山东大学威海天文台视宁度研究*

王彦丽，王 涛，段立伟，郭迪福，胡绍明

(山东大学威海分校空间科学与物理学院，山东 威海 264209)

大气视宁度(Seeing)是反映天文观测条件的重要参数之一，它与大型望远镜系统的质量共同决定了天文观测的成像质量。昂贵的大型光学望远镜要充分发挥作用，必须在大气视宁度小且稳定的条件下进行观测才能有较高的空间分辨率和较好的图像质量，而且其值的大小对天文观测的极限星等、测光精度等都有重要的影响。用较差像运动仪(DIMM)测量大气视宁度是最通用的方法［1］，但是山东大学威海天文台目前受条件所限没有DIMM设备。但在真正的天文观测中，观测图像的半高全宽(FWHM)［2］最终反映了天文观测图像的像质，因此文中用观测图像星像的FWHM表示大气视宁度［3］。FWHM已经包含了仪器轮廓、圆顶视宁度、散焦等其它因素在内，所以它要比DIMM测得的结果偏大，但是它真正反映了最终的观测效果［4］。山东大学威海天文台安装了1 m口径的典型卡塞格林式望远镜，系统的焦比为f/8，同时天文台为望远镜配置了美国Princeton Instruments公司的PIXIS2048B CCD 相机，CCD 芯片为2048 pixel×2048 pixel，每个像素大小为13.5μm×13.5μm，因此望远镜系统的像元比例尺约为0.35″/pixel。

本文对山东大学威海天文台的视宁度值进行了分析研究，在IRAF环境下编写了测量满足条件星像FWHM的批处理程序，批量处理了山东大学威海天文台2008年、2009年的观测图像得到了35 193组视宁度值。同时采集了由该望远镜附近的自动气象站观测记录的气象资料398 615组，该气象站由一台计算机控制，每分钟采集一次气象数据，包括温度、湿度、风速、气压等等，数据由计算机自动保存。本文通过长时间大量的数据从不同角度进行研究分析，得到了山东大学威海天文台的视宁度分布规律、变化规律及气象因素对视宁度的一些影响。

1 天文台视宁度的研究

为了研究山东大学威海天文台视宁度值的分布规律，从视宁度的年变化、季节变化［1］、月变化、日变化［5］角度进行分析研究。

1.1 2008～2009年天文台视宁度的分布规律

对IRAF程序处理得到的数据进行了分析，发现其中有些偏大和偏小的值。通过对这些数据进行分析发现:个别视宁度偏小是因为在测量时望远镜把宇宙线当作星像进行了测量，所以导致测得的视宁度偏小;个别视宁度偏大是由于观测中遇到望远镜的跳动引起图像星像拖长，测量了拖长星像或者测到图像中重叠的星像造成的。因此研究中合理剔除了小于0.5″和大于4.0″的视宁度值，最终得到了27 991组视宁度值，其散点图见图1，统计直方图见图2。从图中可以得到，威海天文台的视宁度主要分布在1.2″～2.0″，其中在1.4″～1.8″的范围内出现的概率最大。2008 年视宁度的平均值为1.68″，标准偏差为0.37″，2009年视宁度的平均值为1.70″，标准偏差为0.39″。可见威海两年视宁度的平均值及标准差都比较稳定，平均值为1.69″，年标准偏差为0.38″。

图1 2008～2009年视宁度散点图Fig.1 The scatter of seeing from year2008 to year2009

图2 2008～2009年视宁度直方图及统计图Fig.2 Number distribution and cumulative probability distribution of seeing from year2008 to year2009

山东大学威海天文台2009年不同季节视宁度的分布情况见图3。从图中可以看出春季(3、4、5月)、冬季(12、1、2月)的峰值视宁度略小，但4个季节的平均值没有太大差别。

图3 2009年各季节的视宁度分布直方图Fig.3 Number distribution of seeing in the four seasons of2009

1.2 视宁度的一些变化规律

采用文［6］中的方法，求出了视宁度的月平均值和日平均值。其中图4为视宁度的月平均变化图，对2008年、2009年各月的视宁度分别计算了平均值及标准偏差。从图4可以看出:2008年从1月到5月视宁度月平均值呈现逐渐增大的趋势，说明在这段时间内大气不稳定性增加。2008年6月、7月视宁度平均值较小，经分析，2008年6、7月视宁度值较小的原因可能是6、7月下雨较多，观测时间大多是在雨过天晴，这种情况下会出现较好的视宁度状况，并且这两个月的数据量相对较少，可能会造成统计上的差距。由于天文台在2008年9、10月的观测中使用了缩焦镜，观测视场变大，为了不造成与其它数据的统计偏差，所以在分析时剔除了这两个月的数据。从图中还可以看出2009年1到5月视宁度也有总体变大的趋势。

另外，对照多个晚上视宁度变化发现一晚上的视宁度出现如下变化:在太阳落下后(因不同季节而时间不同)，视宁度首先增大，然后慢慢减小趋于稳定，在接近天亮时视宁度又呈现增大的趋势［4，7］，如图5，由于篇幅所限，图5仅给出一个晚上作为示例，图中是2008年1月25日18时至2008年1月26日5时视宁度和温度的变化曲线，当晚的相对湿度范围是52%～58%，风速范围是8.0～11.1 m/s，都比较稳定。这可能主要是温度的影响，在太阳落山后温度会下降，然后趋于稳定，所以视宁度出现先增大然后减小的规律;在太阳升起前温度会变化从而视宁度出现增大的趋势，但影响视宁度的因素很多，并且各种因素会交织在一起，所以其中的规律还需要做大量的细致研究。

