Beispiel: Mittlere tägliche UV-Exposition

1. UV-Strahlung in Vergangenheit und Zukunft, mit und ohne Wolken Joachim Reuder, Peter Koepke und Jan Schween Motivation UV-Strahlung in der Vergangenheit Ultraviolette Strahlung (UV-Strahlung) kann beim Menschen zu vielfältigen, nicht selten schmerzhaften Effekten führen. Sonnenbrand (Erythem) und Schneeblindheit sind akute UV-Schäden, die durch die Absorption von Photonen im Körpergewebe ausgelöst werden. Die Strahlung kann aber auch chronische Schäden hervorrufen wie Hautkrebs, Katarakt im Auge oder eine Schwächung des Immunsystems. Da die UV-Strahlung nur an wenigen Orten und erst seit rund 10 Jahren kontinuierlich gemessen wird, ist es für eine Bewertung und Gefahren-abschätzung nötig sie für andere Zeiträume und Orte zu simulieren. Dies gilt sowohl für die Vergangenheit als auch die Zukunft. Zur Simulation der UV-Strahlung sind hochwertige Computer-modelle notwendig. Im Rahmen von BayForUV wurde das am Meteorologischen Institut der Universität München (MIM) ent-wickelte und im Rahmen von BayForUV verbesserte Strahlungs-übertragungsmodell STAR (Schwander et al., 2003) verwendet, dessen Qualität durch Vergleich mit Messungen und mit anderen Modellen bestätigt wurde (Koepke et al., 1998). Um die UV-Strahlung für die Vergangenheit zu modellieren, werden beobach-tete und gemessene Werte der relevanten atmosphärischen Parameter genutzt, die routinemäßig vom Deutschen Wetterdienst (DWD) beobachtet und registriert werden. Der Einfluss von Wolken auf die UV-Strahlung wird dabei durch Anwendung eines Algorithmus auf der Basis eines neuronalen Netzwerkes bestimmt (Schwander et al., 2002). Dabei werden die Bedeckungsgrade der verschiedenen Wolkenstockwerke über einen sogenannten cloud modification factor (CMF) mit ihrer Wirkung auf die Strahlung verknüpft. Grundsätzlich wird die UV-Strahlung spektral, d.h. wellenlängen-abhängig, modelliert. Dadurch können bei Bedarf verschiedenste biologische Wirkungen berücksichtigt werden. Die UV-Simula-tionen können mit beliebiger zeitlicher Auflösung stattfinden, wenn die entsprechenden Eingangsparameter in der gewünschten Auf-lösung vorhanden sind. Die folgende Darstellungen zeigen Resul-tate für unterschiedliche UV-Wichtungen bezogen auf eine hori-zontal ausgerichtete Fläche. Literatur: Caldwell, M. M., L. B. Camp, C. W. Warner, and S. D. Flint (1986), Action Spectra and Their Key Role in Assessing Biological Consequences of Solar UV-B Radiation Change. Stratospheric Ozone Reduction, Solar Ultraviolet Radiation and Plant Life, ed. by R. C. W. and M. M. Caldwell, NATO ASI Series G: Ecological Sciences, Vol. 8., Springer Verlag: Berlin, 87-109. McKinley, A. F., and B. L. Diffey (1987), A reference action spectrum for ultraviolet induced Erythema in human skin. Commission Internationale de l´Éclairage (CIE), 6, 17-22. Koepke, P., A. Bais, D. Balis; M. Buchwitz, H. De Backer, X. De Cabo, P. Eckert, P. Eriksen, D. Gillotay, A. Heikkilä, T. Koskela, B. Lapeta, Z. Litynska, J. Lorente, B. Mayer, A. Renaud, A. Ruggaber, G. Schauberger, G. Seckmeyer, P. Seifert, A. Schmalwieser, H. Schwander, K. Vanicek, and M. Weber (1998), Comparison of models used for UV Index calculations, Photochem. Photobiol., 67, 6, 657-662. Reuder, J., P. Koepke, and M. Dameris (2001), Future UV radiation in Central Europe modelled from ozone scenarios, J. Photochem. Photobiol., B., 61, 3, 94-105. Schwander, H., P. Koepke, A. Kaifel and G. Seckmeyer (2002), Modification of spectral UV irradiance by clouds, J. Geophys. Res., 107 (D16), AAC7-1 to AAC7-12. Schwander, H., P. Koepke, M. Mech, A. Oppenrieder, J. Reuder, and J. Schween (2003), STAR – System for Transfer of Atmospheric Radiation – Version 2002, freely available via http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/strahlung/uvrad/Star/STARinfo.htm. Schwander, H., B. Mayer, A. Ruggaber, A. Albold, G. Seckmeyer, and P. Koepke (1999), Method to determine snow albedo values in the UV for radiative transfer modelling. Appl. Opt., 38 (18), 3869-3875. Setlow, R. B. (1974), The wavelength in sunglight effective in producing skin cancer: a theoretical analysis. in Proceedings of the National Academy of Science, 71, 3363-3366. Die Balken repräsentieren Werte der mittleren täglichen Strahlungsexposition unter Berücksichtigung der beobachteten Bewölkungsverhältnisse, die darüber liegenden Markierungen entsprechen wolkenlosen Bedingungen bei sonst unverändertem Zustand der Atmosphäre. Zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der UV-Strahlung wurde der modellierte Zeitraum in 3 Intervalle von 1968-80, 1981-90 und 1991-2000 aufgeteilt. Aufgrund seiner Position von knapp 1000 m über NN sowie seiner südlicheren Lage weist der