大理挖色鳳尾箐地區(qū)夜天文氣象特征的統(tǒng)計(jì)分析?

王晶星， 宋騰飛， 劉 煜， 李忠木， 申遠(yuǎn)燈， 黃 錦，3，Oloketuyi Jacob，3， 張雪飛， 劉順慶， 李小波， 趙明宇

(1.中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南昆明 650216；2.大理大學(xué)，云南大理 671003；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 背景與址點(diǎn)介紹

為配合發(fā)展天文望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的需求，2016年8月，在大理鳳尾箐(地處大理洱海東岸挖色鎮(zhèn)大城村委會(huì)10組，距挖色鎮(zhèn)25 km)建立了一套完整的氣象站系統(tǒng)。該址點(diǎn)處于農(nóng)田之中，具有一定植被，總的地勢為東北偏高、西南偏低。由于受低緯度高原季風(fēng)氣候的影響，該址點(diǎn)具有冬春兩季天氣晴朗、日照時(shí)數(shù)較多，夏秋兩季日照時(shí)數(shù)較少的季節(jié)性氣候規(guī)律。氣象站位于東經(jīng)100.30°，北緯25.90°，海拔約2400 m，距洱海東岸直線距離約8.2 km。圖1是氣象站位置的百度衛(wèi)星地圖。文[1]分析了該站一年的相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向和氣壓等有限數(shù)據(jù)，本文根據(jù)已經(jīng)獲取的超過兩年的資料，對更多參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。

2 氣象參數(shù)對光學(xué)天文觀測的影響

對于地基天文觀測來說，優(yōu)良的大氣條件非常重要[2]。通過對氣象參數(shù)進(jìn)行定量評價(jià)，可以提高地基天文觀測的質(zhì)量和儀器使用的安全性。

每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都有一定的安全使用要求，當(dāng)氣象參數(shù)達(dá)到望遠(yuǎn)鏡使用的安全限值，應(yīng)當(dāng)停止使用。因此，持續(xù)監(jiān)測并分析氣象參數(shù)具有重要的意義。

天文臺(tái)址氣象監(jiān)測不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測臺(tái)址的觀測條件，而且可以通過長時(shí)間觀測，定量評估該臺(tái)址觀測條件的變化情況。

2.1 相對濕度

天文觀測中，濕度對望遠(yuǎn)鏡的裸露鏡面、濾光片、CCD以及電子設(shè)備等有直接影響，濕度過高引起鏡面、濾光片以及CCD窗口結(jié)露、電子設(shè)備短路等現(xiàn)象的發(fā)生。文[3]分析局部濕度和空氣的電導(dǎo)率之間的關(guān)系，得到高濕度會(huì)增加空氣的導(dǎo)電率，直接影響光探測器。文[4-5]提到濕度過高會(huì)使光電倍增管遭受高壓沖擊，從而對探測器造成不可逆的影響。

圖1 氣象站位置衛(wèi)星圖(來源于百度衛(wèi)星地圖)Fig.1 Location of the weather station

由于不同天文臺(tái)址所處氣候環(huán)境不同，天文觀測過程中對濕度閾值的制定也不同，為了確保望遠(yuǎn)鏡及其附屬設(shè)備的安全，一般把相對濕度90%作為停止觀測的標(biāo)準(zhǔn)。例如，文[6-7]在分析羅克德洛斯馬科斯天文臺(tái)(Roque de los Muchachos Observatory，RMO)氣象參數(shù)時(shí)，把相對濕度90%作為望遠(yuǎn)鏡設(shè)備是否工作的閾值。文[3]通過分析北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(Nordic Optical Telescope，NOT)所在臺(tái)址的氣象條件，同樣認(rèn)為90%是一個(gè)合理的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 露點(diǎn)溫度

相對濕度和露點(diǎn)溫度容易使天文儀器表面結(jié)露并形成液滴。當(dāng)物體表面溫度低于或等于結(jié)露溫度時(shí)，表面就會(huì)結(jié)露，無論天文儀器是否工作都會(huì)導(dǎo)致其零部件受損。如果空氣溫度和露點(diǎn)溫度之差在1℃～5℃之間[3]，會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

通過干球溫度計(jì)算飽和水汽壓，由飽和水汽壓和相對濕度計(jì)算水汽壓，再利用露點(diǎn)溫度和水汽壓的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算露點(diǎn)溫度：

其中，Td為空氣的露點(diǎn)溫度，單位℃；e為空氣的水蒸汽壓，單位hPa；a=7.5；b=237.3。

2.3 降雨量

降雨量是指在一定時(shí)間內(nèi)降落到地面的水層深度，用mm表示。降雨直接影響天文望遠(yuǎn)鏡的觀測。為了保護(hù)望遠(yuǎn)鏡及其附屬設(shè)備，應(yīng)盡量避開在降雨頻繁的時(shí)段觀測。

