移動式極地大氣參數(shù)測量系統(tǒng)I.研制與試觀測

田啟國 柴博 吳曉慶 姜鵬，2 紀(jì)拓，2 金鑫淼 周宏巖，2

（1中國極地研究中心，上海200136；2中國科學(xué)院中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系星系宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230026；3中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

0 引言

中國南極昆侖站所在地Dome A是南極冰蓋海拔最高、溫度和水汽含量最低，并且具有連續(xù)黑夜的地區(qū)，這些獨(dú)特的自然條件使得這里有著紅外天光背景暗，大氣透過率高、邊界層低、視寧度小等極佳的發(fā)展天文學(xué)研究的潛質(zhì)［1-2］。受盛行下降風(fēng)的影響，南極地區(qū)風(fēng)速從冰蓋最高點(diǎn)向沿海方向逐漸增大，在各大冰穹處風(fēng)速很?。?］，最適宜開展天文觀測。

在過去的20年里，在南極地區(qū)陸續(xù)開展了大量的天文臺址參數(shù)測量工作，首先開展該項(xiàng)工作的考察站是南極點(diǎn)附近的阿蒙森-斯科特站。Ashley等［4］、Nguyen等［5］和Phillips等［6］使用紅外光度計(jì)在南極點(diǎn)地區(qū)開展的紅外天光背景亮度監(jiān)測顯示，該地區(qū)的紅外天光背景亮度在2.27—2.45μm宇宙窗附近比常規(guī)臺址要低兩個量級。溫度脈動儀［7］、聲雷達(dá)（SODAR：Sound Detection and Ranging）［8］和差分像運(yùn)動監(jiān)視器（DIMM：Differential Image Motion Monitor）［9］的觀測結(jié)果顯示，南極點(diǎn)地區(qū)的視寧度約為1.8角秒，與常規(guī)臺址相比并無明顯優(yōu)勢，但這一地區(qū)的平均邊界層厚度僅有～220 m［7］，而且等暈角和大氣相干時(shí)間好于任何常規(guī)臺址?，F(xiàn)在南極點(diǎn)地區(qū)已經(jīng)安裝了世界級的10 m口徑毫米／亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SPT：South Pole Telescope）［10］。Dome C的海拔（3 250 m）比南極點(diǎn)（2 840 m）更高，而且風(fēng)速更小，理論上臺址情況要優(yōu)于南極點(diǎn)［11］。Lawrence等［12］使用MASS（Multi-Aperture Scintillation Sensor）和SODAR的觀測結(jié)果顯示Dome C高度30 m以上的平均視寧度僅為0.27角秒。雖然Agabi等［13］使用DIMM和溫度脈動儀觀測結(jié)果顯示，Dome C近地面的平均視寧度（約1.3角秒）和南極點(diǎn)相比沒有本質(zhì)的改觀［14］，紅外天光背景亮度也很接近［15］，但它的邊界層厚度只有～36 m，也就是說只要把望遠(yuǎn)鏡架高到36 m以上，就可以獲得類空間的觀測條件。Dome C優(yōu)異的臺址觀測結(jié)果極大地激發(fā)了天文工作者在南極冰蓋最高點(diǎn)Dome A（海拔4 093 m）的選址工作［16-17］。Bonner等［18］使用SODAR得到Dome A的平均邊界層厚度僅有13.9 m，比Dome C還要薄，這顯示Dome A可能有著世界上最適宜的天文觀測條件。南京天文與光學(xué)技術(shù)研究所在測量Dome A視寧度方面做了大量的工作，利用他們研制的CSTAR（Chinese Small Telescope ARray）［19］可以對Dome A視寧度進(jìn)行間接評估，而且他們也研制了DIMM對直接測量Dome A視寧度做了嘗試［20］。另外，在第24次南極科學(xué)考察期間，中國科學(xué)院國家天文臺也在Dome A嘗試安裝了配備三層風(fēng)速探測器的高度為17 m的塔，雖然沒有運(yùn)行，但為將來的工作做了經(jīng)驗(yàn)積累。除了位于Dome A的昆侖站外，中國還將在第30次南極科學(xué)考察期間建立中國第二個內(nèi)陸站——中國南極泰山站。泰山站位于中山站和昆侖站之間，它優(yōu)越的地理位置可為在這里開展天文觀測提供充分的后勤保障。

