大理挖色凤尾箐地区夜天文气象特征的统计分析∗

王晶星， 宋腾飞， 刘 煜， 李忠木， 申远灯， 黄 锦，3，Oloketuyi Jacob，3， 张雪飞， 刘顺庆， 李小波， 赵明宇

(1.中国科学院云南天文台，云南昆明 650216；2.大理大学，云南大理 671003；3.中国科学院大学，北京 100049)

1 背景与址点介绍

为配合发展天文望远镜项目的需求，2016年8月，在大理凤尾箐(地处大理洱海东岸挖色镇大城村委会10组，距挖色镇25 km)建立了一套完整的气象站系统。该址点处于农田之中，具有一定植被，总的地势为东北偏高、西南偏低。由于受低纬度高原季风气候的影响，该址点具有冬春两季天气晴朗、日照时数较多，夏秋两季日照时数较少的季节性气候规律。气象站位于东经100.30°，北纬25.90°，海拔约2400 m，距洱海东岸直线距离约8.2 km。图1是气象站位置的百度卫星地图。文[1]分析了该站一年的相对湿度、风速风向和气压等有限数据，本文根据已经获取的超过两年的资料，对更多参数进行详细研究。

2 气象参数对光学天文观测的影响

对于地基天文观测来说，优良的大气条件非常重要[2]。通过对气象参数进行定量评价，可以提高地基天文观测的质量和仪器使用的安全性。

每台望远镜都有一定的安全使用要求，当气象参数达到望远镜使用的安全限值，应当停止使用。因此，持续监测并分析气象参数具有重要的意义。

天文台址气象监测不仅可以实时监测台址的观测条件，而且可以通过长时间观测，定量评估该台址观测条件的变化情况。

2.1 相对湿度

天文观测中，湿度对望远镜的裸露镜面、滤光片、CCD以及电子设备等有直接影响，湿度过高引起镜面、滤光片以及CCD窗口结露、电子设备短路等现象的发生。文[3]分析局部湿度和空气的电导率之间的关系，得到高湿度会增加空气的导电率，直接影响光探测器。文[4-5]提到湿度过高会使光电倍增管遭受高压冲击，从而对探测器造成不可逆的影响。

图1 气象站位置卫星图(来源于百度卫星地图)Fig.1 Location of the weather station

由于不同天文台址所处气候环境不同，天文观测过程中对湿度阈值的制定也不同，为了确保望远镜及其附属设备的安全，一般把相对湿度90%作为停止观测的标准。例如，文[6-7]在分析罗克德洛斯马科斯天文台(Roque de los Muchachos Observatory，RMO)气象参数时，把相对湿度90%作为望远镜设备是否工作的阈值。文[3]通过分析北欧光学望远镜(Nordic Optical Telescope，NOT)所在台址的气象条件，同样认为90%是一个合理的标准。

2.2 露点温度

相对湿度和露点温度容易使天文仪器表面结露并形成液滴。当物体表面温度低于或等于结露温度时，表面就会结露，无论天文仪器是否工作都会导致其零部件受损。如果空气温度和露点温度之差在1℃～5℃之间[3]，会发生结露现象。

通过干球温度计算饱和水汽压，由饱和水汽压和相对湿度计算水汽压，再利用露点温度和水汽压的经验公式计算露点温度：

其中，Td为空气的露点温度，单位℃；e为空气的水蒸汽压，单位hPa；a=7.5；b=237.3。

2.3 降雨量

降雨量是指在一定时间内降落到地面的水层深度，用mm表示。降雨直接影响天文望远镜的观测。为了保护望远镜及其附属设备，应尽量避开在降雨频繁的时段观测。

2.4 气压

在天文观测中，气压参数主要用于分析露点温度、大气折射变化和大气稳定性。文[6]通过计算平均气压值高于理论气压值的频率，判断高层大气的稳定性。目前世界上各天文台址在气候条件监测时都把气压参数纳入监测范围。

参考美国标准大气模型(US Standard Atmosphere)给出的理论气压计算公式，通过输入天文台址的海拔高度可以计算该地点理论气压值：

其中，P0为海平面标准大气压，P0=1 013.25 hPa；T0为海平面标准温度，T0=288.15 K。

结合(1)式和(2)式，可计算该台址的理论气压值Ptheo，并通过与实际气压值对比判断该台址大气是否稳定。

2.5 环境温度

温度波动对望远镜成像系统和照相机成像质量有直接影响。温度波动会引起望远镜中机械结构的相对变形，严重的会影响光学元件间的位置，使望远镜光学系统成像质量降低。同时温度波动导致照相机噪声和增益增大，造成照相机灵敏度下降。因此，全面掌握候选址点夜间的气温及变化规律具有重要意义。

