移動(dòng)式極地大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)I.研制與試觀測(cè)

田啟國(guó) 柴博 吳曉慶 姜鵬，2 紀(jì)拓，2 金鑫淼 周宏巖，2

（1中國(guó)極地研究中心，上海200136；2中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系星系宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230026；3中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國(guó)科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

0 引言

中國(guó)南極昆侖站所在地Dome A是南極冰蓋海拔最高、溫度和水汽含量最低，并且具有連續(xù)黑夜的地區(qū)，這些獨(dú)特的自然條件使得這里有著紅外天光背景暗，大氣透過(guò)率高、邊界層低、視寧度小等極佳的發(fā)展天文學(xué)研究的潛質(zhì)［1-2］。受盛行下降風(fēng)的影響，南極地區(qū)風(fēng)速?gòu)谋w最高點(diǎn)向沿海方向逐漸增大，在各大冰穹處風(fēng)速很?。?］，最適宜開(kāi)展天文觀測(cè)。

在過(guò)去的20年里，在南極地區(qū)陸續(xù)開(kāi)展了大量的天文臺(tái)址參數(shù)測(cè)量工作，首先開(kāi)展該項(xiàng)工作的考察站是南極點(diǎn)附近的阿蒙森-斯科特站。Ashley等［4］、Nguyen等［5］和Phillips等［6］使用紅外光度計(jì)在南極點(diǎn)地區(qū)開(kāi)展的紅外天光背景亮度監(jiān)測(cè)顯示，該地區(qū)的紅外天光背景亮度在2.27—2.45μm宇宙窗附近比常規(guī)臺(tái)址要低兩個(gè)量級(jí)。溫度脈動(dòng)儀［7］、聲雷達(dá)（SODAR：Sound Detection and Ranging）［8］和差分像運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器（DIMM：Differential Image Motion Monitor）［9］的觀測(cè)結(jié)果顯示，南極點(diǎn)地區(qū)的視寧度約為1.8角秒，與常規(guī)臺(tái)址相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，但這一地區(qū)的平均邊界層厚度僅有～220 m［7］，而且等暈角和大氣相干時(shí)間好于任何常規(guī)臺(tái)址?，F(xiàn)在南極點(diǎn)地區(qū)已經(jīng)安裝了世界級(jí)的10 m口徑毫米／亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SPT：South Pole Telescope）［10］。Dome C的海拔（3 250 m）比南極點(diǎn)（2 840 m）更高，而且風(fēng)速更小，理論上臺(tái)址情況要優(yōu)于南極點(diǎn)［11］。Lawrence等［12］使用MASS（Multi-Aperture Scintillation Sensor）和SODAR的觀測(cè)結(jié)果顯示Dome C高度30 m以上的平均視寧度僅為0.27角秒。雖然Agabi等［13］使用DIMM和溫度脈動(dòng)儀觀測(cè)結(jié)果顯示，Dome C近地面的平均視寧度（約1.3角秒）和南極點(diǎn)相比沒(méi)有本質(zhì)的改觀［14］，紅外天光背景亮度也很接近［15］，但它的邊界層厚度只有～36 m，也就是說(shuō)只要把望遠(yuǎn)鏡架高到36 m以上，就可以獲得類空間的觀測(cè)條件。Dome C優(yōu)異的臺(tái)址觀測(cè)結(jié)果極大地激發(fā)了天文工作者在南極冰蓋最高點(diǎn)Dome A（海拔4 093 m）的選址工作［16-17］。Bonner等［18］使用SODAR得到Dome A的平均邊界層厚度僅有13.9 m，比Dome C還要薄，這顯示Dome A可能有著世界上最適宜的天文觀測(cè)條件。南京天文與光學(xué)技術(shù)研究所在測(cè)量Dome A視寧度方面做了大量的工作，利用他們研制的CSTAR（Chinese Small Telescope ARray）［19］可以對(duì)Dome A視寧度進(jìn)行間接評(píng)估，而且他們也研制了DIMM對(duì)直接測(cè)量Dome A視寧度做了嘗試［20］。另外，在第24次南極科學(xué)考察期間，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)也在Dome A嘗試安裝了配備三層風(fēng)速探測(cè)器的高度為17 m的塔，雖然沒(méi)有運(yùn)行，但為將來(lái)的工作做了經(jīng)驗(yàn)積累。除了位于Dome A的昆侖站外，中國(guó)還將在第30次南極科學(xué)考察期間建立中國(guó)第二個(gè)內(nèi)陸站——中國(guó)南極泰山站。泰山站位于中山站和昆侖站之間，它優(yōu)越的地理位置可為在這里開(kāi)展天文觀測(cè)提供充分的后勤保障。

