用于南极天文选址的移动式大气参数测量系统

吴晓庆

(中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031)



用于南极天文选址的移动式大气参数测量系统

吴晓庆

(中国科学院 安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽 合肥 230031)

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.我国在南极的天文项目近几年得到了快速发展，对南极区域的光学湍流时空分布进行测量和分析，是一项亟待开展的基础性天文工作.本文主要介绍研制的移动式大气参数测量系统，用于南极天文选址，得到了在泰山站近地面常规气象参数和大气湍流的初步测量结果.

天文选址；光学湍流；移动式测量系统

引 言

1 理论背景

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(2)

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超声风速计是利用多普勒效应以及声速是温度和湿度的函数关系，通过测量三个非正交轴上一定距离的超声波脉冲传输时间，通过坐标变换，得到风速的三个分量以及超声气温.超声风速计测得超声气温Ts与气温T有如下关系[8]:

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t1、t2为两束超声波脉冲反向通过声程为d时的传输时间，Vn是与声程d垂直的水平风速大小.q为比湿.在干燥的情况下, 超声气温Ts与气温T相差很小.

(6)

式中τ是时间间隔.通常取空间长度为1m，τ的大小由实测的平均风速V确定.

2 移动式大气参数测量系统设计

图1 安装在泰山站移动式大气参数测量系统

针对南极低温环境，系统设计集成时采取如下措施：

采用低温型数据采集器和485传输模块，低温型500米长数据传输线和低温型电缆.采用工业级直流稳压电源，并配有保温防护箱.

重新对温度脉动仪电路排版，关键元件采用工业级元器件，并采用防护性能更好的仪器盒.

所有传感器与采集器、采集器与传感器的供电、以及数据传输线等都采用高级航空插头插座方式连接.

装有LoggerNet应用软件的室内计算机通过485模块与外部设备数据采集器进行通讯、数据显示、数据下载以及系统状态监测.

针对现有温度脉动仪测量近地面光学湍流强度易受环境影响限制，超声风速计测量的超声虚温无法直接得到光学湍流强度，我们提出一种超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，采用高精度超声风速计测量的声虚温，通过对声虚温修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证.

3 初步测量结果

本文分析的数据是2013年12月30日系统安装完成开始观测至2014年2月10日科考人员返回带回的部分数据[10].

图2 实验期间超声风速计测量与温度脉动仪比较

图3 实验期间超声风速计测量频数分布与温度脉动仪比较

4 结论

致谢：特别感谢中国极地中心的大力支持，以及中国南极第30次科考队员金鑫淼在测量系统安装维护中发挥的重要作用.

[1] 侯金良.天文选址的主要参数及测量方法.天文学进展，1994,12(2)：127-132.

[2] RACINE R, ELLERBROEK B L. Profiles of the night-time turbulence above Mauna Kea and isoplanatism extension in adaptive optics[J]. Proc SPIE,1995,2534:248-257.

[3] MICHEL R, ECHEVARRIA J， COSTERO R, HARRIS O. The seeing at san pedro martir observatory as measured using the DIMM method[J]. Rev Mex Astron Astrofis， 2003,19:37-40.

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[6] 吴晓庆，钱仙妹，黄宏华，汪平，崔朝龙，青春.丽江高美古视宁度等晕角相干时间的探空测量[J].天文学报,2014，55(2):144-153.

[7] BELAND R R. Propagation through atmospheric optical turbulence[M]. in the Infrared and Electro-Optical Systems Handbook(F.G.Smith,ed.),Bellingham,WA,1993,161-176.

[8] KAIMAL J C, GAYNOR J E. Another look at sonic thermometry. Boundary-Layer Meteorology, 1991,56:401-410.

[9] 田启国,柴博,吴晓庆,姜鹏,纪拓,金鑫淼,周宏岩.移动式极地大气参数测量系统.I.研制与试观测,极地研究，2014(已收录).

[10] 吴晓庆，田启国，姜鹏，等.超声风速计测量南极泰山站近地面光学湍流的新方法.极地研究，2014 (待发表).

AMobileAtmosphericParameterMeasuringSystemforAntarcticAstronomySiteTesting

WU Xiao-qing

(Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China)

Astronomers have always sought the best locations for their large aperture telescopes. Chinese Antarctic astronomy began to flourish in recent years, for the measurement and analysis of optical turbulence temporal and spatial distribution in Antarctic region,as well as beginning a site testing programme to assess the quality of the plateau for astronomy, is an urgent need to carry out the basic astronomical work. This paper introduces a mobile atmospheric parameter measuring system for Antarctic astronomy site testing, and preliminary measurement results of atmospheric turbulence in surface layer at Antarctic Taishan Station.

astronomical site testing; optical turbulence; mobile measuring system

2014-10-25

国家自然科学基金项目(41275020)资助.

吴晓庆(1963-)，男，安徽宣城人，博士，研究员，博士生导师.主要从事大气边界层、大气湍流测量与模式研究.

吴晓庆.用于南极天文选址的移动式大气参数测量系统[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2014，37(6)：511-514.

T425.2+2

：A

：1001-2443(2014)06-0511-04