2.6 风速

由于风力载荷对望远镜光学系统、支撑结构以及驱动系统的影响，为了确保望远镜各个系统的安全，当风速超过安全上限时，望远镜应停止工作。此外，如果高速风携带大量灰尘，还导致望远镜成像质量下降。主要大气伽马成像切伦科夫望远镜(Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System，VERITAS)的安全风速限制在8.9 m/s[5]，高能辐射成像望远镜阵列(Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov，MAGIC)的安全风速为11.1 m/s，而美国帕洛马(Palomar Observatory)天文台规定望远镜在风速超过18 m/s时停止观测。在摩洛哥欧凯美顿(Oukaimeden)遗址进行的一项气象研究中，15 m/s被认为是风速的典型最大安全运行值[7]。

3 气象数据及统计分析

武汉富源公司生产的FY-CJ2型自动气象站是针对气温、相对湿度、风速、风向、气压和降雨量等气象要素的观测而设计的一款智能化、高性能自动观测站。其中，风速、风向传感器置于离地表10 m的位置，相应传感器的精度分别为±(0.3+0.03v)m/s和±3°，其中，v为实际测量风速大小；温度、相对湿度和气压传感器置于离地表2 m的位置，相应传感器的精度分别为±0.2℃、±2%和0.1 hPa；翻斗式雨量传感器置于水平地面，精度为0.2 mm，测量范围0～4 mm/min。图2为气象站主控箱和外观图。

文[1]利用大理挖色凤尾箐气象站早期的资料做过有限参数的简短统计分析。为了更全面地了解该址点气象统计情况，现利用该气象站超过两年(2016.08～2018.09期间)的气象数据开展更全面的研究。首先提取每天晚上20：00～06：00，即大致为日落至日出期间的数据，然后对样本进行相关统计分析。

3.1 相对湿度

图2 (a)气象站的主控箱；(b)气象站的整体外观Fig.2 (a)Control panel；(b)Weather station

该地区相对湿度具有明显的季节性变化。图3(a)给出了各年度每月夜晚相对湿度的中值及其方差分布。从平均效应来看，在11月到次年4月，相对湿度的中值均在80%以下，其中2月份最低，中值为64.9%。5月～10月的湿度中值较高，均在80%以上，其中在7月和8月的中值分别达到92.6%和92.7%。图3(b)为每月夜间相对湿度标准差分布。可以看出，该地区的相对湿度波动同样具有显著的季节性特点，在11月至次年4月湿度的波动比较大，而在5月～10月湿度的波动比较小。图4给出了大理凤尾箐每月夜间相对湿度大于90%的百分比。由于90%是望远镜能否正常观测的极值，比例越高代表该地区望远镜不可观测的时间越多。图4表明，该地区湿度影响观测同样具有明显的季节性变化，11月至次年4月的可观测概率比较高，尤其在2月前后。而5月～10月可观测的概率相对比较低。

图3 (a)每月夜晚相对湿度的中值及其方差；(b)每月夜间相对湿度标准差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 露点

该址点的露点分布也具有明显的季节性特征。为了评估该地区结露的概率，通过计算大气温度和露点温度差值在3℃范围内的百分比得到该址点结露的概率[8]。从图5(a)中平均效应估算可以看出，结露概率低于50%的月份集中在11月至次年4月，2月达到最小值。5月～10月结露的概率最大，其中8月和9月达到最大值，均超过90%。为了更加精确地判断该地区每天结露的情况，把结露总时间大于等于2小时的夜晚定义为结露夜。图5(b)给出了结露时间占比，其中不结露占比约为63.3%，主要集中在11月至次年4月，长时间结露集中在5月～10月，其中2～4小时结露占比为12.93%，4～6小时结露占比为12.54%，6～8小时结露占比为5.9%，8～10小时结露占比为5.2%。可以看出，该址点的季节性结露特征与相对湿度特征基本一致。

图4 每月夜间相对湿度≥90%的占比Fig.4 Monthly proportion of relative humidity during night which is above 90%

3.3 降雨量

由于气象站雨量测量设备的突然故障导致丢失了部分降雨量数据，因此，仅获得了2016年(8～11月)和2017年(1～9月)两个时段的降雨量数据。图6给出了这些夜间降雨量分布的月变化曲线，可以明显看出，该址点夜间降雨量随月份分布不均匀。降雨量较多的月份主要集中在7月～9月，这3个月的降雨总量分别占了全年夜间降雨量的84.6%和78.9%；其它月份的降雨量相对较少，在30 mm以下。因此，从降雨量分布特征看，每年7月至9月不利于开展连续天文观测。