2.4 氣壓

在天文觀測中，氣壓參數(shù)主要用于分析露點(diǎn)溫度、大氣折射變化和大氣穩(wěn)定性。文[6]通過計(jì)算平均氣壓值高于理論氣壓值的頻率，判斷高層大氣的穩(wěn)定性。目前世界上各天文臺(tái)址在氣候條件監(jiān)測時(shí)都把氣壓參數(shù)納入監(jiān)測范圍。

參考美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型(US Standard Atmosphere)給出的理論氣壓計(jì)算公式，通過輸入天文臺(tái)址的海拔高度可以計(jì)算該地點(diǎn)理論氣壓值：

其中，P0為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P0=1 013.25 hPa；T0為海平面標(biāo)準(zhǔn)溫度，T0=288.15 K。

結(jié)合(1)式和(2)式，可計(jì)算該臺(tái)址的理論氣壓值Ptheo，并通過與實(shí)際氣壓值對比判斷該臺(tái)址大氣是否穩(wěn)定。

2.5 環(huán)境溫度

溫度波動(dòng)對望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)和照相機(jī)成像質(zhì)量有直接影響。溫度波動(dòng)會(huì)引起望遠(yuǎn)鏡中機(jī)械結(jié)構(gòu)的相對變形，嚴(yán)重的會(huì)影響光學(xué)元件間的位置，使望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量降低。同時(shí)溫度波動(dòng)導(dǎo)致照相機(jī)噪聲和增益增大，造成照相機(jī)靈敏度下降。因此，全面掌握候選址點(diǎn)夜間的氣溫及變化規(guī)律具有重要意義。

2.6 風(fēng)速

由于風(fēng)力載荷對望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，為了確保望遠(yuǎn)鏡各個(gè)系統(tǒng)的安全，當(dāng)風(fēng)速超過安全上限時(shí)，望遠(yuǎn)鏡應(yīng)停止工作。此外，如果高速風(fēng)攜帶大量灰塵，還導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量下降。主要大氣伽馬成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡(Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System，VERITAS)的安全風(fēng)速限制在8.9 m/s[5]，高能輻射成像望遠(yuǎn)鏡陣列(Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov，MAGIC)的安全風(fēng)速為11.1 m/s，而美國帕洛馬(Palomar Observatory)天文臺(tái)規(guī)定望遠(yuǎn)鏡在風(fēng)速超過18 m/s時(shí)停止觀測。在摩洛哥歐凱美頓(Oukaimeden)遺址進(jìn)行的一項(xiàng)氣象研究中，15 m/s被認(rèn)為是風(fēng)速的典型最大安全運(yùn)行值[7]。

3 氣象數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析

武漢富源公司生產(chǎn)的FY-CJ2型自動(dòng)氣象站是針對氣溫、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和降雨量等氣象要素的觀測而設(shè)計(jì)的一款智能化、高性能自動(dòng)觀測站。其中，風(fēng)速、風(fēng)向傳感器置于離地表10 m的位置，相應(yīng)傳感器的精度分別為±(0.3+0.03v)m/s和±3°，其中，v為實(shí)際測量風(fēng)速大??；溫度、相對濕度和氣壓傳感器置于離地表2 m的位置，相應(yīng)傳感器的精度分別為±0.2℃、±2%和0.1 hPa；翻斗式雨量傳感器置于水平地面，精度為0.2 mm，測量范圍0～4 mm/min。圖2為氣象站主控箱和外觀圖。

文[1]利用大理挖色鳳尾箐氣象站早期的資料做過有限參數(shù)的簡短統(tǒng)計(jì)分析。為了更全面地了解該址點(diǎn)氣象統(tǒng)計(jì)情況，現(xiàn)利用該氣象站超過兩年(2016.08～2018.09期間)的氣象數(shù)據(jù)開展更全面的研究。首先提取每天晚上20：00～06：00，即大致為日落至日出期間的數(shù)據(jù)，然后對樣本進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 相對濕度

