移动式极地大气参数测量系统I.研制与试观测

田启国 柴博 吴晓庆 姜鹏，2 纪拓，2 金鑫淼 周宏岩，2

（1中国极地研究中心，上海200136；2中国科学院中国科学技术大学天文学系星系宇宙学重点实验室，安徽合肥230026；3中国科学院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥230031）

0 引言

中国南极昆仑站所在地Dome A是南极冰盖海拔最高、温度和水汽含量最低，并且具有连续黑夜的地区，这些独特的自然条件使得这里有着红外天光背景暗，大气透过率高、边界层低、视宁度小等极佳的发展天文学研究的潜质［1-2］。受盛行下降风的影响，南极地区风速从冰盖最高点向沿海方向逐渐增大，在各大冰穹处风速很小［3］，最适宜开展天文观测。

在过去的20年里，在南极地区陆续开展了大量的天文台址参数测量工作，首先开展该项工作的考察站是南极点附近的阿蒙森-斯科特站。Ashley等［4］、Nguyen等［5］和Phillips等［6］使用红外光度计在南极点地区开展的红外天光背景亮度监测显示，该地区的红外天光背景亮度在2.27—2.45μm宇宙窗附近比常规台址要低两个量级。温度脉动仪［7］、声雷达（SODAR：Sound Detection and Ranging）［8］和差分像运动监视器（DIMM：Differential Image Motion Monitor）［9］的观测结果显示，南极点地区的视宁度约为1.8角秒，与常规台址相比并无明显优势，但这一地区的平均边界层厚度仅有～220 m［7］，而且等晕角和大气相干时间好于任何常规台址。现在南极点地区已经安装了世界级的10 m口径毫米／亚毫米波望远镜（SPT：South Pole Telescope）［10］。Dome C的海拔（3 250 m）比南极点（2 840 m）更高，而且风速更小，理论上台址情况要优于南极点［11］。Lawrence等［12］使用MASS（Multi-Aperture Scintillation Sensor）和SODAR的观测结果显示Dome C高度30 m以上的平均视宁度仅为0.27角秒。虽然Agabi等［13］使用DIMM和温度脉动仪观测结果显示，Dome C近地面的平均视宁度（约1.3角秒）和南极点相比没有本质的改观［14］，红外天光背景亮度也很接近［15］，但它的边界层厚度只有～36 m，也就是说只要把望远镜架高到36 m以上，就可以获得类空间的观测条件。Dome C优异的台址观测结果极大地激发了天文工作者在南极冰盖最高点Dome A（海拔4 093 m）的选址工作［16-17］。Bonner等［18］使用SODAR得到Dome A的平均边界层厚度仅有13.9 m，比Dome C还要薄，这显示Dome A可能有着世界上最适宜的天文观测条件。南京天文与光学技术研究所在测量Dome A视宁度方面做了大量的工作，利用他们研制的CSTAR（Chinese Small Telescope ARray）［19］可以对Dome A视宁度进行间接评估，而且他们也研制了DIMM对直接测量Dome A视宁度做了尝试［20］。另外，在第24次南极科学考察期间，中国科学院国家天文台也在Dome A尝试安装了配备三层风速探测器的高度为17 m的塔，虽然没有运行，但为将来的工作做了经验积累。除了位于Dome A的昆仑站外，中国还将在第30次南极科学考察期间建立中国第二个内陆站——中国南极泰山站。泰山站位于中山站和昆仑站之间，它优越的地理位置可为在这里开展天文观测提供充分的后勤保障。

