太阳UV”的研究论文数量远少于“紫外线指数”。未来研究需要：

1. 1.
   加强测量：改进地基漫射太阳UV的测量与监测网络。
2. 2.
   发展建模：深化对生物加权漫射UV、漫射UVB和漫射UVA的测量与建模研究。
3. 3.
   提升防护意识：在皮肤癌预防和公众健康教育中，应突出强调对来自天空四面八方的漫射UV辐射的防护。探讨向公众提供漫射UV预报和实时数据的可行性，将有助于提升整体防晒效能，保障公众健康。

（注：以上所有内容、数据、结论及方法均基于原文，未添加原文未提及的信息。）