大氣湍流是造成望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量下降的主要原因，與大氣湍流強(qiáng)度的高度分布成定量關(guān)系的視寧度是衡量天文臺(tái)址優(yōu)劣的重要指標(biāo)。除視寧度外，等暈角θ0、相干時(shí)間τ0等天文臺(tái)址參數(shù)都與的高度分布之間發(fā)生聯(lián)系。通過(guò)使用球載［21］和塔載［7］多層溫度脈動(dòng)儀測(cè)量的高度分布是在常規(guī)臺(tái)址和南極獲得視寧度等臺(tái)址參數(shù)的常用方法。1996年Marks等［7］在27 m高的塔上安裝了3層溫度脈動(dòng)儀，獲得了南極點(diǎn)地區(qū)的視寧度。本文研制的移動(dòng)式極地大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，使用塔載單層溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)［22-23］，兩層溫度濕度、風(fēng)速風(fēng)向傳感器，以及氣壓與地表輻射溫度傳感器，分別實(shí)現(xiàn)近地面和常規(guī)氣象參數(shù)的測(cè)量。通過(guò)在合肥和上海兩地約500 h的測(cè)試運(yùn)行顯示，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)兩種方法得到的符合得較好。在國(guó)內(nèi)試運(yùn)行結(jié)束后，儀器將隨中國(guó)第30次南極科學(xué)考察隊(duì)運(yùn)往泰山站，在度夏期間首次開(kāi)展泰山站的測(cè)量、在越冬期間首次開(kāi)展中山站的測(cè)量；計(jì)劃在第31次南極科學(xué)考察期間，儀器將運(yùn)往昆侖站開(kāi)展昆侖站近地面的測(cè)量。在完成這些前期測(cè)量工作和經(jīng)驗(yàn)積累后，將對(duì)儀器進(jìn)行改造，安裝多層測(cè)量裝置，對(duì)中國(guó)內(nèi)陸站近地面大氣湍流強(qiáng)度的高度分布進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而得到視寧度等關(guān)鍵天文臺(tái)址參數(shù)，為今后大型望遠(yuǎn)鏡的安裝做好必要的積累。

1 移動(dòng)式極地大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)組成

如圖1所示，移動(dòng)式極地大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由CR5000數(shù)據(jù)采集器、CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)、溫度脈動(dòng)儀、HMP155溫度濕度傳感器、05103V風(fēng)速風(fēng)向傳感器、SI-111紅外溫度計(jì)、CS106氣壓計(jì)、485數(shù)據(jù)傳輸模塊、供電系統(tǒng)、3 m高支架等組成。其中CR5000數(shù)據(jù)采集器由美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)，該采集器集成了測(cè)量、控制、計(jì)算和存儲(chǔ)單元，在內(nèi)置的操作系統(tǒng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)可編程功能，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。CSAT3三維超聲風(fēng)速計(jì)和溫度脈動(dòng)儀可分別獨(dú)立完成的測(cè)量。在0.5 m和2 m的兩個(gè)高度上分別安裝了HMP155溫度濕度傳感器和05103V風(fēng)速風(fēng)向傳感器。485模塊用于數(shù)據(jù)傳輸。供電系統(tǒng)將考察站交流發(fā)電機(jī)提供的220 V交流電轉(zhuǎn)化為測(cè)量系統(tǒng)所需的12 V直流電。配備的蓄電池可以在交流電斷開(kāi)的情況下連續(xù)供電約100 h。系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

光波在大氣中傳輸會(huì)受到小尺度范圍內(nèi)折射率起伏的影響，這些起伏將引起光束擴(kuò)展、光斑抖動(dòng)和相干性退化。我們把折射率場(chǎng)的變化主要是由溫度起伏引起的湍流稱為光學(xué)湍流。度量光學(xué)湍流強(qiáng)度的量為折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在局地均勻各向同性湍流假定下，和空間兩點(diǎn)間距離 r存在如下關(guān)系［24］，