大气湍流是造成望远镜成像质量下降的主要原因，与大气湍流强度的高度分布成定量关系的视宁度是衡量天文台址优劣的重要指标。除视宁度外，等晕角θ0、相干时间τ0等天文台址参数都与的高度分布之间发生联系。通过使用球载［21］和塔载［7］多层温度脉动仪测量的高度分布是在常规台址和南极获得视宁度等台址参数的常用方法。1996年Marks等［7］在27 m高的塔上安装了3层温度脉动仪，获得了南极点地区的视宁度。本文研制的移动式极地大气参数测量系统，使用塔载单层温度脉动仪和三维超声风速计［22-23］，两层温度湿度、风速风向传感器，以及气压与地表辐射温度传感器，分别实现近地面和常规气象参数的测量。通过在合肥和上海两地约500 h的测试运行显示，仪器运行稳定，温度脉动仪和三维超声风速计两种方法得到的符合得较好。在国内试运行结束后，仪器将随中国第30次南极科学考察队运往泰山站，在度夏期间首次开展泰山站的测量、在越冬期间首次开展中山站的测量；计划在第31次南极科学考察期间，仪器将运往昆仑站开展昆仑站近地面的测量。在完成这些前期测量工作和经验积累后，将对仪器进行改造，安装多层测量装置，对中国内陆站近地面大气湍流强度的高度分布进行测量，进而得到视宁度等关键天文台址参数，为今后大型望远镜的安装做好必要的积累。

1 移动式极地大气参数测量系统组成

如图1所示，移动式极地大气参数测量系统由CR5000数据采集器、CSAT3三维超声风速计、温度脉动仪、HMP155温度湿度传感器、05103V风速风向传感器、SI-111红外温度计、CS106气压计、485数据传输模块、供电系统、3 m高支架等组成。其中CR5000数据采集器由美国Campbell公司生产，该采集器集成了测量、控制、计算和存储单元，在内置的操作系统平台上，实现可编程功能，负责整个系统的数据采集。CSAT3三维超声风速计和温度脉动仪可分别独立完成的测量。在0.5 m和2 m的两个高度上分别安装了HMP155温度湿度传感器和05103V风速风向传感器。485模块用于数据传输。供电系统将考察站交流发电机提供的220 V交流电转化为测量系统所需的12 V直流电。配备的蓄电池可以在交流电断开的情况下连续供电约100 h。系统的主要技术指标如表1所示。

光波在大气中传输会受到小尺度范围内折射率起伏的影响，这些起伏将引起光束扩展、光斑抖动和相干性退化。我们把折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流。度量光学湍流强度的量为折射率结构常数在局地均匀各向同性湍流假定下，和空间两点间距离 r存在如下关系［24］，

对于可见光和近红外光波段，折射率的起伏主要是由温度起伏引起的。因此在给定的高度，可直接由温度结构常数得到［25］，

图1 仪器结构示意图Fig.1.The schematic diagram of the apparatus

表1 仪器主要技术指标Table 1.Key technical index of the apparatus

其中P（h）和T（h）分别是给定高度上的气压（hPa）和气温（K）。因此由式（2）通过测量惯性区内空间两点温差的平方平均得到，再由式（3）得到这一方法称为双点温差测量法。温度脉动仪采用双点温差测量法，通过两个相距一定距离（通常是1 m）的微温探头测量空间两点温差，得到微温探头采用直径为10μm，电阻为10—20Ω的金属铂丝，其电阻与温度的关系是，

其中R0是在温度为T0时金属丝的电阻，α是金属丝温度电阻系数。当温度变化ΔT时，金属丝电阻值的变化为，

电阻值的变化，经不平衡电桥转化为电压的变化，电压放大器输出的电压变化ΔV和温度变化ΔT一一对应，

其中A是标定系数，它是通过使用与微温探头阻值相近且温度系数很小的固定电阻得到的。通过已知的电阻变化ΔR′，测量出温度脉动仪输出电压变化ΔV′。由式（5）和（6）即可得到标定系数A＝αR0ΔV′／ΔR′。因此，使用温度脉动仪测量空间两点温差的平方平均得到温度结构常数再由式（3）即可得到

三维超声风速计是利用多普勒效应以及声速是温度和湿度的函数关系，通过测量三个非正交轴上一定距离的超声波脉冲传输时间，通过坐标变换，得到风速的三个分量以及超声气温。三维超声风速计测量的超声气温Ts与气温T有如下关系：

q为比湿。通常大气比湿＜40 g／kg，而作为世界上最干燥地区的南极，湿度的影响可以忽略，所以三维超声风速计测量的超声气温可以当成气温。

由于三维超声风速计测量的是空间单点超声气温起伏时间序列数据，因此需要在泰勒假定下，结合风速将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点温差，再由式（8）计算惯性区内两点温差的平方平均得到这一方法称为单点温度测量法。

