2016 年河北興隆站中性風溫和氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)集

袁韋，徐寄遙，朱亞軍，李欽增，劉偉軍，姜國英，孫龍昌，吳坤，高紅

1. 中國科學院國家空間科學中心，空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190 2. 中國科學院大學，北京 100049

引 言

中高層大氣氣輝的被動光學地基觀測能夠獲取中高層大氣中性風溫數(shù)據(jù)和氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)，為中高層大氣的上下圈層耦合、太陽活動變化、特殊天氣事件相關的氣輝輻射研究提供重要實測資料，也為中高層大氣模式建立提供長期的連續(xù)觀測資料。子午工程在河北興隆站建設了Fabry-Perot 干涉儀（簡稱F-P 干涉儀）設備[1]和全天空氣輝成像儀（簡稱成像儀）[2]兩個地基觀測設備，觀測提供中高層大氣中性風溫數(shù)據(jù)和氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。

F-P 干涉儀是美國國家大氣研究中心（UCAR）的產品，設備采用直徑為10 mm 的標準具和1024×1024 像素的科學級成像CCD 探測器，輸入觀測位置等基本信息后能夠實現(xiàn)自動控制和數(shù)據(jù)采集等觀測過程的全自動運行。設備從2010 年4 月開始在興隆站觀測運行，設備僅在夜間觀測，提供了3 個氣輝輻射峰值高度區(qū)域中性風溫10 年的觀測數(shù)據(jù)。中國氣象局山西岢嵐站稍后也建設了同類型的設備，經過比對分析兩個站點的數(shù)據(jù)[3]，兩地的數(shù)據(jù)均有用于中高層大氣的分析研究。

成像儀由加拿大KEO 科技公司制造。設備采用180 度視場魚眼鏡頭成像光路和1024×1024 像素的科學級成像CCD 探測器，全自動控制數(shù)據(jù)采集與運行。從2009 年11 月開始在興隆站觀測運行，設備僅在夜間觀測，提供中高層大氣氣輝輻射峰值高度87 km 區(qū)域的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 分鐘，已有10 年的觀測數(shù)據(jù)積累。

利用F-P 干涉儀和成像儀長期連續(xù)的地基觀測數(shù)據(jù)，在同類設備數(shù)據(jù)研究的基礎上[4,5]，設備團隊開展了中高層大氣物理過程、化學過程與事件的分析，分析了地形環(huán)境對高層大氣波動的影響[2,6-7]，雷暴產生的高層大氣波動[8-9]，中層頂大氣潮涌事件[10,11]，我國中緯地區(qū)電離層擾動[12-13]，我國低緯地區(qū)電離層等離子體泡的特性[14,15]，臺風等劇烈事件的作用[16-17]，高層大氣震蕩[18-21]等科學問題，廣泛開展了前沿科學研究。

本文介紹2016 年興隆站Fabry-Perot 干涉儀和全天空氣輝成像儀觀測的數(shù)據(jù)，包括87 km、96 km 和250 km 三個氣輝輻射峰值高度的大氣中性風溫數(shù)據(jù)和87 km 高度的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。科研用戶如需要其他觀測年份的數(shù)據(jù)，請聯(lián)系中科院國家空間科學中心空間科學數(shù)據(jù)中心（CSSDC）。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 水平中性風溫數(shù)據(jù)

興隆站F-P 干涉儀提供3 個氣輝輻射通道的夜間觀測的水平中性風溫數(shù)據(jù)。3 個通道分別為OH氣輝892.0 nm、OI 氣輝557.7 nm 和OI 氣輝630.0 nm，對應的輻射峰值高度為87 km、96 km 和250 km。3 個通道依次運行組成一個循環(huán)，一個循環(huán)的時長約為1 小時。隨季節(jié)不同每個晚上的觀測包含十多個觀測循環(huán)。每個通道的觀測數(shù)據(jù)包含氣輝通道、觀測時間、徑向風、緯向風、溫度和徑向風誤差、緯向風誤差、溫度誤差。

干涉儀利用F-P 標準具把來自氣輝高度的大氣運動引起的氣輝輻射的多普勒頻移記錄在CCD上，通過與校準的穩(wěn)頻激光干涉圖樣進行比較，反演分析觀測的干涉圖樣數(shù)據(jù)，獲取觀測方向的視線風速，再利用幾何關系得到氣輝高度上的大氣水平風場數(shù)據(jù)[1]。同樣，通過分析觀測的干涉圖樣的寬度的變化，比較分析得到氣輝譜線寬度變化，得到氣輝高度上的大氣溫度數(shù)據(jù)[21]。

