威海天文观测气象数据统计研究

徐靖然 ， 王刚， 胡绍明

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500； 2.山东大学 空间科学与物理学院,山东 威海 264209)

光变是活动星系核的重要特性，也是观测研究活动星系核中心结构、物理过程的重要手段.使用天文观测系统对活动星系核进行测光或光谱观测，并对观测数据进行时域或频域的分析研究是获得这类天体光变及其他物理信息最常用的手段.尽管当今的天文观测已进入全波段的时代，但地面的光学观测仍然是非常重要的观测波段，而地面光学观测会受大气条件等诸多因素影响[1-4].

光学观测系统是通过望远镜收集天体光学波段的电磁辐射，进而传输到计算机等设备进行实时观测的系统.利用光学观测系统观测活动星系核时，研究的科学目标对测光精度、信噪比、时间覆盖、采样率、探测极限等提出了要求，通常在高的地平高度角、良好的大气视宁度、均匀的温度分布、较低的湿度、较小的风力等条件下进行观测可获取较为理想的观测数据.基于活动星系核观测研究对望远镜设备及观测条件的要求，需要对天文台的气象环境进行测量和分析，以期制定科学合理的长期观测计划，在观测条件较好的季节或时间段进行观测，提高观测数据质量.同时当进行长期光变研究时，需要考虑观测数据的时间覆盖、采样率等因素，需要掌握观测台站长年的观测气象条件规律，从而对大样本观测目标制定全年长期的科学观测计划，减少各种不良因素对观测结果的影响.

气象条件是天文台址选择中的一项重要因素，自20世纪60年代开展的天文观测台址勘测以来[5-9]，人们逐渐发展并制定了一套评估观测台址好坏的标准，从而为台址的选择设立了一套科学参数体系[10-11].影响天文台观测活动的参数一般被分为三个部分：普查参数、定点观测参数和其他参数.其中，定点观测参数主要包括：大气视宁度(大气的湍流分布)、大气中积分水汽的含量、夜天光影响和气象学参数.气象学参数主要包括风速、风向、温度、相对湿度等参数.

本文利用威海天文台的天文观测气象数据，通过将原始数据进行筛选比对，统计2008年至2015年间温度、湿度、风向和风速的数据，并且将这些数据进行分析，从而得出威海天文台气象数据的规律性与分布特征，从而为威海天文台观测活动星系核等天体观测策略的制定提供科学指导和科学依据，也为设备的安全长期运行提供科学依据.

1 观测系统简介

山东大学威海天文台(威海市天文台)位于东经122° 02′ 58.6″，北纬37° 32′ 09.3″.当地属北温带季风大陆性气候，四季变化和季风进退明显.与同纬度内陆地区相比，具有气候温和的特点.天文台位于山东大学威海校区玛珈山顶，海拔110 m.玛珈山北邻黄海，其海面空气温度相对稳定，大气湍流较弱，适宜于天文观测活动的开展.

山东大学威海天文台有东西两座天文台，东天文台配有30 cm的折射式望远镜，主要用于教学任务及对外科普等工作.西天文台安装1.0 m口径反射式光学望远镜.主要开展活动星系核、空间碎片、系外行星及变星等方面的观测研究.

2 数据采集

山东大学威海天文台配套有气象站，气象站有温度、湿度、风速和风向等传感器，可实时获取天文观测气象数据.气象站配置了Weatherlink数据采集软件，此软件具有控制自动气象站的功能，可以对气象站的监测参数进行设置并进行实时监测数据的下载，此外还可以进行数据分析、数据传输等功能.

本研究使用了威海天文台自2008年6月2日至2015年3月11日间近7年的天文观测气象监测数据，其中从2008年6月2日至2008年6月26日是以30 min为采样间隔，2008年6月27日至2015年3月11日是以5 min为步长进行数据采样,主要包括以下监测数据：

(1)Temp Out：温度传感器读数，即温度传感器测量周围环境在一段时间间隔内的平均温度.此外，Weatherlink软件中还将每一段时间间隔内的最大温度和最小温度予以记录；

(2)Out Hum：湿度传感器读数，即湿度传感器测量周围环境中一段时间内的平均湿度.

(3)Wind Speed：风速，即风速传感器测量周围环境中一段时间内的平均风速.此外，Weatherlink软件还将每一段时间间隔内的最大风速进行记录.风速的测量精度为1 m/s，测量范围为1-68 m/s.

