上海臨港新城天文氣象條件統(tǒng)計研究

杜芝茂 姚嵩 林清 宋騰飛 王晶星 陸琦 彭博

(1.上海科技館 上海 200127;2.中國科學院云南天文臺 云南昆明 650203)

臨港新城地區(qū)位于上海東南角，地處長江口和杭州灣交匯處，東臨大海，距上海市中心75 km。該地區(qū)海拔3 m，屬于我國南北氣候過渡地帶，氣候潮濕多風，30%的規(guī)劃面積是新城規(guī)劃后圍墾成陸。上海自1872年就開始氣象觀測，有著連續(xù)140 年不間斷氣象觀測記錄，有較為完備的城市氣象綜合觀測網(wǎng)絡，到2017年共建成了260 多個自動氣象站，空間間距達到區(qū)縣5～6 km、市區(qū)約4 km。但是在臨港新城這個圍墾成陸的地區(qū)無地面氣象監(jiān)測站，無該地連續(xù)的氣象條件監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。

上海天文館（上海科技館分館）是上海市政府投資興建的集教育、研究、收藏、展示、交互功能為一體的科普基礎設施，位于上海臨港新城，為世界規(guī)模最大的天文館。該項目于2014年立項，2021年7月17日建成開館。在天文館中設有望舒天文臺和羲和太陽塔兩座天文臺，這兩座天文臺的位置距離東海邊約5 km[2]。在國內(nèi)，建于海邊的天文臺有深圳天文臺和山東大學威海天文臺。深圳天文臺距離海邊約300 m，海拔224 m[3]。威海天文臺建成于2007年6月，距離海邊約500 m，位于山東大學威海校區(qū)瑪珈山頂，海拔110 m[4]。

對天文臺臺址的天文氣象觀測條件進行長期監(jiān)測具有重要的意義。自20 世紀60 年代開展對天文觀測臺址勘測以來，人們逐漸總結(jié)出影響天文臺觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的氣象因素，主要包括大氣視寧度、大氣中積分水汽的含量、夜天光影響和其他氣象學參數(shù)等[5]。例如：中國西部天文選址、山東大學威海天文臺、深圳天文臺都對當?shù)靥煳臍庀笥^測條件長期進行監(jiān)測，為天文臺的正常運行提供具體指導。望舒天文臺和羲和太陽塔這兩座天文臺在設計之前就開展了對臨港新城的氣象條件的監(jiān)測工作。

該文利用該氣象站從2017 年3 月1 日到2018 年4月18日期間的天文觀測氣象數(shù)據(jù)，利用中國氣象局地面觀測規(guī)范從相對濕度、露點、溫度、風速和風向等幾個方面進行系統(tǒng)的統(tǒng)計分析。研究了臨港新城與天文觀測相關的氣象規(guī)律與分布特征。其結(jié)果既為后續(xù)兩座天文臺建筑及儀器的設計提供了科學依據(jù)，也為它們未來如何優(yōu)化觀測運行和保證設備長期、有效、安全運行提供了科學數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

該研究采用的是戴維斯氣象站，型號為：Vantage Pro2 Plus。該氣象站集雨量采集器、溫濕度傳感器、風力計于一體，并配置了Weatherlink數(shù)據(jù)采集軟件，通過無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸及記錄。

依據(jù)上海天文館羲和太陽塔和望舒天文臺的臺址建設需求，將氣象站設立在距離兩座天文臺約2 km的臨港管委會（東經(jīng)121.9°，北緯30.9°），高約50 m 的樓頂位置。從2017年3月1日到2018年4月18日期間共收集到了377天氣象數(shù)據(jù)。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間間隔為1 min。氣象數(shù)據(jù)包含風速、風向、溫度、濕度、大氣壓、降雨量等要素。此外，氣象站還記錄了露點、大氣壓、風速總量等參數(shù)。

2 統(tǒng)計結(jié)果及分析

在氣象學中對溫度、相對濕度、風速和風向、露點等物理參量有明確的定義，該文對2017 年3 月1 日到2018年4月18日期間收集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，著重對臨港的相對濕度、風速、風向以及溫度這4個參量進行詳細分析。對每天24 h 內(nèi)的數(shù)據(jù)，分成晨、昏、白天、夜晚這4個階段來分別研究，以滿足不同時區(qū)對天文觀測的需要。

