威海天文觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究

徐靖然 ， 王剛， 胡紹明

(1.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院,山東 威海 264209)

光變是活動(dòng)星系核的重要特性，也是觀測(cè)研究活動(dòng)星系核中心結(jié)構(gòu)、物理過程的重要手段.使用天文觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)活動(dòng)星系核進(jìn)行測(cè)光或光譜觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域或頻域的分析研究是獲得這類天體光變及其他物理信息最常用的手段.盡管當(dāng)今的天文觀測(cè)已進(jìn)入全波段的時(shí)代，但地面的光學(xué)觀測(cè)仍然是非常重要的觀測(cè)波段，而地面光學(xué)觀測(cè)會(huì)受大氣條件等諸多因素影響[1-4].

光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)是通過望遠(yuǎn)鏡收集天體光學(xué)波段的電磁輻射，進(jìn)而傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)的系統(tǒng).利用光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)活動(dòng)星系核時(shí)，研究的科學(xué)目標(biāo)對(duì)測(cè)光精度、信噪比、時(shí)間覆蓋、采樣率、探測(cè)極限等提出了要求，通常在高的地平高度角、良好的大氣視寧度、均勻的溫度分布、較低的濕度、較小的風(fēng)力等條件下進(jìn)行觀測(cè)可獲取較為理想的觀測(cè)數(shù)據(jù).基于活動(dòng)星系核觀測(cè)研究對(duì)望遠(yuǎn)鏡設(shè)備及觀測(cè)條件的要求，需要對(duì)天文臺(tái)的氣象環(huán)境進(jìn)行測(cè)量和分析，以期制定科學(xué)合理的長(zhǎng)期觀測(cè)計(jì)劃，在觀測(cè)條件較好的季節(jié)或時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量.同時(shí)當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)期光變研究時(shí)，需要考慮觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間覆蓋、采樣率等因素，需要掌握觀測(cè)臺(tái)站長(zhǎng)年的觀測(cè)氣象條件規(guī)律，從而對(duì)大樣本觀測(cè)目標(biāo)制定全年長(zhǎng)期的科學(xué)觀測(cè)計(jì)劃，減少各種不良因素對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響.

氣象條件是天文臺(tái)址選擇中的一項(xiàng)重要因素，自20世紀(jì)60年代開展的天文觀測(cè)臺(tái)址勘測(cè)以來[5-9]，人們逐漸發(fā)展并制定了一套評(píng)估觀測(cè)臺(tái)址好壞的標(biāo)準(zhǔn)，從而為臺(tái)址的選擇設(shè)立了一套科學(xué)參數(shù)體系[10-11].影響天文臺(tái)觀測(cè)活動(dòng)的參數(shù)一般被分為三個(gè)部分：普查參數(shù)、定點(diǎn)觀測(cè)參數(shù)和其他參數(shù).其中，定點(diǎn)觀測(cè)參數(shù)主要包括：大氣視寧度(大氣的湍流分布)、大氣中積分水汽的含量、夜天光影響和氣象學(xué)參數(shù).氣象學(xué)參數(shù)主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度等參數(shù).

本文利用威海天文臺(tái)的天文觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)，通過將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選比對(duì)，統(tǒng)計(jì)2008年至2015年間溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出威海天文臺(tái)氣象數(shù)據(jù)的規(guī)律性與分布特征，從而為威海天文臺(tái)觀測(cè)活動(dòng)星系核等天體觀測(cè)策略的制定提供科學(xué)指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，也為設(shè)備的安全長(zhǎng)期運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù).

1 觀測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

山東大學(xué)威海天文臺(tái)(威海市天文臺(tái))位于東經(jīng)122° 02′ 58.6″，北緯37° 32′ 09.3″.當(dāng)?shù)貙俦睖貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退明顯.與同緯度內(nèi)陸地區(qū)相比，具有氣候溫和的特點(diǎn).天文臺(tái)位于山東大學(xué)威海校區(qū)瑪珈山頂，海拔110 m.瑪珈山北鄰黃海，其海面空氣溫度相對(duì)穩(wěn)定，大氣湍流較弱，適宜于天文觀測(cè)活動(dòng)的開展.

山東大學(xué)威海天文臺(tái)有東西兩座天文臺(tái)，東天文臺(tái)配有30 cm的折射式望遠(yuǎn)鏡，主要用于教學(xué)任務(wù)及對(duì)外科普等工作.西天文臺(tái)安裝1.0 m口徑反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡.主要開展活動(dòng)星系核、空間碎片、系外行星及變星等方面的觀測(cè)研究.