對(duì)于可見(jiàn)光和近紅外光波段，折射率的起伏主要是由溫度起伏引起的。因此在給定的高度，可直接由溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)得到［25］，

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The schematic diagram of the apparatus

表1 儀器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1.Key technical index of the apparatus

其中P（h）和T（h）分別是給定高度上的氣壓（hPa）和氣溫（K）。因此由式（2）通過(guò)測(cè)量慣性區(qū)內(nèi)空間兩點(diǎn)溫差的平方平均得到，再由式（3）得到這一方法稱為雙點(diǎn)溫差測(cè)量法。溫度脈動(dòng)儀采用雙點(diǎn)溫差測(cè)量法，通過(guò)兩個(gè)相距一定距離（通常是1 m）的微溫探頭測(cè)量空間兩點(diǎn)溫差，得到微溫探頭采用直徑為10μm，電阻為10—20Ω的金屬鉑絲，其電阻與溫度的關(guān)系是，

其中R0是在溫度為T0時(shí)金屬絲的電阻，α是金屬絲溫度電阻系數(shù)。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，金屬絲電阻值的變化為，

電阻值的變化，經(jīng)不平衡電橋轉(zhuǎn)化為電壓的變化，電壓放大器輸出的電壓變化ΔV和溫度變化ΔT一一對(duì)應(yīng)，

其中A是標(biāo)定系數(shù)，它是通過(guò)使用與微溫探頭阻值相近且溫度系數(shù)很小的固定電阻得到的。通過(guò)已知的電阻變化ΔR′，測(cè)量出溫度脈動(dòng)儀輸出電壓變化ΔV′。由式（5）和（6）即可得到標(biāo)定系數(shù)A＝αR0ΔV′／ΔR′。因此，使用溫度脈動(dòng)儀測(cè)量空間兩點(diǎn)溫差的平方平均得到溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)再由式（3）即可得到

三維超聲風(fēng)速計(jì)是利用多普勒效應(yīng)以及聲速是溫度和濕度的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量三個(gè)非正交軸上一定距離的超聲波脈沖傳輸時(shí)間，通過(guò)坐標(biāo)變換，得到風(fēng)速的三個(gè)分量以及超聲氣溫。三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的超聲氣溫Ts與氣溫T有如下關(guān)系：

q為比濕。通常大氣比濕＜40 g／kg，而作為世界上最干燥地區(qū)的南極，濕度的影響可以忽略，所以三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的超聲氣溫可以當(dāng)成氣溫。

由于三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的是空間單點(diǎn)超聲氣溫起伏時(shí)間序列數(shù)據(jù)，因此需要在泰勒假定下，結(jié)合風(fēng)速將空間一點(diǎn)測(cè)量的氣溫時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成空間兩點(diǎn)溫差，再由式（8）計(jì)算慣性區(qū)內(nèi)兩點(diǎn)溫差的平方平均得到這一方法稱為單點(diǎn)溫度測(cè)量法。

式中τ是時(shí)間間隔。通常取空間長(zhǎng)度為1 m，τ大小由實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速確定。

3 結(jié)果與討論

儀器性能測(cè)試在合肥和上海兩地進(jìn)行。在合肥測(cè)試期間，儀器安裝在安徽光機(jī)所大氣光學(xué)中心樓頂，溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的安裝高度距離地面約14 m，距離樓頂表面約2 m，在2013年9月18日到9月21日期間測(cè)試了4天，獲得了約100 h的測(cè)量數(shù)據(jù)；在上海測(cè)試期間，儀器安裝在中國(guó)極地研究中心主樓樓頂，溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的安裝高度距離地面約20 m，距離樓頂表面約2 m，在2013年10月12日到10月29日期間測(cè)試了18天，獲得了約400 h的測(cè)量數(shù)據(jù)。儀器的在線程序每20 s統(tǒng)計(jì)一次測(cè)量結(jié)果，為清楚起見(jiàn)，本文中展示的測(cè)量結(jié)果是10 min內(nèi)的平均值。

