2016 年河北兴隆站中性风温和气辉辐射强度分布数据集

袁韦，徐寄遥，朱亚军，李钦增，刘伟军，姜国英，孙龙昌，吴坤，高红

1. 中国科学院国家空间科学中心，空间天气学国家重点实验室，北京 100190 2. 中国科学院大学，北京 100049

引 言

中高层大气气辉的被动光学地基观测能够获取中高层大气中性风温数据和气辉辐射强度分布数据，为中高层大气的上下圈层耦合、太阳活动变化、特殊天气事件相关的气辉辐射研究提供重要实测资料，也为中高层大气模式建立提供长期的连续观测资料。子午工程在河北兴隆站建设了Fabry-Perot 干涉仪（简称F-P 干涉仪）设备[1]和全天空气辉成像仪（简称成像仪）[2]两个地基观测设备，观测提供中高层大气中性风温数据和气辉辐射强度分布数据。

F-P 干涉仪是美国国家大气研究中心（UCAR）的产品，设备采用直径为10 mm 的标准具和1024×1024 像素的科学级成像CCD 探测器，输入观测位置等基本信息后能够实现自动控制和数据采集等观测过程的全自动运行。设备从2010 年4 月开始在兴隆站观测运行，设备仅在夜间观测，提供了3 个气辉辐射峰值高度区域中性风温10 年的观测数据。中国气象局山西岢岚站稍后也建设了同类型的设备，经过比对分析两个站点的数据[3]，两地的数据均有用于中高层大气的分析研究。

成像仪由加拿大KEO 科技公司制造。设备采用180 度视场鱼眼镜头成像光路和1024×1024 像素的科学级成像CCD 探测器，全自动控制数据采集与运行。从2009 年11 月开始在兴隆站观测运行，设备仅在夜间观测，提供中高层大气气辉辐射峰值高度87 km 区域的气辉辐射强度分布数据，数据的时间分辨率为3 分钟，已有10 年的观测数据积累。

利用F-P 干涉仪和成像仪长期连续的地基观测数据，在同类设备数据研究的基础上[4,5]，设备团队开展了中高层大气物理过程、化学过程与事件的分析，分析了地形环境对高层大气波动的影响[2,6-7]，雷暴产生的高层大气波动[8-9]，中层顶大气潮涌事件[10,11]，我国中纬地区电离层扰动[12-13]，我国低纬地区电离层等离子体泡的特性[14,15]，台风等剧烈事件的作用[16-17]，高层大气震荡[18-21]等科学问题，广泛开展了前沿科学研究。

本文介绍2016 年兴隆站Fabry-Perot 干涉仪和全天空气辉成像仪观测的数据，包括87 km、96 km 和250 km 三个气辉辐射峰值高度的大气中性风温数据和87 km 高度的气辉辐射强度分布数据。科研用户如需要其他观测年份的数据，请联系中科院国家空间科学中心空间科学数据中心（CSSDC）。

1 数据采集和处理方法

1.1 水平中性风温数据

兴隆站F-P 干涉仪提供3 个气辉辐射通道的夜间观测的水平中性风温数据。3 个通道分别为OH气辉892.0 nm、OI 气辉557.7 nm 和OI 气辉630.0 nm，对应的辐射峰值高度为87 km、96 km 和250 km。3 个通道依次运行组成一个循环，一个循环的时长约为1 小时。随季节不同每个晚上的观测包含十多个观测循环。每个通道的观测数据包含气辉通道、观测时间、径向风、纬向风、温度和径向风误差、纬向风误差、温度误差。

干涉仪利用F-P 标准具把来自气辉高度的大气运动引起的气辉辐射的多普勒频移记录在CCD上，通过与校准的稳频激光干涉图样进行比较，反演分析观测的干涉图样数据，获取观测方向的视线风速，再利用几何关系得到气辉高度上的大气水平风场数据[1]。同样，通过分析观测的干涉图样的宽度的变化，比较分析得到气辉谱线宽度变化，得到气辉高度上的大气温度数据[21]。