2.1 相對濕度

相對濕度相同溫度下空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，在天文研究中一般采用相對濕度來表征臺址大氣干燥程度。空氣的相對濕度會影響大氣的透過率，如果濕度過高會直接影響望遠鏡設備使用，嚴重影響望遠鏡的觀測效率，甚至會造成望遠鏡系統(tǒng)中的電子設備線路短路等現(xiàn)象，造成不可逆的影響。

該文相對濕度總共的樣本數(shù)為13 779個。圖1為4 個時段相對濕度月均值的變化，全年中12 月份濕度最低，從5 月份開始濕度就開始升高了。從晨、昏、白天、夜晚這4個時段可以看出，黃昏和白天的平均濕度比清晨和晚上的平均濕度要低，早晨的平均濕度要略高于夜間，黃昏的平均濕度要高于白天。圖2 為月平均濕度變化，可以看出全年中只有12月份濕度較低為65%，其他月份的濕度都高于73%，年平均濕度為76.9%。

圖1 4個時段相對濕度月均值的變化

圖2 月平均濕度的變化

根據(jù)馬格努斯經(jīng)驗公式，在等壓條件下，飽和水汽壓只與溫度有關。當溫度降低，飽和水汽壓也隨之降低，相對濕度將增大；相對濕度為空氣中實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓之比，當空氣達到飽和，這時的溫度為露點，當?shù)葔航禍乩^續(xù)進行到超過飽和水汽壓時，水汽凝結(jié)開始發(fā)生，便有結(jié)露發(fā)生[6]。該文對377天以來的每天的結(jié)露時長進行統(tǒng)計分析，具體見圖3。有46.1%的時間不結(jié)露，有53.9%的時間是結(jié)露狀態(tài)，其中結(jié)露2～4 h 占21.3%，結(jié)露4～6 h 占12.5%，結(jié)露6～8 h占9.4%，結(jié)露8～10 h占10.7%。從數(shù)據(jù)可以看出結(jié)露時間大于8 h 發(fā)生在一年中的3～10 月份。所以，在平常觀測中一定要注意加強防結(jié)露的措施。

圖3 每天結(jié)露時長

2.2 風速與風向

風速和風向是天文觀測臺址必須考慮的一個重要氣象因素。穩(wěn)定的風速和風向是產(chǎn)生良好大氣視寧度的條件之一。當風速過大時，大氣的不穩(wěn)定會嚴重影響觀測數(shù)據(jù)信噪比和測光精度。該文利用氣象站監(jiān)測資料對該測量點4 個時段的風速、風向和月平均風速進行統(tǒng)計。圖4為4個時段平均風速隨月變化直方圖，統(tǒng)計結(jié)果顯示，該址點最大風速為2.5 m/s，而最小風速為1.1 m/s。黃昏和白天的平均風速比清晨和晚上的平均風速要高；而從3月份進入濕季后，黃昏和夜晚的平均風速比清晨和白天的平均風速要高。總體上講，該測量點的各個季節(jié)風速都不小。圖5為風速全年總的直方圖，可以看出該測量點年平均風速為1.9 m/s，全年10 月份平均風速最大，總體情況為冬季的風速高于夏季。

圖4 4個時段平均風速月變化曲線

圖5 平均風速隨月變化直方圖

2.3 氣溫

天文觀測中，無論是白天觀測還是夜間觀測，望遠鏡的關鍵部件極容易受到環(huán)境溫度的影響的工作性能。望遠鏡機械結(jié)構在極端環(huán)境溫度下，會產(chǎn)生變形等現(xiàn)象，進而影響天文觀測的精度。如果溫度梯度變化很大會造成局部大氣湍流現(xiàn)象，引起大氣視寧度不穩(wěn)定，從而影響觀測效率與觀測質(zhì)量，甚至對觀測設備造成損傷。此外，計算大氣折射時同樣需要考慮環(huán)境溫度的影響。因此，全面掌握測量點的溫度及變化規(guī)律具有重要的意義。圖6 為4 個時段平均溫度日變化曲線，從圖中可看出，該測量點溫度變化具有較強的周期性簡諧振蕩變化規(guī)律。該測量點每日的晝夜溫差變化比較平均，在12 ℃～19 ℃之間。圖7 為每月最高最低溫度變化曲線，從圖中可以看出最高溫度37 ℃，出現(xiàn)在8月，而最低溫度-3 ℃，出現(xiàn)在1月。統(tǒng)計分析年平均氣溫為16.7 ℃。