(4)Wind Direction：风向，传感器测量周围环境一段时间内的风向.Weatherlink软件中将风向分为N(北)、NNE(北东北)、NE(东北)、ENE(东东北)、E(东)、ESE(东东南)、SE(东南)、SSE(南东南)、S(南)、SSE(南西南)、SW(西南)、WSW(西西南)、W(西)、WNW(西西北)、NW(西北)、NNW (北西北)共16个方位，如图1所示.此外，Weatherlink软件还将每一段时间内最大风速的风向进行了记录.

图1 风向16方位图

除以上介绍的数据参数之外，气象站还采集了露点温度、大气压力及风速总量等参数.

3 数据处理

气象站记录数据为TXT格式，其数据参数较多且监测数据量较大，因此进行研究分析前需对原始数据进行一定的处理.此外，测量设备损坏或失灵会造成一些时间段内测量的某项数据错误或者空缺，因此需要对原始数据进行筛选.数据筛选中以尽可能最大化利用原始数据、剔除无效数据并且保证数据真实有效性为准.

研究中使用IDL语言进行数据分析统计，首先从原始数据中对夜间天文观测可能造成影响的相关数据进行筛选，筛选出的参数包括温度、湿度、风速和风向.基于威海当地的地理位置，最长观测夜时间段为每天17：00至次日7：00，因此每天只筛选此时间段内的数据.随后剔除初步筛选后数据中的无效数据，同时记录下长时间无效数据的时间区间，以防止其影响数据按月、季节分析的结果.最后将筛选处理之后的数据进行归档输出，用于之后的统计分析.

4 统计结果及分析

气象学中对温度、湿度、风速和风向等物理参量有具体明确的定义[12].本研究中对筛选数据中温度、湿度、风速和风向数据在年度、季度、月份的均值和分布情况进行了统计和分析，此外还对日平均数据进行了单独的统计研究.

4.1 温度分析

温度变化会对光学系统和CCD相机及圆顶等电控设备的工作性能产生一定影响.温度梯度变化也会影响大气视宁度从而影响观测效率与观测质量，甚至对观测设备造成损伤.

图2 温度分布图

图2是威海天文台2008年至2015年的温度变化及分布图.从图中可以看出，威海天文台的温度分布呈现出周期为1 a的周期性规律，七年温度的平均值为11.9 ℃.

图3 月平均温度分布图

由于7年间有少量时间段内气象站或者传感器存在损坏或者维修等原因，因此原始数据中存在部分无效数据，2011年至2014年之间的数据比较完备，故选择这四年的数据进行详细的比对分析.图3给出了2011年至2014年这4年间的月平均气温,可以看出，威海天文台每年的月均温度的分布规律基本一致，四年内最高温度都出现在8月，月均最高温度22-26 ℃左右，四年内最低温度都出现在1月，月均最低温度-2至0 ℃左右.从四年的月均温度分布来看，威海天文台的月均温度有非常强的规律性，月均最高温度和月均最低温度以及变化趋势都基本一致，而且每年的月均温度的浮动范围都小于5 ℃.

威海天文台的温度适中，年均气温变化平缓，这种温度条件很适宜天文观测设备的使用.

4.2 湿度分析

空气的相对湿度会影响大气的透过率，从而影响活动星系核及其他观测的信噪比和探测极限，同时会影响望远镜镜片、CCD相机以及电控设备等观测设备的性能和使用寿命.当湿度过大时，可能造成望远镜以及CCD相机镜面结雾，大气透过率也会大大降低，从而严重影响观测效率和观测精度等性能指标.长时间在高湿度的环境中工作还会缩短仪器的使用寿命，所以应当尽量避免在高湿度的环境中进行天文观测.威海天文台规定相对湿度大于90%就必须关闭观测设备.

图4为从2008年至2015年的湿度分布图，其中包括了250 747组数据.从七年湿度分布图中可以看出，威海天文台湿度变化有1 a为周期的规律，年最低湿度都出现在五月左右.图5为这七年间的日均湿度分布图，它显示出的周期性与图4相一致.

图4 湿度分布图

图5 日均湿度分布图

图6 月均湿度分布图

同温度分析类似，对2011年至2014年的湿度数据做了月平均统计对比，如图6所示.从图中可以看出，这四年内相对湿度的月均变化具有一定的相似性，月均湿度最高都出现在7、8月份，最低都出现在3、5月份.其中，6、7、8月份的月平均湿度都超过了90%.