兴隆站F-P 干涉仪厂家仅以直接提供数据处理软件的方式获取探测数据，只提供EXE 格式的数据处理软件，运行后得到当晚观测的风温数据。干涉仪数据产生过程如图1 所示。从干涉图像中反演计算风速的方法通常有半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法等方法[22]，具体的数据处理和数据应用可以参考引言中的同行论文。

图1 干涉仪数据产生过程

1.2 气辉辐射强度分布数据

成像仪利用陷波滤光片选取中高层大气气辉辐射峰值高度为87 km 的OH 气辉波段，陷波滤光片带宽参数为715～930 nm+，陷波865±18 nm。设备连续观测，提供87 km 高度区域的夜间的气辉辐射强度分布数据。将每一次曝光的数据以png 格式存储，数据的时间分辨率为3 分钟。

由于全天空气辉成像仪采用180 度视场的鱼眼透镜收集气辉辐射信息，中高层大气区域的空间位置成像在CCD 探测器上，形成不同的成像位置，由于鱼眼镜头成像存在较大的畸变，且呈现非线性变化，因此，在图像处理中需要按照星图位置标定和校准数据图像中的像素点与气辉层高度上空间点的位置，保证像素点与实际的空间点保持一致。从OH 气辉辐射强度分布数据的文件中提取大气波动信息可以采用图像差分法[2]，也可以通过滑动平均的方法获取大气波动的信息。根据研究的需要，可以采用更多的图像数据处理方法来提取需要的信息。全天空气辉成像仪数据产生过程如图2所示。不同的科研用户将使用适合自己的数据处理方法，针对聚焦的科学问题，选择最优的处理方法，例如单幅图像提取方法、前后图像差分法、图像谱分析方法等。具体的数据处理和数据应用可以参考本文引言中已经发表的论文等。

图2 全天空气辉成像仪数据产生过程

2 数据样本描述

2.1 水平中性风温数据

观测收集的数据经过反演软件运行后，得到Fabry-Perot 干涉仪的水平中性风温数据格式示例（2016 年第268 天），如图3 所示。

图3 水平中性风温数据格式示例（节选）

以下分三个部分解释数据内容。

2.1.1 数据文件第一部分

数据文件第一行。

本文件的观测次数是194 次，有对应的194 个数据段落。

2.1.2 数据文件第二部分

数据文件第二行到第十行。

这是第一个数据段落，探测信号来源于定标激光器，提供当晚全部观测的数据基准，这段数据不包含大气风场和温度的探测数据。

数据段中“16268/2016268103326_36328_4_p072p180”的含义为：16268 表示为2016 年的第268天，即2016 年9 月24 日。103326 为数据记录的时间，即世界时10 时33 分26 秒；36328 为第3通道，波长为6328 埃，p072p180 表示方位角为72 度，天顶角为180 度，此处表示为竖直向下的天顶方向。

该文件记录的信息仅应用在当晚观测的中性风温的数据反演处理中，用户可以忽略具体内容。

2.1.3 数据文件第三部分

数据文件第十一行到文件尾。

以上是8920 波段在一个方向上的一次测量的全部数据。当次观测记录的时间为世界时10 时34分34 秒；28920 为第2 通道，波长为8920 埃，p000p000 表示方位角为0 度，天顶角为0 度，此处表示为竖直向上的天顶方向。

8525.013367938862 数据段4 个数值，第1 个数表示总风场，单位为米/秒，没有无效缺省值；第2 个数表示对应的温度，单位为开，没有无效缺省值；第3、4 个数为亮度与背景亮度，用户可以忽略。

7.137907077583560 数据段4 个数值，第1 个数表示总风场误差，单位为米/秒，没有无效缺省值；第2 个数表示对应的温度误差，单位为开，没有无效缺省值；第3 个、第4 个数为亮度与背景亮度误差，用户可以忽略。

