大理挖色凤尾箐地区夜天文气象特征的统计分析

　　本文利用我们建立在大理洱海东岸的挖色凤尾箐气象站所采集的两年多气象数据，运用统计方法对相对湿度、露点概率、降雨量、气压、温度和风速风向进行了分析。统计表明该地区(2016.08-2018.09)气象条件具有明显的季节性规律：在每年11月至次年4月，相对湿度较小、结露概率较低、降雨量少、气压和气温波动小、风速小且风向稳定，较适合开展连续的夜天文光学观测;在每年5月-10月湿度偏大、结露概率较高、气压波动较大，在这段时期开展夜间天文光学观测需要注意避开这些不利气象因素。

　　关键字：台址;气象数据;统计分析;大理;望远镜

　　一、背景与址点介绍

　　为配合有关部门发展天文望远镜项目的需求，我们于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25km)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。气象站东经100.30°，北纬25.90°，海拔约2400米，距离洱海东岸直线距离约8.2km。图1给出了气象站位置的百度卫星地图。我们曾分析了该站一年的相对湿度、风速风向和气压等有限数据[1]，本文将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。

　　二、气象参数对光学天文观测的影响

　　对于地基天文观测来说，优良的大气条件对望远镜非常重要[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观测条件，而且可以通过长时间观测系统，定量评估该台址观测条件变化情况。接下来，我们介绍相对湿度、露点温度、降雨量、大气压、温度和风速风向的气象参数对望远镜运行的影响。云层的影响和云量数据分析将在以后的文章进行分析。

　　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。Radu[3]分析局部湿度和空气的电导率之间的关系，得到高的湿度会增加空气的导电率，直接影响光探测器。Celik[4]，Theiling[5]等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。

　　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阀值的制定也不同，为了确保望远镜及其附属设备的安全，一般都把相对湿度为90%作为停止观测的标准。例如，Jabiri[6]，Murdin[7]以及Lombardi[8]在分析ORM(RoquedelosMuchachosObservatory)气象参数时，把相对湿度为90%作为望远镜设备是否工作的阀值。Radu[3]通过分析NOT(NordicOpticalTelescope)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最容易引起天文仪器表面结露并形成液滴的现象发生。当物体表面温度低于或等于结露温度时，其表面就会产生结露。然而，无论天文仪器是否在工作都会导致其零部件受损甚至发生危险。如果空气温度和露点温度之间的差在1-5℃之间[3]，就会发生结露现象。通过干球温度计算出饱和水汽压，由饱和水汽压和相对湿度计算出水汽压，再利用露点温度和水汽压的经验公式计算出露点温度[12]。

　　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，单位用毫米表示[13]。降雨直接影响天文望远镜的观测。为了保护望远镜设备及其相关附件设备，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。Lombardi通过分析台址是否受高压所主导，得出该址点大气是否稳定[8]。Jabiri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[6]。Lombardi认为，在短时间内(几个小时)气压的变化会导致天气的变化[8]。目前世界上各个天文台址在气候条件监测时都把气压参数纳入了监测范围。

　　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的影响。温度波动会引起望远镜中机械结构的对应变形，程度严重的话会影响光学元件间的位置，进而带来望远镜光学系统成像质量的降低。同时温度波动能够导致照相机噪声和增益增大，造成照相机灵敏度的下降。因此，全面掌握候选址点夜间的气温及变化规律具有一定价值。

　　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，应停止望远镜工作。此外，如果高速风携带大量灰尘，还将导致望远镜成像质量下降。VERITAS(VeryEnergeticRadiationImagingTelescopeArraySystem)望远镜规定的安全风速限制在8.9m/s[5]，MAGIC(MajorAtmosphericGammaImagingCherenkov)望远镜规定的安全风速为11.1m/s，而美国帕洛马(PalomarObservatory)天文台规定望远镜在风速超过18m/s就停止观测[8]。在摩洛哥Oukaimeden遗址进行的一项气象研究中，15m/s也被认为是风速的典型最大安全运行值的极限[7]。

　　三、气象数据及统计分析

　　我们采用武汉富源公司生产的FY-CJ2型自动气象站用于定点监测，气象站观测10米高，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、风向传感器置于地表10米高位置，相应传感器的精度分别为±(0.3+0.03*v)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地表2米高位置，相应传感器的精度分别为±0.2℃、±2%和0.1hPa，翻斗式雨量传感器置于水平地面，传感器的精度为0.2mm，测量范围0-4mm/min。

　　作者曾利用大理挖色凤尾箐气象站早期的一年资料做过有限参数的简短统计分析[1]。为更全面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。我们首先把每天晚上时间范围(20:00-06:00，即大致为日落至日出期间)的数据提取出来，然后对样本进行相关统计分析。

　　四、结论

　　为了解大理挖色凤尾箐地区运行夜天文光学望远镜的基本气象环境，我们基于该气象站两年多数据，利用统计学知识结合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：

　　·在每年11月至次年4月相对湿度的中值均为80%以下，其中在2月最低，湿度中值可达到64.9%。在每年的5-10月三个月湿度中值比较高，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%，这将容易造成望远镜的玻璃镜面产生严重的结露现象，因此这三个月较不适合开展连续的夜天文光学观测。

　　·为了评估结露的风险，我们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(基本为当地的旱季)相对最不易结露，而在5月-10月期间(基本为当地的雨季)相对更容易结露。

　　·该址点全年降雨量主要集中在每年7-9三月，不适合天文观测。

　　·为了评估该地区大气稳定性，我们分析了夜间大气压规律。冬季夜间的大气压值比夏季略微高。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。

　　·该址点全年夜间温度变化比较平缓、温差不大。·风速分析表明，该址点全年夜间的风速都处于较低水平。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公里处，在每年11月至次年4月期间，环境相对湿度小、结露概率低、气压和温度波动小、风速弱，较适合观测;在5月至10月期间，环境相对湿度大、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。

　　参考文献

　　1.王晶星,刘煜,宋腾飞等大理洱海东岸山区天文气象条件初步统计分析:2016至2017年大气季节特征[J],大理大学学报,2018(06):30-33;

　　2.吴宁,刘煜,赵红梅.川西无名山天文址点GIS分析研究[J].天文学报,2016(06):729-745;

　　3.RaduA.A.,T.Angelescu,V.Curtef,AnastroclimatologicalstudyofcandidatesitestohostanimagingatmosphericCherenkovtelescopeinRomania.MNRAS,2012,Volume422,Issue3,p.2262-2273;

　　4.CelikO.PhDthesis,ObservationsofCrabNebulaandPulsarwithVERITAS,Univ.California,LosAngeles2008;

　　5.TheilingM.PhDthesis,ObservationsofVeryHighEnergyGamma-RayEmissionfromSupernovaRemnantswithVERITAS,ClemsonUniv.2009;

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