Hohe Peissenberg im Vergleich zu Würzburg im Durchschnitt höhere UV-Werte auf. Für wolkenlose Bedingungen während des Sommerhalbjahres beträgt der Unterschied etwa 10 %. Ursachen hierfür liegen in einer Abnahme der Streuung mit zunehmender Höhe und der größeren Sonnenhöhe im Süden. Die wolkenlosen Simulationen zeigen für beide Stationen eine durch die Abnahme des Ozons hervorgerufene Zunahme der UV-Exposition in der Größenordnung von 10 %. Bei Berücksichtigung der Bewölkung zeigt sich ein ähnliches Verhalten mit einer grundsätzlich steigenden Tendenz in den vergangenen 30 Jahren. Für einige Monate (z. B. Juli, September) wird der ozonbedingte Anstieg jedoch durch eine Bewölkungszunahme über-kompensiert. Rekonstruktion der jährlichen UV-Exposition für unterschiedliche photobiologische Wichtungen für die Stationen Hoher Peissenberg und Würzburg. Die Werte basieren auf STAR-Modellsimulationen unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter mit einer zeitlichen Auflösung von einer Stunde. UVA: 315-400 nm ungewichtet UVB: 280-315 nm ungewichtet ERY: Wirkungsspektrum Erythem nach CIE (McKinley and Diffey, 1987) PLANT: Wirkungsspektrum nach Caldwell et al., 1986 DNA: Wirkungsspektrum nach Setlow, 1974 Die Abbildung zeigt die Änderung der für die menschliche Haut relevanten UV-Strahlung in der Vergangenheit in Form der monatlichen mittleren Tagesexposition erythemwirksamer UV-Strahlung (HERY), gemittelt für Blöcke von 10 Jahren, jeweils für eine Station in Südbayern (Hoher Peissenberg) und in Nordbayern (Würzburg). UV-Szenarien für zukünftige Klimaverhältnisse Sun-burn day (SBD) Die Häufigkeit der Tage, an denen ein Mensch mit bestimmtem Hauttyp Gefahr läuft, einen Sonnenbrand zu erleiden wird über einen von uns definierter Sun-burn day bestimmt. Ein Tag wird als SBD gezählt, wenn innerhalb von 2 Stunden eine bestimmte, hauttypabhängige Grenzexposition HSBD überschritten wird (Werte siehe Tabelle unten). Der mit dem Hauttyp größer werdende Vorfaktor im Vergleich zur MED (Minimale erythemwirksame Dosis) trägt der zunehmenden Eigenschutzmöglichkeit der menschlichen Haut Rechnung. (Sonnenschutzfaktor durch Bräunung erreicht Werte bis 4) Beispiel: Mittlere tägliche UV-Exposition Die gezeigten UV-Expositionswerte beruhen auf UV-Simulationen gerechnet für jeweils 5 Jahre unter 1xCO2- (um 1990) und 2xCO2-Klimabedingungen (um 2050). Gezeigt sind die Resultate für 6 Stationen in Bayern. Das obere Diagramm jeder Einzelgrafik zeigt dabei die mittlere Tagesexposition mit erythemgewichteter UV-Strahlung für jeden Monat. für beide Klimaszenarien, sowie mit und ohne Berücksichtigung von Wolken. Die beiden unteren Dia-gramme präsentieren die prozentuale Veränderung zwischen 1xCO2- und 2xCO2-Klimabedingungen und zwar für wolken-lose Bedingungen (unten), sowie unter Berücksichtigung von prognostizierten Bewölkungsänderungen (mitte). Aufgrund der prognostizierten Erholung der Ozonschicht für die zu erwartenden Klimabedingungen unter Annahme einer CO2-Verdoppelung ist für wolkenlose Verhältnisse ganzjährig mit einem Rückgang der mittleren täglichen UV-Exposition in der Größenordnung von 5-10 % zu rechnen (untere Kurven). Durch eine prognostizierte Abnahme der Bewölkung wird dieser Erholungseffekt jedoch während der Sommermonate überkompen-siert (mittlere Grafik). Hier wird ein Anstieg der UV-Exposition im Bereich von 5 bis 20 % im Vergleich zu den Bedingungen um 1990 vorhergesagt. UV-Modellierung Die Modellierung erfolgte mittels STAR auf 3-stündlicher Basis. Die für die Modellierung notwendigen Zukunftsszenarien der relevanten atmosphärischen Parameter wurden folgender-maßen ermittelt: Gesamtozongehalt: aus Resultaten des gekoppelten Modells ECHAM/CHEM (Reuder et al., 2001) Aerosol: typischer stationsabhängiger Jahresgang, keine Veränderung zwischen 1CO2 und 2CO2-Klima Albedo: Schneealbedo aus Schneehöhe und Termin des letzten Schneefalls aus regionalen Klima-simulationen mit MM5/MCCM (Schwander et al., 2001) Wolken: Bestimmung von Bedeckungsgrad und daraus cloud modification factors (CMFs) aus den Feuchtefeldern (relative Feuchte, Flüssigwasser und Eiswasser) der regionalen Klimasimula-tionen mit MM5/MCCM Hauttyp MED HSBD [J/m²] [J/m²] I 200 1.5 x MEDI 300 II 250 2 x MEDII 500 III 350 3 x MEDIII 1050 IV 450 4 x MEDIV 1800 Danksagung: Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Bay-erischen Forschungsverbundes BayFORUV “Erhöhte UV-Strahlung in Bayern: Folgen und Maßnahmen” erzielt, das Projekt D1 wurde hierbei vom Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (StMLU) finanziert. Arbeitsgruppe für Strahlung und Fernerkundung Theresienstrasse 37, 80333 München, Germany E-mail: peter.koepke@lrz.uni-muenchen.de jreuder@lrz.uni-muenchen.de