大氣湍流是造成望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量下降的主要原因，與大氣湍流強(qiáng)度的高度分布成定量關(guān)系的視寧度是衡量天文臺址優(yōu)劣的重要指標(biāo)。除視寧度外，等暈角θ0、相干時(shí)間τ0等天文臺址參數(shù)都與的高度分布之間發(fā)生聯(lián)系。通過使用球載［21］和塔載［7］多層溫度脈動儀測量的高度分布是在常規(guī)臺址和南極獲得視寧度等臺址參數(shù)的常用方法。1996年Marks等［7］在27 m高的塔上安裝了3層溫度脈動儀，獲得了南極點(diǎn)地區(qū)的視寧度。本文研制的移動式極地大氣參數(shù)測量系統(tǒng)，使用塔載單層溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)［22-23］，兩層溫度濕度、風(fēng)速風(fēng)向傳感器，以及氣壓與地表輻射溫度傳感器，分別實(shí)現(xiàn)近地面和常規(guī)氣象參數(shù)的測量。通過在合肥和上海兩地約500 h的測試運(yùn)行顯示，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)兩種方法得到的符合得較好。在國內(nèi)試運(yùn)行結(jié)束后，儀器將隨中國第30次南極科學(xué)考察隊(duì)運(yùn)往泰山站，在度夏期間首次開展泰山站的測量、在越冬期間首次開展中山站的測量；計(jì)劃在第31次南極科學(xué)考察期間，儀器將運(yùn)往昆侖站開展昆侖站近地面的測量。在完成這些前期測量工作和經(jīng)驗(yàn)積累后，將對儀器進(jìn)行改造，安裝多層測量裝置，對中國內(nèi)陸站近地面大氣湍流強(qiáng)度的高度分布進(jìn)行測量，進(jìn)而得到視寧度等關(guān)鍵天文臺址參數(shù)，為今后大型望遠(yuǎn)鏡的安裝做好必要的積累。

1 移動式極地大氣參數(shù)測量系統(tǒng)組成

如圖1所示，移動式極地大氣參數(shù)測量系統(tǒng)由CR5000數(shù)據(jù)采集器、CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)、溫度脈動儀、HMP155溫度濕度傳感器、05103V風(fēng)速風(fēng)向傳感器、SI-111紅外溫度計(jì)、CS106氣壓計(jì)、485數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電系統(tǒng)、3 m高支架等組成。其中CR5000數(shù)據(jù)采集器由美國Campbell公司生產(chǎn)，該采集器集成了測量、控制、計(jì)算和存儲單元，在內(nèi)置的操作系統(tǒng)平臺上，實(shí)現(xiàn)可編程功能，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)和溫度脈動儀可分別獨(dú)立完成的測量。在0.5 m和2 m的兩個高度上分別安裝了HMP155溫度濕度傳感器和05103V風(fēng)速風(fēng)向傳感器。485模塊用于數(shù)據(jù)傳輸。供電系統(tǒng)將考察站交流發(fā)電機(jī)提供的220 V交流電轉(zhuǎn)化為測量系統(tǒng)所需的12 V直流電。配備的蓄電池可以在交流電斷開的情況下連續(xù)供電約100 h。系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

光波在大氣中傳輸會受到小尺度范圍內(nèi)折射率起伏的影響，這些起伏將引起光束擴(kuò)展、光斑抖動和相干性退化。我們把折射率場的變化主要是由溫度起伏引起的湍流稱為光學(xué)湍流。度量光學(xué)湍流強(qiáng)度的量為折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在局地均勻各向同性湍流假定下，和空間兩點(diǎn)間距離 r存在如下關(guān)系［24］，