2 數(shù)據(jù)采集

山東大學(xué)威海天文臺(tái)配套有氣象站，氣象站有溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等傳感器，可實(shí)時(shí)獲取天文觀測(cè)氣象數(shù)據(jù).氣象站配置了Weatherlink數(shù)據(jù)采集軟件，此軟件具有控制自動(dòng)氣象站的功能，可以對(duì)氣象站的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的下載，此外還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?

本研究使用了威海天文臺(tái)自2008年6月2日至2015年3月11日間近7年的天文觀測(cè)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中從2008年6月2日至2008年6月26日是以30 min為采樣間隔，2008年6月27日至2015年3月11日是以5 min為步長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,主要包括以下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：

(1)Temp Out：溫度傳感器讀數(shù)，即溫度傳感器測(cè)量周圍環(huán)境在一段時(shí)間間隔內(nèi)的平均溫度.此外，Weatherlink軟件中還將每一段時(shí)間間隔內(nèi)的最大溫度和最小溫度予以記錄；

(2)Out Hum：濕度傳感器讀數(shù)，即濕度傳感器測(cè)量周圍環(huán)境中一段時(shí)間內(nèi)的平均濕度.

(3)Wind Speed：風(fēng)速，即風(fēng)速傳感器測(cè)量周圍環(huán)境中一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速.此外，Weatherlink軟件還將每一段時(shí)間間隔內(nèi)的最大風(fēng)速進(jìn)行記錄.風(fēng)速的測(cè)量精度為1 m/s，測(cè)量范圍為1-68 m/s.

(4)Wind Direction：風(fēng)向，傳感器測(cè)量周圍環(huán)境一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向.Weatherlink軟件中將風(fēng)向分為N(北)、NNE(北東北)、NE(東北)、ENE(東東北)、E(東)、ESE(東東南)、SE(東南)、SSE(南東南)、S(南)、SSE(南西南)、SW(西南)、WSW(西西南)、W(西)、WNW(西西北)、NW(西北)、NNW (北西北)共16個(gè)方位，如圖1所示.此外，Weatherlink軟件還將每一段時(shí)間內(nèi)最大風(fēng)速的風(fēng)向進(jìn)行了記錄.

圖1 風(fēng)向16方位圖

除以上介紹的數(shù)據(jù)參數(shù)之外，氣象站還采集了露點(diǎn)溫度、大氣壓力及風(fēng)速總量等參數(shù).

3 數(shù)據(jù)處理

氣象站記錄數(shù)據(jù)為TXT格式，其數(shù)據(jù)參數(shù)較多且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，因此進(jìn)行研究分析前需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理.此外，測(cè)量設(shè)備損壞或失靈會(huì)造成一些時(shí)間段內(nèi)測(cè)量的某項(xiàng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或者空缺，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選.數(shù)據(jù)篩選中以盡可能最大化利用原始數(shù)據(jù)、剔除無效數(shù)據(jù)并且保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效性為準(zhǔn).

研究中使用IDL語言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，首先從原始數(shù)據(jù)中對(duì)夜間天文觀測(cè)可能造成影響的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選出的參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向.基于威海當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢茫铋L(zhǎng)觀測(cè)夜時(shí)間段為每天17：00至次日7：00，因此每天只篩選此時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù).隨后剔除初步篩選后數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄下長(zhǎng)時(shí)間無效數(shù)據(jù)的時(shí)間區(qū)間，以防止其影響數(shù)據(jù)按月、季節(jié)分析的結(jié)果.最后將篩選處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔輸出，用于之后的統(tǒng)計(jì)分析.

4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

氣象學(xué)中對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等物理參量有具體明確的定義[12].本研究中對(duì)篩選數(shù)據(jù)中溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)在年度、季度、月份的均值和分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，此外還對(duì)日平均數(shù)據(jù)進(jìn)行了單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)研究.

4.1 溫度分析

溫度變化會(huì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和CCD相機(jī)及圓頂?shù)入娍卦O(shè)備的工作性能產(chǎn)生一定影響.溫度梯度變化也會(huì)影響大氣視寧度從而影響觀測(cè)效率與觀測(cè)質(zhì)量，甚至對(duì)觀測(cè)設(shè)備造成損傷.

圖2 溫度分布圖

圖2是威海天文臺(tái)2008年至2015年的溫度變化及分布圖.從圖中可以看出，威海天文臺(tái)的溫度分布呈現(xiàn)出周期為1 a的周期性規(guī)律，七年溫度的平均值為11.9 ℃.

