上海临港新城天文气象条件统计研究

杜芝茂 姚嵩 林清 宋腾飞 王晶星 陆琦 彭博

(1.上海科技馆 上海 200127;2.中国科学院云南天文台 云南昆明 650203)

临港新城地区位于上海东南角，地处长江口和杭州湾交汇处，东临大海，距上海市中心75 km。该地区海拔3 m，属于我国南北气候过渡地带，气候潮湿多风，30%的规划面积是新城规划后围垦成陆。上海自1872年就开始气象观测，有着连续140 年不间断气象观测记录，有较为完备的城市气象综合观测网络，到2017年共建成了260 多个自动气象站，空间间距达到区县5～6 km、市区约4 km。但是在临港新城这个围垦成陆的地区无地面气象监测站，无该地连续的气象条件监测数据[1]。

上海天文馆（上海科技馆分馆）是上海市政府投资兴建的集教育、研究、收藏、展示、交互功能为一体的科普基础设施，位于上海临港新城，为世界规模最大的天文馆。该项目于2014年立项，2021年7月17日建成开馆。在天文馆中设有望舒天文台和羲和太阳塔两座天文台，这两座天文台的位置距离东海边约5 km[2]。在国内，建于海边的天文台有深圳天文台和山东大学威海天文台。深圳天文台距离海边约300 m，海拔224 m[3]。威海天文台建成于2007年6月，距离海边约500 m，位于山东大学威海校区玛珈山顶，海拔110 m[4]。

对天文台台址的天文气象观测条件进行长期监测具有重要的意义。自20 世纪60 年代开展对天文观测台址勘测以来，人们逐渐总结出影响天文台观测数据质量的气象因素，主要包括大气视宁度、大气中积分水汽的含量、夜天光影响和其他气象学参数等[5]。例如：中国西部天文选址、山东大学威海天文台、深圳天文台都对当地天文气象观测条件长期进行监测，为天文台的正常运行提供具体指导。望舒天文台和羲和太阳塔这两座天文台在设计之前就开展了对临港新城的气象条件的监测工作。

该文利用该气象站从2017 年3 月1 日到2018 年4月18日期间的天文观测气象数据，利用中国气象局地面观测规范从相对湿度、露点、温度、风速和风向等几个方面进行系统的统计分析。研究了临港新城与天文观测相关的气象规律与分布特征。其结果既为后续两座天文台建筑及仪器的设计提供了科学依据，也为它们未来如何优化观测运行和保证设备长期、有效、安全运行提供了科学数据。

1 数据采集系统介绍

该研究采用的是戴维斯气象站，型号为：Vantage Pro2 Plus。该气象站集雨量采集器、温湿度传感器、风力计于一体，并配置了Weatherlink数据采集软件，通过无线的方式进行数据传输及记录。

依据上海天文馆羲和太阳塔和望舒天文台的台址建设需求，将气象站设立在距离两座天文台约2 km的临港管委会（东经121.9°，北纬30.9°），高约50 m 的楼顶位置。从2017年3月1日到2018年4月18日期间共收集到了377天气象数据。其中监测数据的时间间隔为1 min。气象数据包含风速、风向、温度、湿度、大气压、降雨量等要素。此外，气象站还记录了露点、大气压、风速总量等参数。

2 统计结果及分析

在气象学中对温度、相对湿度、风速和风向、露点等物理参量有明确的定义，该文对2017 年3 月1 日到2018年4月18日期间收集到的数据进行统计分析，着重对临港的相对湿度、风速、风向以及温度这4个参量进行详细分析。对每天24 h 内的数据，分成晨、昏、白天、夜晚这4个阶段来分别研究，以满足不同时区对天文观测的需要。

2.1 相对湿度

相对湿度相同温度下空气中水汽压与饱和水汽压的百分比，在天文研究中一般采用相对湿度来表征台址大气干燥程度。空气的相对湿度会影响大气的透过率，如果湿度过高会直接影响望远镜设备使用，严重影响望远镜的观测效率，甚至会造成望远镜系统中的电子设备线路短路等现象，造成不可逆的影响。

该文相对湿度总共的样本数为13 779个。图1为4 个时段相对湿度月均值的变化，全年中12 月份湿度最低，从5 月份开始湿度就开始升高了。从晨、昏、白天、夜晚这4个时段可以看出，黄昏和白天的平均湿度比清晨和晚上的平均湿度要低，早晨的平均湿度要略高于夜间，黄昏的平均湿度要高于白天。图2 为月平均湿度变化，可以看出全年中只有12月份湿度较低为65%，其他月份的湿度都高于73%，年平均湿度为76.9%。

图1 4个时段相对湿度月均值的变化

图2 月平均湿度的变化

根据马格努斯经验公式，在等压条件下，饱和水汽压只与温度有关。当温度降低，饱和水汽压也随之降低，相对湿度将增大；相对湿度为空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之比，当空气达到饱和，这时的温度为露点，当等压降温继续进行到超过饱和水汽压时，水汽凝结开始发生，便有结露发生[6]。该文对377天以来的每天的结露时长进行统计分析，具体见图3。有46.1%的时间不结露，有53.9%的时间是结露状态，其中结露2～4 h 占21.3%，结露4～6 h 占12.5%，结露6～8 h占9.4%，结露8～10 h占10.7%。从数据可以看出结露时间大于8 h 发生在一年中的3～10 月份。所以，在平常观测中一定要注意加强防结露的措施。

