Original paper

Empirical model for estimating daily erythemal UV radiation in the Central European region

Hlavinka, Petr; Trnka, Miroslav; Semerá dová, Daniela; Ž alud, Zdeně k; Dubrovský, Martin; Eitzinger, Josef; Weihs, Philipp; Simic, Stana; Blumthaler, Mario; Schreder, Joseph

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 2 (2007), p. 183 - 190

published: May 7, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0191

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Abstract

Because of its biological effects, erythemal ultraviolet (UV-ERY) radiation (280-400 nm) is a significant part of solar radiation spectrum. In this study a statistical model for estimating daily UV-ERY radiation values was developed. It is based on ground measurements conducted at eight Austrian stations (from 2000 to 2002). As inputs the model requires daily global radiation, daily extraterrestrial radiation, information about the column of total ozone in the atmosphere and the altitude of a selected station. Subsequently the performance of the model was verified by an independent data set originating from measurements in Austria and Czech Republic stations. The verification showed satisfactory performance of the model: the coefficient of determination (R2) varied from 0.97 to 0.99, the root mean square error (RMSE) varied from 9.3 % to 17.7 % and the mean bias error (MBE) varied from −2.5 % to 2.0 %. In addition, the results of the model at Hradec Králové station were compared with equivalent UV-ERY data from the Solar Radiation Database (SoDa), which are available on the Internet. After successful verification, the model was implemented within the ArcInfo GIS framework in order to carry out a spatial assessment of a stratospheric ozone reduction episode. The event of July 2005 in the Czech Republic was used as a case study. On 30 July 2005 the total ozone amount dropped 12.5 % below the long-term mean, which led to UV-ERY radiation increment ranging from 214 to 391 J·m−2·day−1.

Kurzfassung

Die ultravialette Strahlung, insbesondere der Anteil der erythemwirksamen UV-Strahlung UV-ERY (280-400 nm) ist ein wichtiger Teil des solaren Spektrums hinsichtlich seiner biologischen Effekte. In dieser Studie wird ein statistisches Modell zur Bestimmung täglicher UV-B Strahlungswerte vorgestellt. Es beruht auf Messungen von 8 Stationen in Österreich im Zeitraum zwischen 2000 bis 2002. Als Eingangsparameter benötigt das Modell tägliche Werte der Globalstrahlung, der extraterrestrischen Strahlung, sowie des absoluten atmosphärischen Ozongehaltes und der Seehöhe eines Standortes. Im weiteren wurde das entwickelte Modell anhand unabhängiger Messdaten von Stationen in Österreich und der tschechischen Republik verifiziert. Dies ergab eine zufriedenstellende Güte des Modells : der Korrelationskoeffizient (R2) schwankte zwischen 0,97 und 0,99, die mittlere Abweichung (RMSE) zwischen 9,3 und 17,7 % und der mittlere Fehler (MBE) zwischen −2,5 % und 2,0 %. Daneben wurden die Ergebnisse an der Station Hradec Králové (Tschechische Republik) mit den äquivalenten UV-B Werten aus der Solar Radiation Database (SoDa) verglichen, welche aus dem Internet verfügbar sind. Nach der erfolgreichen Verifizierung wurde das Modell im geografischen Informationssystem ArcInfo GIS implementiert um eine räumliche Abschätzung von Perioden stratosphärischer Ozonreduktionen darzustellen. Beim Ereignis vom 30. Juli 2005 fiel der Gesamtozongehalt um 12,5 % gegenüber dem langfristigen Mittel, was eine Zunahme der UV-B Strahlung von 214 auf 391 J·m−2·day−1 zur Folge hatte.