图5 (a)每月空气温度与露点温度差≤3℃的百分数；(b)夜间每天结露时长Fig.5 (a)Percentage of the difference of temperature and dew point less than 3℃ in each month；(b)Distribution of condensation hours

图6 夜间降雨量的月变化曲线Fig.6 Monthly change curve of rainfall at night

3.4 大气压

总体上，该址点大气压的季节性变化值较小。从图7可以看出，全年每月气压中值在749～756 hPa之间。9月至次年5月的气压比6月至8月的气压略高。在夏季，当天气条件较为稳定，气压值波动较小时，气压的中值相对较小。

在确定的高度下，当局部气压低于理论值(Ptheo)时，天气状况可能变得不稳定。为了比较天气条件的稳定性，计算了当地气压低于理论气压的百分数。百分比越低，说明大气观测效果越好。图8可以看出，该地区大气压强变化具有明显的季节性规律。在10月至次年4月，实际气压大于理论气压的百分比较低，11月达到最低点，而在其它月份均较高。5月达到全年最大值。因此，从气压变化条件看，10月至次年4月具有更好的大气稳定性观测条件。

图7 (a)每月夜晚气压的中值及其方差；(b)每月夜间气压标准差Fig.7 (a)Mean monthly night pressure and its variance；(b)Standard deviation monthly night pressure

3.5 气 温

图9 是夜间气温的平均值变化曲线。可以看出，全年夜间平均温度分布为夏季较高，接近20℃；冬季偏低，接近0℃。夜间平均温度的最高值为19.8℃，出现在8月，该参数最低值2.7℃，出现在1月，处于易结冰环境。温度值存在少数陡增或陡降情况，如2017年2月和4月期间，值得进一步具体分析。

图9 夜间平均温度的日变化曲线Fig.9 Diurnal variation curve of night average temperature

3.6 风速和风向

风速和风向是天文观测址点必须考虑的一个气象因素。稳定的风速和风向是良好大气视宁度的条件之一[9-10]。图10给出夜间平均风速日变化曲线。结果表明，该址点各个季节夜间的风速处于非常低的水平。夜间平均风速为1.49 m/s，中位数为1.48 m/s。11月至次年4月夜间的平均风速较高；在5月～10月夜间平均风速略低。

图11给出该址点夜间风向频率玫瑰图。风向玫瑰图表示风向的频率，定义为在一定时间内各种风向出现的次数占所有监测数据次数的百分比[11]。

从图11也可以看出，该址点夜间具有稳定的西南风，且频率高；偶尔出现东北风，但频率很低。需要指出的是，由于前期风向定标问题，导致文[1]的风向结果有180°的偏差。

图10 夜间平均风速的日变化曲线Fig.10 Diurnal variation curve of average wind speed at night

图11 夜间风向频率玫瑰图Fig.11 Rose of wind frequency

4 结 论

为了解大理挖色凤尾箐地区的基本气象环境，基于该气象站两年多的数据，利用统计学结合MATLAB软件，分析了该地区影响光学观测的核心气象参数。统计表明，该地区的相对湿度、露点、气压、温度和风速风向具有明显的季节性特征：

(1)每年11月至次年4月，相对湿度的中值均在80%以下，其中，2月最低，湿度中值可达到64.9%。每年的5月～10月湿度中值比较高，均在85%以上，其中，在2017年7月和8月的湿度中值达到92.6%和92.7%，容易造成望远镜的玻璃镜面产生严重的结露现象，因此这几个月不适合开展连续的夜天文观测。

(2)为了评估结露的风险，分析了夜间结露概率的时间分布。结果表明，该地区每年11月至次年4月相对不易结露，而在5月～10月相对更容易结露。

(3)该址点全年降雨量主要集中在每年7月～9月，不适合天文观测。

(4)为了评估该地区的大气稳定性，分析了夜间大气压规律。冬季夜间的大气压值比夏季略高。在夏季，当天气条件较为稳定，气压值波动较小，气压的中值亦相对较小。

(5)该址点全年夜间温度变化比较平缓，温差不大。

(6)风速分析表明，该址点全年夜间的风速处于较低水平，且具有稳定的西南风。

总体来说，对于以挖色凤尾箐山区为代表的云南洱海东岸8 km处，每年11月至次年4月，相对湿度小，结露概率低，气压和温度波动小，风速弱，较适合观测；5月至10月，相对湿度大，结露夜概率大且结露持续时间长，气压波动大，开展夜间观测时需要提前做好充分应急准备。