圖3 月平均溫度分布圖

由于7年間有少量時(shí)間段內(nèi)氣象站或者傳感器存在損壞或者維修等原因，因此原始數(shù)據(jù)中存在部分無效數(shù)據(jù)，2011年至2014年之間的數(shù)據(jù)比較完備，故選擇這四年的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的比對(duì)分析.圖3給出了2011年至2014年這4年間的月平均氣溫,可以看出，威海天文臺(tái)每年的月均溫度的分布規(guī)律基本一致，四年內(nèi)最高溫度都出現(xiàn)在8月，月均最高溫度22-26 ℃左右，四年內(nèi)最低溫度都出現(xiàn)在1月，月均最低溫度-2至0 ℃左右.從四年的月均溫度分布來看，威海天文臺(tái)的月均溫度有非常強(qiáng)的規(guī)律性，月均最高溫度和月均最低溫度以及變化趨勢(shì)都基本一致，而且每年的月均溫度的浮動(dòng)范圍都小于5 ℃.

威海天文臺(tái)的溫度適中，年均氣溫變化平緩，這種溫度條件很適宜天文觀測(cè)設(shè)備的使用.

4.2 濕度分析

空氣的相對(duì)濕度會(huì)影響大氣的透過率，從而影響活動(dòng)星系核及其他觀測(cè)的信噪比和探測(cè)極限，同時(shí)會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡鏡片、CCD相機(jī)以及電控設(shè)備等觀測(cè)設(shè)備的性能和使用壽命.當(dāng)濕度過大時(shí)，可能造成望遠(yuǎn)鏡以及CCD相機(jī)鏡面結(jié)霧，大氣透過率也會(huì)大大降低，從而嚴(yán)重影響觀測(cè)效率和觀測(cè)精度等性能指標(biāo).長(zhǎng)時(shí)間在高濕度的環(huán)境中工作還會(huì)縮短儀器的使用壽命，所以應(yīng)當(dāng)盡量避免在高濕度的環(huán)境中進(jìn)行天文觀測(cè).威海天文臺(tái)規(guī)定相對(duì)濕度大于90%就必須關(guān)閉觀測(cè)設(shè)備.

圖4為從2008年至2015年的濕度分布圖，其中包括了250 747組數(shù)據(jù).從七年濕度分布圖中可以看出，威海天文臺(tái)濕度變化有1 a為周期的規(guī)律，年最低濕度都出現(xiàn)在五月左右.圖5為這七年間的日均濕度分布圖，它顯示出的周期性與圖4相一致.

圖4 濕度分布圖

圖5 日均濕度分布圖

圖6 月均濕度分布圖

同溫度分析類似，對(duì)2011年至2014年的濕度數(shù)據(jù)做了月平均統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如圖6所示.從圖中可以看出，這四年內(nèi)相對(duì)濕度的月均變化具有一定的相似性，月均濕度最高都出現(xiàn)在7、8月份，最低都出現(xiàn)在3、5月份.其中，6、7、8月份的月平均濕度都超過了90%.

對(duì)所有相對(duì)濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明濕度低于90%的數(shù)據(jù)量約占75%，而七年間的平均濕度約為76.24%.此外，還對(duì)2011年至2014年間每年的四個(gè)季度：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)的濕度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所示.

表1 濕度分布統(tǒng)計(jì)

從分析結(jié)果可以看出，威海天文臺(tái)的春季、秋季和冬季的濕度平均值均低于75%，濕度相對(duì)較低，濕度大于90%的數(shù)值所占的比例也相對(duì)較低.威海天文臺(tái)的夏季濕度平均值接近規(guī)定關(guān)閉設(shè)備的極限濕度值90%，并且濕度大于90%的占比較高，故不適宜觀測(cè)設(shè)備的使用.僅從濕度的角度考慮，威海天文臺(tái)在春季和冬季觀測(cè)尤佳，應(yīng)盡量避免濕度偏高的夏季觀測(cè).而在濕度較高的月份可考慮對(duì)觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，從而提高觀測(cè)效率，增加高質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)出.

4.3 風(fēng)速及風(fēng)向分析

風(fēng)速是影響視寧度指標(biāo)的重要因素之一，當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，大氣不穩(wěn)定會(huì)嚴(yán)重影響觀測(cè)時(shí)的像斑大小，從而影響觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比和測(cè)光精度等數(shù)據(jù)質(zhì)量.威海天文臺(tái)規(guī)定風(fēng)速大于15 m/s時(shí)，天文觀測(cè)設(shè)備必須關(guān)閉，以避免風(fēng)速過大對(duì)觀測(cè)設(shè)備的損壞和觀測(cè)質(zhì)量的嚴(yán)重下降.

