Investigations to quantify individual exposure to solar ultraviolet erythemal radiation including cloud meteorological impact

Abstract

Combined meteorological and dosimetric ultraviolet (UV) erythemal radiation (UVER) measurements were performed in 2016 and 2017. Based on collected data sets the actual UVER exposure of outdoor working probands is determined and compared to the globally available UVER dose during their working shifts. The highest absolute UVER dose (7.94 SED) was measured by a track worker which is 23.4% of the maximum possible UVER dose. For each combined measurement event the UV index (UVI) is calculated based on horizontally collected global dosimetric UVER data and compared to the respective public UV hazard forecast provided by the German Meteorological Service (DWD). As a result, the actual UVI is never overestimated. For 56% of the cases UVI forecast and corresponding measurement agree with an absolute difference of 1 UVI. In one case differences up to 8 UVI are observed. The cloud meteorological impact on personal UVER exposure is investigated based on horizontally collected dosimetric UVER data of 16 and 17 August 2016 in Jena. A nonlinear regression was performed to derive a clear sky UVER data set for both days. For both the measured and estimated UVER data sets SimUVEx model simulations were performed. By comparing these simulation results the cloud meteorological impact on the UVER exposure of a human posture is determined and visualized. The trunk front anatomical zone shows the largest relative global UVER dose increase (19.2%). The relative diffuse UVER dose increase, however, is found to be significantly lower and amounts to the same value (3.6%) for all anatomical zones. On 6 and 7 April 2017 meteorological and dosimetric UVER measurements were also performed in Didcot, England. Both days were characterized by clear-sky conditions in the morning and the afternoon with the development of shallow stratocumulus clouds (SSC) around noon. On 7 April a low-ozone event occurred being characterized by a 34 DU (Dobson Unit) drop in total stratospheric ozone content. Compared to 6 April, the ozone mini-hole caused UVER dose increases of 2.67 standard erythema dose (SED) for the diffuse and 4.32 SED for the global radiation part being characterized by radiation amplification factors (RAF) of 1.62 and 1.52, respectively. As innovation the RAF is decomposed into two parts, named cloud ozone factor (COF) and radiation amplification factor based on measured data (RAFm), to quantify the low-ozone event's effect and the SSC influence in independently modifying the UVER doses. Hereby the weight of each of these two effects acting during the same low-ozone event is expressed by the new COF. In this case the COF values range between -0.13 and -0.11 for diffuse UVER and -0.03 to -0.07 for the global UV and UV-B parts. A positive COF value (0.18) results for the global UV-A range. For this event also a mean spectral COF is calculated based on global UVER spectroradiometer data. As a result the minimum mean spectral COF values amount to ~0.02 in the spectral range between 305 - 310 nm indicating almost no cloud impact on the UVER dose ratio despite cloudy conditions.

In den Jahren 2016 und 2017 wurden Messungen durchgeführt bei denen sowohl meteorologische Daten als auch dosimetrische Daten der erythemgewichteten ultravioletten (UV) Sonnenstrahlung (engl.: ultraviolet erythemal radiation (UVER)) gesammelt wurden. Basierend auf diesen Messungen wird die UVER-Exposition von im Freien arbeitenden Probanden bestimmt und mit der während ihrer Schicht tatsächlich verfügbaren globalen UVER Dosis verglichen. Die höchste absolute UVER Dosis (7.94 SED) wurde von einem Gleisarbeiter gemessen, was einem Anteil von 23.4% der maximal verfügbaren Dosis entspricht. Auf der Basis der globalen UVER Dosimeterdaten wird außerdem der UV-Index (UVI) zu jeder Messung bestimmt und mit der UV-Index Vorhersage des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der tatsächliche UV Index generell nie überschätzt wird. Für 56% der Fälle stimmen prognostizierter und gemessener UV Index mit einer maximalen Differenz von 1 UVI überein. In einem Fall wird eine Differenz von 8 UVI beobachtet. Der meteorologische Einfluss in Form von Wolken auf die individuelle UVER-Exposition wird mit Hilfe von dosimetrischen UVER-Daten untersucht, die am 16. und 17. August 2016 mit horizontal ausgerichteten Dosimetern gemessen wurden. Auf der Grundlage dieser Dosimeterdaten wurde mittels einer nichtlinearen Regression ein Datensatz zur Abschätzung der UVER-Exposition für wolkenlose Bedingungen erzeugt. Mit beiden Datensätzen wurden SimUVEx-Modellsimulationen durchgeführt, wobei jeweils die individuelle UVER-Exposition bezogen auf die anatomischen Zonen einer menschenähnlichen Figur bestimmt wurde. Durch Vergleich der Simulationsergebnisse wird der Wolkeneinfluss auf die individuelle UVER-Exposition quantifiziert und visualisiert. Für den Körperbereich Rumpf-Vorderseite ergibt sich die stärkste relative Änderung der globalen UVER Dosis (19.2%). Die relative Änderung der diffusen UVER Dosis stellt sich hingegen als bedeutend kleiner heraus und ist betragsmäßig identisch für alle Körperbereiche (3.6%). Weitere meteorologische sowie dosimetrische Messungen der UVER-Exposition fanden am 6. und 7. April 2017 in Didcot, England, statt. Beide Messtage waren sowohl morgens als auch ab dem späteren Nachmittag durch wolkenlose Bedingungen charakterisiert, wobei sich jeweils über die Mittagsstunden flache Stratocumulus Bewölkung entwickelte. Am 7. April ereignete sich zudem ein 'low-ozone event' (Mini-Ozonloch), das durch einen Abfall des stratosphärischen Ozongehalts von 34 DU (engl.: Dobson Unit) charakterisiert ist. Im Vergleich zum Vortag (6. April) stieg die UVER-Dosis im gleichen Zeitraum bedingt durch das Mini-Ozonloch um 2.67 SED (engl.: standard erythema dose) bezogen auf die diffuse und um 4.32 SED bezogen auf die globale UVER Dosis. Dies entspricht einem Strahlungsverstärkungsfaktor (engl.: radiation amplification factor (RAF)) von 1.62 beziehungsweise 1.52. Als Innovation wird der RAF bei den durchgeführten Analysen in zwei Teile zerlegt, den Wolken-Ozon Faktor (engl.: cloud ozone factor (COF)) und den auf gemessenen UVER-Werten basierenden Strahlungsverstärkungsfaktor (engl.: RAFm), um die voneinander unabhängigen Effekte von Mini-Ozonloch und Stratocumulus-Bewölkung auf die UVER-Dosis zu bestimmen. Dabei drückt der COF das relative Gewicht der beiden Prozesse aus. Im untersuchten Fall weist der COF Werte zwischen -0.13 und -0.11 für diffuse UVER sowie Werte zwischen -0.03 und -0.07 für den globalen UVER beziehungsweise den UV-B Teil auf. Für den globalen UV-A Anteil ergibt sich ein positiver COF von 0.18. Zusätzlich konnte für dieses Event ein spektraler COF auf der Basis von Spektralradiometer-Messungen bestimmt werden. Für den Wellenlängenbereich zwischen 305 und 310 nm ergeben sich minimale spektrale COF-Werte von ~0.02, was bedeutet, dass das Verhältnis von gemessenen UVER-Dosen (mit Bewölkung) näherungsweise identisch zum Verhältnis der geschätzten UVER-Dosen (wolkenlose Bedingungen) ist.