圖2 (a)氣象站的主控箱；(b)氣象站的整體外觀Fig.2 (a)Control panel；(b)Weather station

該地區(qū)相對濕度具有明顯的季節(jié)性變化。圖3(a)給出了各年度每月夜晚相對濕度的中值及其方差分布。從平均效應(yīng)來看，在11月到次年4月，相對濕度的中值均在80%以下，其中2月份最低，中值為64.9%。5月～10月的濕度中值較高，均在80%以上，其中在7月和8月的中值分別達(dá)到92.6%和92.7%。圖3(b)為每月夜間相對濕度標(biāo)準(zhǔn)差分布。可以看出，該地區(qū)的相對濕度波動(dòng)同樣具有顯著的季節(jié)性特點(diǎn)，在11月至次年4月濕度的波動(dòng)比較大，而在5月～10月濕度的波動(dòng)比較小。圖4給出了大理鳳尾箐每月夜間相對濕度大于90%的百分比。由于90%是望遠(yuǎn)鏡能否正常觀測的極值，比例越高代表該地區(qū)望遠(yuǎn)鏡不可觀測的時(shí)間越多。圖4表明，該地區(qū)濕度影響觀測同樣具有明顯的季節(jié)性變化，11月至次年4月的可觀測概率比較高，尤其在2月前后。而5月～10月可觀測的概率相對比較低。

圖3 (a)每月夜晚相對濕度的中值及其方差；(b)每月夜間相對濕度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3 (a)Mean humidity during night and its variance of each month；(b)Standard deviation of humidity during night of each month

3.2 露點(diǎn)

該址點(diǎn)的露點(diǎn)分布也具有明顯的季節(jié)性特征。為了評估該地區(qū)結(jié)露的概率，通過計(jì)算大氣溫度和露點(diǎn)溫度差值在3℃范圍內(nèi)的百分比得到該址點(diǎn)結(jié)露的概率[8]。從圖5(a)中平均效應(yīng)估算可以看出，結(jié)露概率低于50%的月份集中在11月至次年4月，2月達(dá)到最小值。5月～10月結(jié)露的概率最大，其中8月和9月達(dá)到最大值，均超過90%。為了更加精確地判斷該地區(qū)每天結(jié)露的情況，把結(jié)露總時(shí)間大于等于2小時(shí)的夜晚定義為結(jié)露夜。圖5(b)給出了結(jié)露時(shí)間占比，其中不結(jié)露占比約為63.3%，主要集中在11月至次年4月，長時(shí)間結(jié)露集中在5月～10月，其中2～4小時(shí)結(jié)露占比為12.93%，4～6小時(shí)結(jié)露占比為12.54%，6～8小時(shí)結(jié)露占比為5.9%，8～10小時(shí)結(jié)露占比為5.2%?？梢钥闯?，該址點(diǎn)的季節(jié)性結(jié)露特征與相對濕度特征基本一致。

圖4 每月夜間相對濕度≥90%的占比Fig.4 Monthly proportion of relative humidity during night which is above 90%

3.3 降雨量

由于氣象站雨量測量設(shè)備的突然故障導(dǎo)致丟失了部分降雨量數(shù)據(jù)，因此，僅獲得了2016年(8～11月)和2017年(1～9月)兩個(gè)時(shí)段的降雨量數(shù)據(jù)。圖6給出了這些夜間降雨量分布的月變化曲線，可以明顯看出，該址點(diǎn)夜間降雨量隨月份分布不均勻。降雨量較多的月份主要集中在7月～9月，這3個(gè)月的降雨總量分別占了全年夜間降雨量的84.6%和78.9%；其它月份的降雨量相對較少，在30 mm以下。因此，從降雨量分布特征看，每年7月至9月不利于開展連續(xù)天文觀測。

圖5 (a)每月空氣溫度與露點(diǎn)溫度差≤3℃的百分?jǐn)?shù)；(b)夜間每天結(jié)露時(shí)長Fig.5 (a)Percentage of the difference of temperature and dew point less than 3℃ in each month；(b)Distribution of condensation hours

圖6 夜間降雨量的月變化曲線Fig.6 Monthly change curve of rainfall at night

3.4 大氣壓

總體上，該址點(diǎn)大氣壓的季節(jié)性變化值較小。從圖7可以看出，全年每月氣壓中值在749～756 hPa之間。9月至次年5月的氣壓比6月至8月的氣壓略高。在夏季，當(dāng)天氣條件較為穩(wěn)定，氣壓值波動(dòng)較小時(shí)，氣壓的中值相對較小。

在確定的高度下，當(dāng)局部氣壓低于理論值(Ptheo)時(shí)，天氣狀況可能變得不穩(wěn)定。為了比較天氣條件的穩(wěn)定性，計(jì)算了當(dāng)?shù)貧鈮旱陀诶碚摎鈮旱陌俜謹(jǐn)?shù)。百分比越低，說明大氣觀測效果越好。圖8可以看出，該地區(qū)大氣壓強(qiáng)變化具有明顯的季節(jié)性規(guī)律。在10月至次年4月，實(shí)際氣壓大于理論氣壓的百分比較低，11月達(dá)到最低點(diǎn)，而在其它月份均較高。5月達(dá)到全年最大值。因此，從氣壓變化條件看，10月至次年4月具有更好的大氣穩(wěn)定性觀測條件。