图3 每天结露时长

2.2 风速与风向

风速和风向是天文观测台址必须考虑的一个重要气象因素。稳定的风速和风向是产生良好大气视宁度的条件之一。当风速过大时，大气的不稳定会严重影响观测数据信噪比和测光精度。该文利用气象站监测资料对该测量点4 个时段的风速、风向和月平均风速进行统计。图4为4个时段平均风速随月变化直方图，统计结果显示，该址点最大风速为2.5 m/s，而最小风速为1.1 m/s。黄昏和白天的平均风速比清晨和晚上的平均风速要高；而从3月份进入湿季后，黄昏和夜晚的平均风速比清晨和白天的平均风速要高。总体上讲，该测量点的各个季节风速都不小。图5为风速全年总的直方图，可以看出该测量点年平均风速为1.9 m/s，全年10 月份平均风速最大，总体情况为冬季的风速高于夏季。

图4 4个时段平均风速月变化曲线

图5 平均风速随月变化直方图

2.3 气温

天文观测中，无论是白天观测还是夜间观测，望远镜的关键部件极容易受到环境温度的影响的工作性能。望远镜机械结构在极端环境温度下，会产生变形等现象，进而影响天文观测的精度。如果温度梯度变化很大会造成局部大气湍流现象，引起大气视宁度不稳定，从而影响观测效率与观测质量，甚至对观测设备造成损伤。此外，计算大气折射时同样需要考虑环境温度的影响。因此，全面掌握测量点的温度及变化规律具有重要的意义。图6 为4 个时段平均温度日变化曲线，从图中可看出，该测量点温度变化具有较强的周期性简谐振荡变化规律。该测量点每日的昼夜温差变化比较平均，在12 ℃～19 ℃之间。图7 为每月最高最低温度变化曲线，从图中可以看出最高温度37 ℃，出现在8月，而最低温度-3 ℃，出现在1月。统计分析年平均气温为16.7 ℃。

图6 4个时段平均温度日变化曲线

图7 每月最高最低温度变化曲线

3 结论与讨论

基于对上海临港新城377天的定点气象资料统计分析，该观测点的月平均湿度和月平均温度均有明显的周期性变化。可以准确地预测当地的天气变化情况，从而为后续夜间和白天望远镜的观测时间和观测目标给出准确的判断，有效提高望远镜的利用率。因为一年的资料只能说明一定的统计效应，对于临港新城地区天文气候的大尺度判断还需要进行更长时间的监测积累，根据数据分析有以下结论。

（1）临港地区的月平均湿度较高，年平均湿度为76.9%，一年中只有12月份湿度较低为65%，其他月份的湿度都高于73%。在该地区建设天文台湿度偏大，需要为设备配备大功率除湿机，使设备处在湿度为50%左右的环境之中，保证设备的使用寿命。结合国内外临海天文台长期气象站设备监测数据，并参考加那利群岛气象参数标准，认为90%是一个比较适合的相对湿度界限。当相对湿度高于90%时候建议关闭天文台停止观测。在3～10 月份期间，昼夜温差较大，空气容易出现过饱和状态，出现结露的频率较高，在观测的时候要采取防结露措施。建议在望远镜日常观测中一定要注意加强防结露的措施。望远镜不观测时，需在圆顶内使用除湿机降低水汽含量，并考虑望远镜关键部件电加热、吹风等措施。望远镜设计上，可以考虑封闭镜筒、延长遮光罩、在关键部件设计干燥剂存储盒、镜面镀憎水膜等方案。

（2）对于天文观测而言，温度变化太大会引起会引起大气不稳定性，造成局部大气湍流现象，直接影响天文观测数据的质量。通过大量的图像分析比较发现，温度保持稳定的情况下大气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。临港地区的每日的昼夜温差变化比较平均，在12 ℃～19 ℃之间。最高温度37 ℃，出现在8 月，而最低温度-3 ℃，出现在1 月。统计分析年平均气温为16.7 ℃，这种稳定的温度条件下，大气视宁度较为稳定，适合天文观测设备的运行。高温出现在8 月份，这段时间进行太阳观测时候，圆顶内温度容易短时间升高，形成热岛效应，造成圆顶内气流湍动较大，直接影响大气视宁度，进而影响天文观测数据质量。在这一时段圆顶内要进行热控处理，建议观测的时候圆顶内的窗户要全部打开，及时进行散热。

（3）在温度、湿度基本保持稳定的条件下，观测统计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。临港地区的年平均风速为1.9 m/s，全年10 月份平均风速最大，总体情况为冬季的风速高于夏季。稳定的风速有利于天文观测的进行。在每年的7～8 月份会受到台风影响，如果风速达到18 m/s 时，为了确保望远镜以及终端设备处于安全状态，圆顶天窗应该及时关闭，停止观测并关闭相关设备。

结合以上结论，基于当前的气象统计分析结果，认为在临港地区建设天文台开展天文观测是可行的。但是会有极端气象条件发生的可能性，需要提供稳定的保障措施，增强观测设备在气象条件不利时的应对能力。