興隆站F-P 干涉儀廠家僅以直接提供數(shù)據(jù)處理軟件的方式獲取探測數(shù)據(jù)，只提供EXE 格式的數(shù)據(jù)處理軟件，運行后得到當晚觀測的風溫數(shù)據(jù)。干涉儀數(shù)據(jù)產生過程如圖1 所示。從干涉圖像中反演計算風速的方法通常有半徑法、完整傅里葉級數(shù)描述法和非線性回歸法等方法[22]，具體的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應用可以參考引言中的同行論文。

圖1 干涉儀數(shù)據(jù)產生過程

1.2 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)

成像儀利用陷波濾光片選取中高層大氣氣輝輻射峰值高度為87 km 的OH 氣輝波段，陷波濾光片帶寬參數(shù)為715～930 nm+，陷波865±18 nm。設備連續(xù)觀測，提供87 km 高度區(qū)域的夜間的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。將每一次曝光的數(shù)據(jù)以png 格式存儲，數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 分鐘。

由于全天空氣輝成像儀采用180 度視場的魚眼透鏡收集氣輝輻射信息，中高層大氣區(qū)域的空間位置成像在CCD 探測器上，形成不同的成像位置，由于魚眼鏡頭成像存在較大的畸變，且呈現(xiàn)非線性變化，因此，在圖像處理中需要按照星圖位置標定和校準數(shù)據(jù)圖像中的像素點與氣輝層高度上空間點的位置，保證像素點與實際的空間點保持一致。從OH 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)的文件中提取大氣波動信息可以采用圖像差分法[2]，也可以通過滑動平均的方法獲取大氣波動的信息。根據(jù)研究的需要，可以采用更多的圖像數(shù)據(jù)處理方法來提取需要的信息。全天空氣輝成像儀數(shù)據(jù)產生過程如圖2所示。不同的科研用戶將使用適合自己的數(shù)據(jù)處理方法，針對聚焦的科學問題，選擇最優(yōu)的處理方法，例如單幅圖像提取方法、前后圖像差分法、圖像譜分析方法等。具體的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應用可以參考本文引言中已經發(fā)表的論文等。

圖2 全天空氣輝成像儀數(shù)據(jù)產生過程

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 水平中性風溫數(shù)據(jù)

觀測收集的數(shù)據(jù)經過反演軟件運行后，得到Fabry-Perot 干涉儀的水平中性風溫數(shù)據(jù)格式示例（2016 年第268 天），如圖3 所示。

圖3 水平中性風溫數(shù)據(jù)格式示例（節(jié)選）

以下分三個部分解釋數(shù)據(jù)內容。

2.1.1 數(shù)據(jù)文件第一部分

數(shù)據(jù)文件第一行。

本文件的觀測次數(shù)是194 次，有對應的194 個數(shù)據(jù)段落。

2.1.2 數(shù)據(jù)文件第二部分

數(shù)據(jù)文件第二行到第十行。

這是第一個數(shù)據(jù)段落，探測信號來源于定標激光器，提供當晚全部觀測的數(shù)據(jù)基準，這段數(shù)據(jù)不包含大氣風場和溫度的探測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)段中“16268/2016268103326_36328_4_p072p180”的含義為：16268 表示為2016 年的第268天，即2016 年9 月24 日。103326 為數(shù)據(jù)記錄的時間，即世界時10 時33 分26 秒；36328 為第3通道，波長為6328 埃，p072p180 表示方位角為72 度，天頂角為180 度，此處表示為豎直向下的天頂方向。

該文件記錄的信息僅應用在當晚觀測的中性風溫的數(shù)據(jù)反演處理中，用戶可以忽略具體內容。

2.1.3 數(shù)據(jù)文件第三部分

數(shù)據(jù)文件第十一行到文件尾。

以上是8920 波段在一個方向上的一次測量的全部數(shù)據(jù)。當次觀測記錄的時間為世界時10 時34分34 秒；28920 為第2 通道，波長為8920 埃，p000p000 表示方位角為0 度，天頂角為0 度，此處表示為豎直向上的天頂方向。

8525.013367938862 數(shù)據(jù)段4 個數(shù)值，第1 個數(shù)表示總風場，單位為米/秒，沒有無效缺省值；第2 個數(shù)表示對應的溫度，單位為開，沒有無效缺省值；第3、4 個數(shù)為亮度與背景亮度，用戶可以忽略。

7.137907077583560 數(shù)據(jù)段4 個數(shù)值，第1 個數(shù)表示總風場誤差，單位為米/秒，沒有無效缺省值；第2 個數(shù)表示對應的溫度誤差，單位為開，沒有無效缺省值；第3 個、第4 個數(shù)為亮度與背景亮度誤差，用戶可以忽略。