對于可見光和近紅外光波段，折射率的起伏主要是由溫度起伏引起的。因此在給定的高度，可直接由溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)得到［25］，

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The schematic diagram of the apparatus

表1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1.Key technical index of the apparatus

其中P（h）和T（h）分別是給定高度上的氣壓（hPa）和氣溫（K）。因此由式（2）通過測量慣性區(qū)內(nèi)空間兩點(diǎn)溫差的平方平均得到，再由式（3）得到這一方法稱為雙點(diǎn)溫差測量法。溫度脈動儀采用雙點(diǎn)溫差測量法，通過兩個相距一定距離（通常是1 m）的微溫探頭測量空間兩點(diǎn)溫差，得到微溫探頭采用直徑為10μm，電阻為10—20Ω的金屬鉑絲，其電阻與溫度的關(guān)系是，

其中R0是在溫度為T0時(shí)金屬絲的電阻，α是金屬絲溫度電阻系數(shù)。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，金屬絲電阻值的變化為，

電阻值的變化，經(jīng)不平衡電橋轉(zhuǎn)化為電壓的變化，電壓放大器輸出的電壓變化ΔV和溫度變化ΔT一一對應(yīng)，

其中A是標(biāo)定系數(shù)，它是通過使用與微溫探頭阻值相近且溫度系數(shù)很小的固定電阻得到的。通過已知的電阻變化ΔR′，測量出溫度脈動儀輸出電壓變化ΔV′。由式（5）和（6）即可得到標(biāo)定系數(shù)A＝αR0ΔV′／ΔR′。因此，使用溫度脈動儀測量空間兩點(diǎn)溫差的平方平均得到溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)再由式（3）即可得到

三維超聲風(fēng)速計(jì)是利用多普勒效應(yīng)以及聲速是溫度和濕度的函數(shù)關(guān)系，通過測量三個非正交軸上一定距離的超聲波脈沖傳輸時(shí)間，通過坐標(biāo)變換，得到風(fēng)速的三個分量以及超聲氣溫。三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的超聲氣溫Ts與氣溫T有如下關(guān)系：

q為比濕。通常大氣比濕＜40 g／kg，而作為世界上最干燥地區(qū)的南極，濕度的影響可以忽略，所以三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的超聲氣溫可以當(dāng)成氣溫。

由于三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的是空間單點(diǎn)超聲氣溫起伏時(shí)間序列數(shù)據(jù)，因此需要在泰勒假定下，結(jié)合風(fēng)速將空間一點(diǎn)測量的氣溫時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成空間兩點(diǎn)溫差，再由式（8）計(jì)算慣性區(qū)內(nèi)兩點(diǎn)溫差的平方平均得到這一方法稱為單點(diǎn)溫度測量法。

式中τ是時(shí)間間隔。通常取空間長度為1 m，τ大小由實(shí)測的平均風(fēng)速確定。

3 結(jié)果與討論

儀器性能測試在合肥和上海兩地進(jìn)行。在合肥測試期間，儀器安裝在安徽光機(jī)所大氣光學(xué)中心樓頂，溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的安裝高度距離地面約14 m，距離樓頂表面約2 m，在2013年9月18日到9月21日期間測試了4天，獲得了約100 h的測量數(shù)據(jù)；在上海測試期間，儀器安裝在中國極地研究中心主樓樓頂，溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的安裝高度距離地面約20 m，距離樓頂表面約2 m，在2013年10月12日到10月29日期間測試了18天，獲得了約400 h的測量數(shù)據(jù)。儀器的在線程序每20 s統(tǒng)計(jì)一次測量結(jié)果，為清楚起見，本文中展示的測量結(jié)果是10 min內(nèi)的平均值。