式中τ是时间间隔。通常取空间长度为1 m，τ大小由实测的平均风速确定。

3 结果与讨论

仪器性能测试在合肥和上海两地进行。在合肥测试期间，仪器安装在安徽光机所大气光学中心楼顶，温度脉动仪和三维超声风速计的安装高度距离地面约14 m，距离楼顶表面约2 m，在2013年9月18日到9月21日期间测试了4天，获得了约100 h的测量数据；在上海测试期间，仪器安装在中国极地研究中心主楼楼顶，温度脉动仪和三维超声风速计的安装高度距离地面约20 m，距离楼顶表面约2 m，在2013年10月12日到10月29日期间测试了18天，获得了约400 h的测量数据。仪器的在线程序每20 s统计一次测量结果，为清楚起见，本文中展示的测量结果是10 min内的平均值。

如图2所示是在合肥测试期间使用温度湿度传感器HMP155测量的距离楼顶表面0.5 m和2.0 m高度处的气温，同时也给出了使用红外温度计SI-111测得的地表温度；相应高度处相对湿度的测量结果如图3所示，图中的0 h和2013年9月18日的0：00对应。如图4所示是使用风速风向传感器05103V测得的距离楼顶表面0.5 m和2.0 m高度处的风速，以及使用三维超声风速计测得的风速，结果显示在2.0 m高度处两种方法测得的风速大小符合得很好。如图5所示是使用气压计CS106测得的大气压。

图2 HMP155温度湿度传感器测量的0.5 m、2.0 m高度处气温和SI-111红外温度计测量地表辐射温度的比较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

图3 HMP155温度湿度传感器测量的0.5 m和2.0 m高度处相对湿度的比较Fig.3.Comparison of the relative humidity at0.5 m and 2.0 m levelmeasured by HMP 155 temperature＆humidity sensors

如图6给出了在合肥测试期间使用温度脉动仪和三维超声风速计测得的结果，该结果显示两者变化趋势和量级基本一致，在日出和日落时测量结果出现极小值，在正午测量结果呈现最大值。大约在每天的8：00—17：00之间两种测量方法得到的符合得很好，在晚上由于大气湍流强度变小，低于三维超声风速计的仪器噪声，三维超声风速计的测量结果偏大。

图4 风速风向传感器05103V测量的0.5 m、2.0 m高度处风速和三维超声风速计测量风速的比较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

图5 CS106气压计测量气压的日变化Fig.5.The daily variation of atmospheric pressuremeasured by CS106 barometer

图6 在合肥用温度脉动仪和三维超声风速计测量的日变化比较Fig.6.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Hefei

图7展示了在上海测试期间，从2013年10月 20日到10月23日4天典型的测量结果。与合肥的测量结果类似，两种测量方法得到的结果具有同步的周期性变化，而且在白天湍流较强时两者符合得很好，晚上湍流较弱时，三维超声风速计测量的结果则高于温度脉动仪的测量结果。

图7 在上海用温度脉动仪和三维超声风速计测量的日变化比较Fig.7.The daily variation comparison of measured bymicrothermal sensor and CSAT3 at Shanghai

4 结论

本文研制了配备温度脉动仪和三维超声风速计的移动式极地大气参数测量系统，用于测量新建泰山站、中山站以及昆仑站的大气湍流强度和常规气象参数。在合肥和上海两地进行的总共约500 h的仪器性能测试显示，仪器运转稳定，使用温度脉动仪和三维超声风速计两种方法测得的符合得很好。仪器将在第30次中国南极科学考察泰山站建站期间开展泰山站测量、在越冬期间首次开展中山站测量，并计划在第31次南极科学考察期间开展昆仑站近地面测量。然后对仪器进行改造，安装多层测量装置，对中国内陆站近地面大气湍流强度的高度分布进行测量，进而得到视宁度等关键天文台址参数，为今后大型望远镜的安装做好必要的积累。

致谢非常感谢南京天文与光学技术研究所袁祥岩研究员对我们工作的支持和早期的讨论，感谢中国极地研究中心邹正定机械师在仪器调试期间以及在泰山站观测过程所做的大量工作，感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士研究生汪平在仪器调试期间给予的大量帮助。

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