对所有相对湿度的数据进行了统计，结果表明湿度低于90%的数据量约占75%，而七年间的平均湿度约为76.24%.此外，还对2011年至2014年间每年的四个季度：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)的湿度分布数据进行了统计研究，统计结果如下表所示.

表1 湿度分布统计

从分析结果可以看出，威海天文台的春季、秋季和冬季的湿度平均值均低于75%，湿度相对较低，湿度大于90%的数值所占的比例也相对较低.威海天文台的夏季湿度平均值接近规定关闭设备的极限湿度值90%，并且湿度大于90%的占比较高，故不适宜观测设备的使用.仅从湿度的角度考虑，威海天文台在春季和冬季观测尤佳，应尽量避免湿度偏高的夏季观测.而在湿度较高的月份可考虑对观测设备进行维护和保养，从而提高观测效率，增加高质量数据产出.

4.3 风速及风向分析

风速是影响视宁度指标的重要因素之一，当风速过大时，大气不稳定会严重影响观测时的像斑大小，从而影响观测数据信噪比和测光精度等数据质量.威海天文台规定风速大于15 m/s时，天文观测设备必须关闭，以避免风速过大对观测设备的损坏和观测质量的严重下降.

图7为从2008年至2015年的风速分布图，图8为日均风速分布图.两图都未表现出明显的周期性规律.图9为2011年至2014年每年的月均风速分布图.从图中可以发现，四年的月均风速变化趋势基本一致.3、4月份月均风速较大，8、9月份相对较小.总的平均风速为4.95 m/s，平均风速相对较小.

图7 风速分布图

图8 日均风速分布图

与湿度分析类似，本研究也对上述风速分布进行了统计，其中共包含264 652组风速数据.结果表明，平均风速约为4.95 m/s，极值约为8-10 m/s.风速大于15 m/s的数据约占0.72%,风速超标数据占比较小.此外，为了分析每个季节的风速特征，还对2011年至2014年四年四个季节的风速分布进行了统计，统计结果如表2所示.

表2 风速分布统计

从统计结果可以看出，威海天文台的夏季和秋季的风速平均值均低于5 m/s，而风速大于15 m/s的日期大多集中在春季，即春季风速较大，最大风速甚至超过了23 m/s.此统计结果表明春季观测比较容易受到大风的影响.

稳定的风向也是拥有良好视宁度的重要指标之一.图10展示了2008年至2015年的风向统计图.从图中可以明显看出威海天文台的风向主要以东和南方向为主，此外，西北风也占有很大比重.

图10 7年的风向方位图

图11为2011年至2014年四季的风向分布统计图.从图中可以看出，春季和夏季风向主要以东南风和东风为主，秋季主要以东南和西北风为主，而冬季主要以西风和西北风为主.从统计图中可以发现威海天文台四季中东北风和北风占有很小的比重.每个季节内风向比较稳定.

图11 四季风向方位图

5 结 论

对威海天文台2008年6月2日至2015年3月11日的天文观测气象数据进行了处理分析和研究.从研究结果中可以发现，威海天文台的温度、相对湿度、风向和风速都具有一定的规律.具体研究结果如下：

(1)威海天文台的温度适中，温度变化以1 a为周期，且月平均温度变化趋势高度相似.这种稳定的温度条件适合天文观测设备的使用.

(2)威海天文台的平均相对湿度为76.24%，湿度变化具有明显1 a的周期性特征，且每年的月平均湿度变化趋势较为相似.但是威海天文台在夏季(6至8月)的湿度较大，平均湿度接近90%，湿度大于90%的比例约为50%，不利于天文观测，因此在夏季应减少设备的使用，转而对设备进行定期维护、保养与检测等工作.

(3)威海天文台的平均风速为4.95 m/s，平均风速适中.月平均风速有较为相似的分布规律.夏季和秋季的风速平均值均低于5 m/s，而风速大于15 m/s的情况大多发生在春季，其风速平均值为5.77 m/s，最大风速甚至超过了23 m/s，表明在春季观测比较容易受到大风的影响，因此在春季观测应该着重注意防风，避免影响观测的质量和损坏观测设备.

(4)威海天文台的风向主要以东、南方向为主，此外，西北风也占有很大比重，北风和东北风所占比重很小.春季和夏季风向主要以东南风和东风为主，秋季主要以东南和西北风为主，而冬季主要以西风和西北风为主.

(5)基于气象数据研究结果，活动星系核的长期观测中，春秋季可以安排较多的观测，春季观测要注意大风天气，夏天尽量避免安排观测.