如圖2所示是在合肥測試期間使用溫度濕度傳感器HMP155測量的距離樓頂表面0.5 m和2.0 m高度處的氣溫，同時(shí)也給出了使用紅外溫度計(jì)SI-111測得的地表溫度；相應(yīng)高度處相對濕度的測量結(jié)果如圖3所示，圖中的0 h和2013年9月18日的0：00對應(yīng)。如圖4所示是使用風(fēng)速風(fēng)向傳感器05103V測得的距離樓頂表面0.5 m和2.0 m高度處的風(fēng)速，以及使用三維超聲風(fēng)速計(jì)測得的風(fēng)速，結(jié)果顯示在2.0 m高度處兩種方法測得的風(fēng)速大小符合得很好。如圖5所示是使用氣壓計(jì)CS106測得的大氣壓。

圖2 HMP155溫度濕度傳感器測量的0.5 m、2.0 m高度處氣溫和SI-111紅外溫度計(jì)測量地表輻射溫度的比較Fig.2.Comparison between temperature at 0.5 m and 2.0 m level measured by HMP 155 temperature＆humidity sensors and the surface temperature observed by SI-111 infrared thermometer

圖3 HMP155溫度濕度傳感器測量的0.5 m和2.0 m高度處相對濕度的比較Fig.3.Comparison of the relative humidity at0.5 m and 2.0 m levelmeasured by HMP 155 temperature＆humidity sensors

如圖6給出了在合肥測試期間使用溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測得的結(jié)果，該結(jié)果顯示兩者變化趨勢和量級基本一致，在日出和日落時(shí)測量結(jié)果出現(xiàn)極小值，在正午測量結(jié)果呈現(xiàn)最大值。大約在每天的8：00—17：00之間兩種測量方法得到的符合得很好，在晚上由于大氣湍流強(qiáng)度變小，低于三維超聲風(fēng)速計(jì)的儀器噪聲，三維超聲風(fēng)速計(jì)的測量結(jié)果偏大。

圖4 風(fēng)速風(fēng)向傳感器05103V測量的0.5 m、2.0 m高度處風(fēng)速和三維超聲風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速的比較Fig.4.Comparison between wind speed at 0.5 m and 2.0 m measured by 05103V wind speed＆direction sensors and that by CSAT3

圖5 CS106氣壓計(jì)測量氣壓的日變化Fig.5.The daily variation of atmospheric pressuremeasured by CS106 barometer

圖6 在合肥用溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的日變化比較Fig.6.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Hefei

圖7展示了在上海測試期間，從2013年10月 20日到10月23日4天典型的測量結(jié)果。與合肥的測量結(jié)果類似，兩種測量方法得到的結(jié)果具有同步的周期性變化，而且在白天湍流較強(qiáng)時(shí)兩者符合得很好，晚上湍流較弱時(shí)，三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的結(jié)果則高于溫度脈動儀的測量結(jié)果。

圖7 在上海用溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測量的日變化比較Fig.7.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Shanghai

4 結(jié)論

本文研制了配備溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的移動式極地大氣參數(shù)測量系統(tǒng)，用于測量新建泰山站、中山站以及昆侖站的大氣湍流強(qiáng)度和常規(guī)氣象參數(shù)。在合肥和上海兩地進(jìn)行的總共約500 h的儀器性能測試顯示，儀器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，使用溫度脈動儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)兩種方法測得的符合得很好。儀器將在第30次中國南極科學(xué)考察泰山站建站期間開展泰山站測量、在越冬期間首次開展中山站測量，并計(jì)劃在第31次南極科學(xué)考察期間開展昆侖站近地面測量。然后對儀器進(jìn)行改造，安裝多層測量裝置，對中國內(nèi)陸站近地面大氣湍流強(qiáng)度的高度分布進(jìn)行測量，進(jìn)而得到視寧度等關(guān)鍵天文臺址參數(shù)，為今后大型望遠(yuǎn)鏡的安裝做好必要的積累。

致謝非常感謝南京天文與光學(xué)技術(shù)研究所袁祥巖研究員對我們工作的支持和早期的討論，感謝中國極地研究中心鄒正定機(jī)械師在儀器調(diào)試期間以及在泰山站觀測過程所做的大量工作，感謝中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所碩士研究生汪平在儀器調(diào)試期間給予的大量幫助。

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