圖6 4個時段平均溫度日變化曲線

圖7 每月最高最低溫度變化曲線

3 結(jié)論與討論

基于對上海臨港新城377天的定點氣象資料統(tǒng)計分析，該觀測點的月平均濕度和月平均溫度均有明顯的周期性變化。可以準確地預測當?shù)氐奶鞖庾兓闆r，從而為后續(xù)夜間和白天望遠鏡的觀測時間和觀測目標給出準確的判斷，有效提高望遠鏡的利用率。因為一年的資料只能說明一定的統(tǒng)計效應，對于臨港新城地區(qū)天文氣候的大尺度判斷還需要進行更長時間的監(jiān)測積累，根據(jù)數(shù)據(jù)分析有以下結(jié)論。

（1）臨港地區(qū)的月平均濕度較高，年平均濕度為76.9%，一年中只有12月份濕度較低為65%，其他月份的濕度都高于73%。在該地區(qū)建設天文臺濕度偏大，需要為設備配備大功率除濕機，使設備處在濕度為50%左右的環(huán)境之中，保證設備的使用壽命。結(jié)合國內(nèi)外臨海天文臺長期氣象站設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，并參考加那利群島氣象參數(shù)標準，認為90%是一個比較適合的相對濕度界限。當相對濕度高于90%時候建議關閉天文臺停止觀測。在3～10 月份期間，晝夜溫差較大，空氣容易出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，出現(xiàn)結(jié)露的頻率較高，在觀測的時候要采取防結(jié)露措施。建議在望遠鏡日常觀測中一定要注意加強防結(jié)露的措施。望遠鏡不觀測時，需在圓頂內(nèi)使用除濕機降低水汽含量，并考慮望遠鏡關鍵部件電加熱、吹風等措施。望遠鏡設計上，可以考慮封閉鏡筒、延長遮光罩、在關鍵部件設計干燥劑存儲盒、鏡面鍍憎水膜等方案。

（2）對于天文觀測而言，溫度變化太大會引起會引起大氣不穩(wěn)定性，造成局部大氣湍流現(xiàn)象，直接影響天文觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過大量的圖像分析比較發(fā)現(xiàn)，溫度保持穩(wěn)定的情況下大氣視寧度較小且比較穩(wěn)定，當溫度發(fā)生變化時視寧度變大，而且溫度變化越劇烈視寧度增大得越快。臨港地區(qū)的每日的晝夜溫差變化比較平均，在12 ℃～19 ℃之間。最高溫度37 ℃，出現(xiàn)在8 月，而最低溫度-3 ℃，出現(xiàn)在1 月。統(tǒng)計分析年平均氣溫為16.7 ℃，這種穩(wěn)定的溫度條件下，大氣視寧度較為穩(wěn)定，適合天文觀測設備的運行。高溫出現(xiàn)在8 月份，這段時間進行太陽觀測時候，圓頂內(nèi)溫度容易短時間升高，形成熱島效應，造成圓頂內(nèi)氣流湍動較大，直接影響大氣視寧度，進而影響天文觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。在這一時段圓頂內(nèi)要進行熱控處理，建議觀測的時候圓頂內(nèi)的窗戶要全部打開，及時進行散熱。

（3）在溫度、濕度基本保持穩(wěn)定的條件下，觀測統(tǒng)計結(jié)果顯示視寧度與風速的變化趨勢相同，視寧度總體上有隨著風速的增大而增大。臨港地區(qū)的年平均風速為1.9 m/s，全年10 月份平均風速最大，總體情況為冬季的風速高于夏季。穩(wěn)定的風速有利于天文觀測的進行。在每年的7～8 月份會受到臺風影響，如果風速達到18 m/s 時，為了確保望遠鏡以及終端設備處于安全狀態(tài)，圓頂天窗應該及時關閉，停止觀測并關閉相關設備。

結(jié)合以上結(jié)論，基于當前的氣象統(tǒng)計分析結(jié)果，認為在臨港地區(qū)建設天文臺開展天文觀測是可行的。但是會有極端氣象條件發(fā)生的可能性，需要提供穩(wěn)定的保障措施，增強觀測設備在氣象條件不利時的應對能力。