如圖2所示是在合肥測(cè)試期間使用溫度濕度傳感器HMP155測(cè)量的距離樓頂表面0.5 m和2.0 m高度處的氣溫，同時(shí)也給出了使用紅外溫度計(jì)SI-111測(cè)得的地表溫度；相應(yīng)高度處相對(duì)濕度的測(cè)量結(jié)果如圖3所示，圖中的0 h和2013年9月18日的0：00對(duì)應(yīng)。如圖4所示是使用風(fēng)速風(fēng)向傳感器05103V測(cè)得的距離樓頂表面0.5 m和2.0 m高度處的風(fēng)速，以及使用三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)得的風(fēng)速，結(jié)果顯示在2.0 m高度處兩種方法測(cè)得的風(fēng)速大小符合得很好。如圖5所示是使用氣壓計(jì)CS106測(cè)得的大氣壓。

圖2 HMP155溫度濕度傳感器測(cè)量的0.5 m、2.0 m高度處氣溫和SI-111紅外溫度計(jì)測(cè)量地表輻射溫度的比較Fig.2.Comparison between temperature at 0.5 m and 2.0 m level measured by HMP 155 temperature＆humidity sensors and the surface temperature observed by SI-111 infrared thermometer

圖3 HMP155溫度濕度傳感器測(cè)量的0.5 m和2.0 m高度處相對(duì)濕度的比較Fig.3.Comparison of the relative humidity at0.5 m and 2.0 m levelmeasured by HMP 155 temperature＆humidity sensors

如圖6給出了在合肥測(cè)試期間使用溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)得的結(jié)果，該結(jié)果顯示兩者變化趨勢(shì)和量級(jí)基本一致，在日出和日落時(shí)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)極小值，在正午測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)最大值。大約在每天的8：00—17：00之間兩種測(cè)量方法得到的符合得很好，在晚上由于大氣湍流強(qiáng)度變小，低于三維超聲風(fēng)速計(jì)的儀器噪聲，三維超聲風(fēng)速計(jì)的測(cè)量結(jié)果偏大。

圖4 風(fēng)速風(fēng)向傳感器05103V測(cè)量的0.5 m、2.0 m高度處風(fēng)速和三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速的比較Fig.4.Comparison between wind speed at 0.5 m and 2.0 m measured by 05103V wind speed＆direction sensors and that by CSAT3

圖5 CS106氣壓計(jì)測(cè)量氣壓的日變化Fig.5.The daily variation of atmospheric pressuremeasured by CS106 barometer

圖6 在合肥用溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的日變化比較Fig.6.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Hefei

圖7展示了在上海測(cè)試期間，從2013年10月 20日到10月23日4天典型的測(cè)量結(jié)果。與合肥的測(cè)量結(jié)果類似，兩種測(cè)量方法得到的結(jié)果具有同步的周期性變化，而且在白天湍流較強(qiáng)時(shí)兩者符合得很好，晚上湍流較弱時(shí)，三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的結(jié)果則高于溫度脈動(dòng)儀的測(cè)量結(jié)果。

圖7 在上海用溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量的日變化比較Fig.7.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Shanghai

4 結(jié)論

本文研制了配備溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)的移動(dòng)式極地大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量新建泰山站、中山站以及昆侖站的大氣湍流強(qiáng)度和常規(guī)氣象參數(shù)。在合肥和上海兩地進(jìn)行的總共約500 h的儀器性能測(cè)試顯示，儀器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，使用溫度脈動(dòng)儀和三維超聲風(fēng)速計(jì)兩種方法測(cè)得的符合得很好。儀器將在第30次中國(guó)南極科學(xué)考察泰山站建站期間開(kāi)展泰山站測(cè)量、在越冬期間首次開(kāi)展中山站測(cè)量，并計(jì)劃在第31次南極科學(xué)考察期間開(kāi)展昆侖站近地面測(cè)量。然后對(duì)儀器進(jìn)行改造，安裝多層測(cè)量裝置，對(duì)中國(guó)內(nèi)陸站近地面大氣湍流強(qiáng)度的高度分布進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而得到視寧度等關(guān)鍵天文臺(tái)址參數(shù)，為今后大型望遠(yuǎn)鏡的安裝做好必要的積累。

致謝非常感謝南京天文與光學(xué)技術(shù)研究所袁祥巖研究員對(duì)我們工作的支持和早期的討論，感謝中國(guó)極地研究中心鄒正定機(jī)械師在儀器調(diào)試期間以及在泰山站觀測(cè)過(guò)程所做的大量工作，感謝中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所碩士研究生汪平在儀器調(diào)試期間給予的大量幫助。

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