緊接著是8920 波段在另外4 個方向探測的數(shù)據(jù)，5 個數(shù)據(jù)組成該波段的全部觀測內容。

此后，開始變換到5577 波段、6300 波段，進行循環(huán)觀測，一直運行，直到設置的停止時間，結束當晚的全部觀測。

與p000p000 說明類似，觀測過程中使用的觀測方向分別為：

p000p045 說明天空掃描儀方位角為0 度，天頂角為+45 度，表示為向東方向觀測；

p000n045 說明天空掃描儀方位角為0 度，天頂角為-45 度，表示為向西方向觀測；

p090n045 說明天空掃描儀方位角為90 度，天頂角為-45 度，表示為向北方向觀測；

p090p045 說明天空掃描儀方位角為90 度，天頂角為+45 度，表示為向南方向觀測。

設備運行時，每個氣輝通道觀測5 個方向，算術平均得到風場的平均值，單個方向的數(shù)值與平均風場的差值為觀測方向的視線風場。再根據(jù)視線風場數(shù)值，利用幾何關系計算氣輝峰值高度處水平風場數(shù)值。廠家定義風場指向北方和東方的風速數(shù)值為正值。平均風場誤差為該通道5 次觀測誤差的均方根值。

數(shù)據(jù)舉例：2016 年的第268 天的氣輝輻射的峰高分別為87 km（892.0 nm）、96 km（557.7 nm）和250 km（630.0 nm）的三個波段對應的水平中性風溫數(shù)據(jù)，如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 興隆站上空87 km（892.0 nm）高度處的水平中性風溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

圖5 興隆站上空96 km（557.7 nm）高度處的水平中性風溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

圖6 興隆站上空250km（630.0nm）高度處的水平中性風溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

2.2 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)

全天空氣輝成像儀的觀測數(shù)據(jù)文件以圖像格式存儲。CCD 像素為1024×1024，設備的觀測視場角為180 度。根據(jù)中高層大氣氣輝輻射峰值高度為87 km，計算該高度區(qū)域的大氣的波動特性參數(shù)，為科學研究提供實測資料。

2016 年8 月20 日20:14:52 記錄的全天空氣輝成像儀的OH 氣輝觀測數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 全天空氣輝成像儀的OH 氣輝觀測數(shù)據(jù)（2016 年8 月20 日20:14:52）

在同一時間段，子午工程海南富克站的全天空氣輝成像儀產出同類型的觀測數(shù)據(jù)，可以滿足同類數(shù)據(jù)分析和研究的需求。

3 數(shù)據(jù)質量控制和評估

F-P 干涉儀進行被動光學觀測，數(shù)據(jù)質量除了受設備自身故障影響外，還受觀測室和站點周圍的環(huán)境影響，包括人為光源、雨雪天氣等外在因素的影響，表現(xiàn)為單個數(shù)值劇烈變化，或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，對應的數(shù)值為-999.999，在數(shù)據(jù)篩選過程中去除該次觀測。此外，由于設備的掃描系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障造成了部分時間的數(shù)據(jù)缺失。

全天空氣輝成像儀進行夜間不間斷觀測，不管外界環(huán)境情況，設備正常運行時能夠在設置觀測的時間內一直記錄觀測數(shù)據(jù)。通過分析觀測數(shù)據(jù)中的星體圖像質量判斷數(shù)據(jù)是否可用，進而在數(shù)據(jù)中提取研究需要的物理信息，不同的研究目的和研究人員將根據(jù)自己的要求使用不同的提取方法。此外，由于設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障造成了部分時間的數(shù)據(jù)缺失。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)可支持中高層大氣風場的長期變化的特性研究，也可以應用于空間天氣特殊事件環(huán)境下中高層大氣風場的響應研究，為我國上空空間環(huán)境相關的研究與工程項目提供數(shù)據(jù)支持，提供大氣建模的基礎數(shù)據(jù)。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎條件平臺- 國家空間科學數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

作者分工職責

袁 韋（1968—），男，博士，高工，主要承擔設備運行和數(shù)據(jù)生產工作。

徐寄遙（1959—），男，博士，研究員，主要承擔探測計劃及管理工作。

朱亞軍（1985—），男，博士，研究員，主要承擔數(shù)據(jù)生產和分析工作。

李欽增（1982—），男，博士，副研究員，主要承擔數(shù)據(jù)分析工作。

劉偉軍（1985—），男，博士，副研究員，主要承擔數(shù)據(jù)生產工作。

姜國英（1979—），女，博士，副研究員，主要承擔數(shù)據(jù)分析工作。

孫龍昌（1988—），男，博士，副研究員，主要承擔數(shù)據(jù)分析工作。

吳 坤（1989—），男，博士，副研究員，主要承擔數(shù)據(jù)分析工作。

高 紅（1981—），女，博士，研究員，主要承擔數(shù)據(jù)分析工作。