紧接着是8920 波段在另外4 个方向探测的数据，5 个数据组成该波段的全部观测内容。

此后，开始变换到5577 波段、6300 波段，进行循环观测，一直运行，直到设置的停止时间，结束当晚的全部观测。

与p000p000 说明类似，观测过程中使用的观测方向分别为：

p000p045 说明天空扫描仪方位角为0 度，天顶角为+45 度，表示为向东方向观测；

p000n045 说明天空扫描仪方位角为0 度，天顶角为-45 度，表示为向西方向观测；

p090n045 说明天空扫描仪方位角为90 度，天顶角为-45 度，表示为向北方向观测；

p090p045 说明天空扫描仪方位角为90 度，天顶角为+45 度，表示为向南方向观测。

设备运行时，每个气辉通道观测5 个方向，算术平均得到风场的平均值，单个方向的数值与平均风场的差值为观测方向的视线风场。再根据视线风场数值，利用几何关系计算气辉峰值高度处水平风场数值。厂家定义风场指向北方和东方的风速数值为正值。平均风场误差为该通道5 次观测误差的均方根值。

数据举例：2016 年的第268 天的气辉辐射的峰高分别为87 km（892.0 nm）、96 km（557.7 nm）和250 km（630.0 nm）的三个波段对应的水平中性风温数据，如图4、图5、图6 所示。

图4 兴隆站上空87 km（892.0 nm）高度处的水平中性风温数据（2016 年的第268 天）

图5 兴隆站上空96 km（557.7 nm）高度处的水平中性风温数据（2016 年的第268 天）

图6 兴隆站上空250km（630.0nm）高度处的水平中性风温数据（2016 年的第268 天）

2.2 气辉辐射强度分布数据

全天空气辉成像仪的观测数据文件以图像格式存储。CCD 像素为1024×1024，设备的观测视场角为180 度。根据中高层大气气辉辐射峰值高度为87 km，计算该高度区域的大气的波动特性参数，为科学研究提供实测资料。

2016 年8 月20 日20:14:52 记录的全天空气辉成像仪的OH 气辉观测数据如图7 所示。

图7 全天空气辉成像仪的OH 气辉观测数据（2016 年8 月20 日20:14:52）

在同一时间段，子午工程海南富克站的全天空气辉成像仪产出同类型的观测数据，可以满足同类数据分析和研究的需求。

3 数据质量控制和评估

F-P 干涉仪进行被动光学观测，数据质量除了受设备自身故障影响外，还受观测室和站点周围的环境影响，包括人为光源、雨雪天气等外在因素的影响，表现为单个数值剧烈变化，或者出现数据缺失，对应的数值为-999.999，在数据筛选过程中去除该次观测。此外，由于设备的扫描系统故障和数据采集系统故障造成了部分时间的数据缺失。

全天空气辉成像仪进行夜间不间断观测，不管外界环境情况，设备正常运行时能够在设置观测的时间内一直记录观测数据。通过分析观测数据中的星体图像质量判断数据是否可用，进而在数据中提取研究需要的物理信息，不同的研究目的和研究人员将根据自己的要求使用不同的提取方法。此外，由于设备的数据采集系统故障造成了部分时间的数据缺失。

4 数据价值

本数据可支持中高层大气风场的长期变化的特性研究，也可以应用于空间天气特殊事件环境下中高层大气风场的响应研究，为我国上空空间环境相关的研究与工程项目提供数据支持，提供大气建模的基础数据。

致 谢

本数据论文的完成得到了国家科技基础条件平台- 国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。

作者分工职责

袁 韦（1968—），男，博士，高工，主要承担设备运行和数据生产工作。

徐寄遥（1959—），男，博士，研究员，主要承担探测计划及管理工作。

朱亚军（1985—），男，博士，研究员，主要承担数据生产和分析工作。

李钦增（1982—），男，博士，副研究员，主要承担数据分析工作。

刘伟军（1985—），男，博士，副研究员，主要承担数据生产工作。

姜国英（1979—），女，博士，副研究员，主要承担数据分析工作。

孙龙昌（1988—），男，博士，副研究员，主要承担数据分析工作。

吴 坤（1989—），男，博士，副研究员，主要承担数据分析工作。

高 红（1981—），女，博士，研究员，主要承担数据分析工作。