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UV Index forecasting on a global scale

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Abstract:

A method is presented to forecast the UV Index (UVI) on a global scale for up to 3 days, taking into account ozone, aerosol, cloudiness, altitude and albedo. Particular consideration is made for the adjustment of the UVI to altitude and for seasonal changes in aerosol optical depth. The UVI describes the level of erythemal weighted solar irradiance and consequently is an indicator of the potential for skin damage by UV radiation. Thus the UVI is an important vehicle to raise public awareness of the risks of UV radiation, and forecasted UVI may help to adapt the human behaviour. The UVI is forecasted by the German Meteorological Service (DWD) using adequate values of the relevant atmospheric and surface properties. The UVI is calculated via lookup tables valid for sea level, clear sky conditions, an aerosol optical depth at 550 nm (AOD) of 0.2, and an albedo of 3 %. The lookup tables have a high resolution in total column ozone and sun zenith angle. The ozone values are forecasted within the global numerical weather prediction model GME of DWD. The module structure of the UV model allows for a subsequent adjustment of UVI to changes in AOD, to the topography, to the albedo of predicted snow, and to forecasted cloudiness, the latter by using empirical cloud modification factors. The factor applied to account for changes in AOD depends on solar zenith angle and on aerosol single scattering albedo, and that for altitude effects additionally on AOD. Since forecasts of AOD are not yet available, regional monthly mean values of AOD have been derived from MODIS and TOMS measurements. The forecasted UVI for all effective atmospheric conditions are compared with measurements at 12 locations in Europe for the summer seasons 1999 and 2003. 80 % of the forecasts for all atmospheric conditions were within the range of ±1 UVI; the predominant error can be attributed to cloudiness.

German
Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem der UV-Index (UVI) vom Deutschen Wetterdienst (DWD) auf einer globalen Skala für bis zu 3 Tage vorhergesagt wird. Dabei werden das Ozon, das Aerosol, die Bewölkung, die Ortshöhe und die Albedo berücksichtigt. Besonders behandelt wird die Anpassung des UVI an die Höhe und die saisonale Variation der optischen Dicke des Aerosols. Der UV-Index ist ein Maß für die erythemgewichtete solare UV-Strahlung und damit für den Menschen potenziell schädigende UV-Wirkungen. Der UVI soll die öffentliche Aufmerksamkeit auf die UV-Risiken und notwendige Schutzmaßnahmen bei UV Exposition lenken; seine Vorhersage kann dazu dienen, das menschliche Verhalten anzupassen. Auf einer globalen Skala wird der UVI mit Hilfe von Lookup-Tabellen bestimmt, deren Werte gültig sind für Meereshöhe, unbewölkten Himmel, eine aerosoloptische Dicke bei 550 nm (AOD) von 0,2 und eine Albedo von 3 %. Die Lookup-Tabellen weisen eine hohe Auflösung in Gesamtozon und Sonnenzenitwinkel auf. Das Ozon wird im globalen Wettervorhersagemodell GME des DWD prognostiziert. Ein modular strukturierter Aufbau des UV-Modells gestattet anschließend die Anpassung des UVI an variable AOD, an die Ortshöhe, an die Albedo vorhergesagten Schnees und an die vorhergesagte Bewölkung. Letztere wird über empirische Wolkenmodifikationsfaktoren berücksichtigt. Die zur Anpassung an wechselnde AOD abgeleiteten Faktoren hängen von der Sonnenhöhe und von den Absorptionseigenschaften des Aerosols ab. Die Faktoren für die Höhenanpassung variieren zusätzlich mit der AOD. Da eine Vorhersage der AOD nicht aktuell verfügbar ist, wurden ortsabhängige monatliche Mittelwerte aus MODIS- und TOMS-Messungen abgeleitet. Die Vorhersage des UVI für alle Wetterbedingungen wurde für die Sommer 1999 und 2003 mit Messungen an 12 Stationen in Europa verglichen. 80 % der Vorhersagen liegen im Bereich von ±1 UV-Index um die Messwerte; der vorherrschende Fehler beruht auf der Bewölkungsvorhersage.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0029

Publication date: April 1, 2005

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