圖7 (a)每月夜晚氣壓的中值及其方差；(b)每月夜間氣壓標(biāo)準(zhǔn)差Fig.7 (a)Mean monthly night pressure and its variance；(b)Standard deviation monthly night pressure

3.5 氣 溫

圖9 是夜間氣溫的平均值變化曲線?？梢钥闯?，全年夜間平均溫度分布為夏季較高，接近20℃；冬季偏低，接近0℃。夜間平均溫度的最高值為19.8℃，出現(xiàn)在8月，該參數(shù)最低值2.7℃，出現(xiàn)在1月，處于易結(jié)冰環(huán)境。溫度值存在少數(shù)陡增或陡降情況，如2017年2月和4月期間，值得進(jìn)一步具體分析。

圖9 夜間平均溫度的日變化曲線Fig.9 Diurnal variation curve of night average temperature

3.6 風(fēng)速和風(fēng)向

風(fēng)速和風(fēng)向是天文觀測址點(diǎn)必須考慮的一個(gè)氣象因素。穩(wěn)定的風(fēng)速和風(fēng)向是良好大氣視寧度的條件之一[9-10]。圖10給出夜間平均風(fēng)速日變化曲線。結(jié)果表明，該址點(diǎn)各個(gè)季節(jié)夜間的風(fēng)速處于非常低的水平。夜間平均風(fēng)速為1.49 m/s，中位數(shù)為1.48 m/s。11月至次年4月夜間的平均風(fēng)速較高；在5月～10月夜間平均風(fēng)速略低。

圖11給出該址點(diǎn)夜間風(fēng)向頻率玫瑰圖。風(fēng)向玫瑰圖表示風(fēng)向的頻率，定義為在一定時(shí)間內(nèi)各種風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占所有監(jiān)測數(shù)據(jù)次數(shù)的百分比[11]。

從圖11也可以看出，該址點(diǎn)夜間具有穩(wěn)定的西南風(fēng)，且頻率高；偶爾出現(xiàn)東北風(fēng)，但頻率很低。需要指出的是，由于前期風(fēng)向定標(biāo)問題，導(dǎo)致文[1]的風(fēng)向結(jié)果有180°的偏差。

圖10 夜間平均風(fēng)速的日變化曲線Fig.10 Diurnal variation curve of average wind speed at night

圖11 夜間風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.11 Rose of wind frequency

4 結(jié) 論

為了解大理挖色鳳尾箐地區(qū)的基本氣象環(huán)境，基于該氣象站兩年多的數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合MATLAB軟件，分析了該地區(qū)影響光學(xué)觀測的核心氣象參數(shù)。統(tǒng)計(jì)表明，該地區(qū)的相對濕度、露點(diǎn)、氣壓、溫度和風(fēng)速風(fēng)向具有明顯的季節(jié)性特征：

(1)每年11月至次年4月，相對濕度的中值均在80%以下，其中，2月最低，濕度中值可達(dá)到64.9%。每年的5月～10月濕度中值比較高，均在85%以上，其中，在2017年7月和8月的濕度中值達(dá)到92.6%和92.7%，容易造成望遠(yuǎn)鏡的玻璃鏡面產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)露現(xiàn)象，因此這幾個(gè)月不適合開展連續(xù)的夜天文觀測。

(2)為了評估結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)，分析了夜間結(jié)露概率的時(shí)間分布。結(jié)果表明，該地區(qū)每年11月至次年4月相對不易結(jié)露，而在5月～10月相對更容易結(jié)露。

(3)該址點(diǎn)全年降雨量主要集中在每年7月～9月，不適合天文觀測。

(4)為了評估該地區(qū)的大氣穩(wěn)定性，分析了夜間大氣壓規(guī)律。冬季夜間的大氣壓值比夏季略高。在夏季，當(dāng)天氣條件較為穩(wěn)定，氣壓值波動(dòng)較小，氣壓的中值亦相對較小。

(5)該址點(diǎn)全年夜間溫度變化比較平緩，溫差不大。

(6)風(fēng)速分析表明，該址點(diǎn)全年夜間的風(fēng)速處于較低水平，且具有穩(wěn)定的西南風(fēng)。

總體來說，對于以挖色鳳尾箐山區(qū)為代表的云南洱海東岸8 km處，每年11月至次年4月，相對濕度小，結(jié)露概率低，氣壓和溫度波動(dòng)小，風(fēng)速弱，較適合觀測；5月至10月，相對濕度大，結(jié)露夜概率大且結(jié)露持續(xù)時(shí)間長，氣壓波動(dòng)大，開展夜間觀測時(shí)需要提前做好充分應(yīng)急準(zhǔn)備。