图4 2008～2009年视宁度月平均统计图Fig.4 Monthly average seeings from year2008 to year2009

图5 2008年1月25日至26日晚的视宁度变化图Fig.5 Variation of seeing in the night of Jan.25 to Jan.26 of2008

2 视宁度与气象因素的关系

为了探讨视宁度值与气象因素的关系，对得到的2008年、2009年27 991组视宁度值、398 615组气象数据进行了整理，得到视宁度与气象数据在时间上匹配的共7 602组数据，利用控制变量法对所得数据进行了分析研究。

影响视宁度的因素很多而且比较复杂［8］，本文主要探讨了风速、温度及湿度与视宁度之间的关系，但是要同时研究风速、温度、湿度与视宁度的关系比较复杂，因此在所有数据中找出其中两个量基本不变，但另一个量变化的夜晚来研究视宁度与变化量之间的相关关系，这也就是所说的控制变量法。图6、图7就是其中找到的两个晚上的数据作为示例，图6显示的是2008年12月16日晚至17日视宁度与风速的关系，当晚的温度范围是3～4℃，相对湿度范围为70%～75%，因此温度、湿度基本保持稳定，结果显示视宁度与风速的变化趋势相同，视宁度总体上有随着风速的增大而增大。另外找出了风速、湿度比较稳定的数据进行研究，通过大量的图像分析比较发现，温度保持稳定的情况下视宁度较小且比较稳定，当温度发生变化时视宁度变大，而且温度变化越剧烈视宁度增大得越快，图7为2009年1月6日至7日视宁度与温度的关系，当晚的相对湿度和风速比较稳定，从图中可以看出当温度变化时视宁度增大。

图6 视宁度与风速的关系图Fig.6 The relation between the seeing and wind speed

图7 视宁度与温度的变化关系Fig.7 The relation between the seeing and temperature

3 结论

本文对山东大学威海天文台2008～2009年间的所有观测图像数据用编写的IRAF程序进行处理，共计获得了27 991组视宁度值，对视宁度及对应的气象数据进行了整理分析研究，得到如下结论:

(1)山东大学威海天文台的视宁度平均值为1.69″，标准偏差为0.38″，视宁度主要分布在1.2～2.0″，在1.4 ～1.8″的范围内出现的概率最大。

(2)综合考虑视宁度及气象数据，春季、秋季相对比较适宜观测，冬季也不错，但冬季会出现一些大风的天气。可能原因是春秋季温差小、晴天数多、风速相对小，降雨少、能见度好。

(3)温度的变化会引起视宁度的增大，而且温度变化越剧烈视宁度增大越快;视宁度与风速的变化趋势相同，视宁度随风速的增大而增大。其中温度的变化对视宁度的影响较大。

［1］钱铜铃，李玉兰，尚琼珍，等.云南天文台大气视宁度观测和初步探讨 ［J］.云南天文台台刊，1996(S1):57－63.Qian Tongling，Li Yulan，Shang Qiongzhen，et al.Seeing Observation and Primary Approach at the Yunnan Observatory ［J］.Publications of the Yunnan Observatory，1996(S1):57－63.

［2］侯金良.天文选址的主要参数及测量方法 ［J］.天文学进展，1994(2):126－132.Hou Jinliang.Site Testing Parameters and Their Measurements ［J］.Progress in Astronomy，1994(2):126－132.

［3］钱伯辰，陶隽，潘红鉴.1.56 m望远镜的FWHM和CCD照相机像素格值测定结果 ［J］.中国科学院上海天文台年刊，1996(17):286－288.Qian Bochen，Tao Jun，Pan Hongjian.The Determination of Pixel Value of CCD Camera and FWHM of 1.56m Telescope ［J］.Annals of Shanghai Observatory Academia Sinica，1996(17):286－288.

［4］岑学奋，钱铜铃，王建成，等.高美古的大气视宁度 ［J］.云南天文台台刊，2002(4):45－50.Cen Xuefen，Qian Tongling，Wang Jiancheng，et al.The Seeing at Gaomeigu in2000 and2001［J］.Publications of the Yunnan Observatory，2002(4):45－50.

［5］郭锐，杨磊，翟东升，等.丽江高美古2号点的大气视宁度观测 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2008，5(4):398－403.Guo Rui，Yang Lei，Zhai Dongsheng，et al.The Observation of Seeing at the No.2 Site in Gaomeigu ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(4):398－403.

［6］刘子忠，栾蒂，于建明，等.高美古全夜视宁度的变化 ［J］.云南天文台台刊，1999(1):42－50.Liu Zizhong，Luan Di，Yu Jianming，et al.The Seeing Variation in Night at the Gaomeigu Station ［J］.Publications of the Yunnan Observatory，1999(1):42－50.

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［8］王继昌，姚永强，杨国安.西藏物玛与新疆卡拉苏天文候选点的气象条件 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2008，5(4):404－414.Wang Jichang，Yao Yongqiang，Yang Guo’an.Meteorogical Conditions at the Astronomical Candidate Sites in Oma，Tibet and Kalasu，Pamirs ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(4):404－414.