圖7為從2008年至2015年的風(fēng)速分布圖，圖8為日均風(fēng)速分布圖.兩圖都未表現(xiàn)出明顯的周期性規(guī)律.圖9為2011年至2014年每年的月均風(fēng)速分布圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，四年的月均風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致.3、4月份月均風(fēng)速較大，8、9月份相對(duì)較小.總的平均風(fēng)速為4.95 m/s，平均風(fēng)速相對(duì)較小.

圖7 風(fēng)速分布圖

圖8 日均風(fēng)速分布圖

與濕度分析類似，本研究也對(duì)上述風(fēng)速分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中共包含264 652組風(fēng)速數(shù)據(jù).結(jié)果表明，平均風(fēng)速約為4.95 m/s，極值約為8-10 m/s.風(fēng)速大于15 m/s的數(shù)據(jù)約占0.72%,風(fēng)速超標(biāo)數(shù)據(jù)占比較小.此外，為了分析每個(gè)季節(jié)的風(fēng)速特征，還對(duì)2011年至2014年四年四個(gè)季節(jié)的風(fēng)速分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 風(fēng)速分布統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，威海天文臺(tái)的夏季和秋季的風(fēng)速平均值均低于5 m/s，而風(fēng)速大于15 m/s的日期大多集中在春季，即春季風(fēng)速較大，最大風(fēng)速甚至超過了23 m/s.此統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明春季觀測(cè)比較容易受到大風(fēng)的影響.

穩(wěn)定的風(fēng)向也是擁有良好視寧度的重要指標(biāo)之一.圖10展示了2008年至2015年的風(fēng)向統(tǒng)計(jì)圖.從圖中可以明顯看出威海天文臺(tái)的風(fēng)向主要以東和南方向?yàn)橹?，此外，西北風(fēng)也占有很大比重.

圖10 7年的風(fēng)向方位圖

圖11為2011年至2014年四季的風(fēng)向分布統(tǒng)計(jì)圖.從圖中可以看出，春季和夏季風(fēng)向主要以東南風(fēng)和東風(fēng)為主，秋季主要以東南和西北風(fēng)為主，而冬季主要以西風(fēng)和西北風(fēng)為主.從統(tǒng)計(jì)圖中可以發(fā)現(xiàn)威海天文臺(tái)四季中東北風(fēng)和北風(fēng)占有很小的比重.每個(gè)季節(jié)內(nèi)風(fēng)向比較穩(wěn)定.

圖11 四季風(fēng)向方位圖

5 結(jié) 論

對(duì)威海天文臺(tái)2008年6月2日至2015年3月11日的天文觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析和研究.從研究結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，威海天文臺(tái)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速都具有一定的規(guī)律.具體研究結(jié)果如下：

(1)威海天文臺(tái)的溫度適中，溫度變化以1 a為周期，且月平均溫度變化趨勢(shì)高度相似.這種穩(wěn)定的溫度條件適合天文觀測(cè)設(shè)備的使用.

(2)威海天文臺(tái)的平均相對(duì)濕度為76.24%，濕度變化具有明顯1 a的周期性特征，且每年的月平均濕度變化趨勢(shì)較為相似.但是威海天文臺(tái)在夏季(6至8月)的濕度較大，平均濕度接近90%，濕度大于90%的比例約為50%，不利于天文觀測(cè)，因此在夏季應(yīng)減少設(shè)備的使用，轉(zhuǎn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)、保養(yǎng)與檢測(cè)等工作.

(3)威海天文臺(tái)的平均風(fēng)速為4.95 m/s，平均風(fēng)速適中.月平均風(fēng)速有較為相似的分布規(guī)律.夏季和秋季的風(fēng)速平均值均低于5 m/s，而風(fēng)速大于15 m/s的情況大多發(fā)生在春季，其風(fēng)速平均值為5.77 m/s，最大風(fēng)速甚至超過了23 m/s，表明在春季觀測(cè)比較容易受到大風(fēng)的影響，因此在春季觀測(cè)應(yīng)該著重注意防風(fēng)，避免影響觀測(cè)的質(zhì)量和損壞觀測(cè)設(shè)備.

(4)威海天文臺(tái)的風(fēng)向主要以東、南方向?yàn)橹?，此外，西北風(fēng)也占有很大比重，北風(fēng)和東北風(fēng)所占比重很小.春季和夏季風(fēng)向主要以東南風(fēng)和東風(fēng)為主，秋季主要以東南和西北風(fēng)為主，而冬季主要以西風(fēng)和西北風(fēng)為主.

(5)基于氣象數(shù)據(jù)研究結(jié)果，活動(dòng)星系核的長(zhǎng)期觀測(cè)中，春秋季可以安排較多的觀測(cè)，春季觀測(cè)要注意大風(fēng)天氣，夏天盡量避免安排觀測(cè).