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(xué)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(fēng)，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?xì)庀笥^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(luò)，到2017年共建成了260 多個自動氣象站，空間間距達(dá)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(chǔ)設(shè)施，位于上海臨港新城，為世界規(guī)模最大的天文館。該項(xiàng)目于2014年立項(xiàng)，2021年7月17日建成開館。在天文館中設(shè)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(xué)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(xué)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(jìn)行長期監(jiān)測具有重要的意義。自20 世紀(jì)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(xué)參數(shù)等[5]。例如：中國西部天文選址、山東大學(xué)威海天文臺、深圳天文臺都對當(dāng)?shù)靥煳臍庀笥^測條件長期進(jìn)行監(jiān)測，為天文臺的正常運(yùn)行提供具體指導(dǎo)。望舒天文臺和羲和太陽塔這兩座天文臺在設(shè)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(diǎn)、溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等幾個方面進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計分析。研究了臨港新城與天文觀測相關(guān)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(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)，也為它們未來如何優(yōu)化觀測運(yùn)行和保證設(shè)備長期、有效、安全運(yùn)行提供了科學(xué)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(fēng)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(jìn)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(shè)需求，將氣象站設(shè)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(fēng)速、風(fēng)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(diǎn)、大氣壓、風(fēng)速總量等參數(shù)。

2 統(tǒng)計結(jié)果及分析

在氣象學(xué)中對溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、露點(diǎn)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(jìn)行統(tǒng)計分析，著重對臨港的相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及溫度這4個參量進(jìn)行詳細(xì)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?？諝獾南鄬穸葧绊懘髿獾耐高^率，如果濕度過高會直接影響望遠(yuǎn)鏡設(shè)備使用，嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡的觀測效率，甚至?xí)斐赏h(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的電子設(shè)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(yàn)公式，在等壓條件下，飽和水汽壓只與溫度有關(guān)。當(dāng)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(shí)際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓之比，當(dāng)空氣達(dá)到飽和，這時的溫度為露點(diǎn)，當(dāng)?shù)葔航禍乩^續(xù)進(jìn)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(jìn)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(qiáng)防結(jié)露的措施。

圖3 每天結(jié)露時長

2.2 風(fēng)速與風(fēng)向

風(fēng)速和風(fēng)向是天文觀測臺址必須考慮的一個重要?dú)庀笠蛩?。穩(wěn)定的風(fēng)速和風(fēng)向是產(chǎn)生良好大氣視寧度的條件之一。當(dāng)風(fēng)速過大時，大氣的不穩(wěn)定會嚴(yán)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(diǎn)4 個時段的風(fēng)速、風(fēng)向和月平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計。圖4為4個時段平均風(fēng)速隨月變化直方圖，統(tǒng)計結(jié)果顯示，該址點(diǎn)最大風(fēng)速為2.5 m/s，而最小風(fēng)速為1.1 m/s。黃昏和白天的平均風(fēng)速比清晨和晚上的平均風(fēng)速要高；而從3月份進(jìn)入濕季后，黃昏和夜晚的平均風(fēng)速比清晨和白天的平均風(fēng)速要高?？傮w上講，該測量點(diǎn)的各個季節(jié)風(fēng)速都不小。圖5為風(fēng)速全年總的直方圖，可以看出該測量點(diǎn)年平均風(fēng)速為1.9 m/s，全年10 月份平均風(fēng)速最大，總體情況為冬季的風(fēng)速高于夏季。

圖4 4個時段平均風(fēng)速月變化曲線

圖5 平均風(fēng)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(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件極容易受到環(huán)境溫度的影響的工作性能。望遠(yuǎn)鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境溫度下，會產(chǎn)生變形等現(xiàn)象，進(jìn)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(shè)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(diǎn)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(diǎn)溫度變化具有較強(qiáng)的周期性簡諧振蕩變化規(guī)律。該測量點(diǎn)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(diǎn)氣象資料統(tǒng)計分析，該觀測點(diǎn)的月平均濕度和月平均溫度均有明顯的周期性變化?？梢詼?zhǔn)確地預(yù)測當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓闆r，從而為后續(xù)夜間和白天望遠(yuǎn)鏡的觀測時間和觀測目標(biāo)給出準(zhǔn)確的判斷，有效提高望遠(yuǎn)鏡的利用率。因?yàn)橐荒甑馁Y料只能說明一定的統(tǒng)計效應(yīng)，對于臨港新城地區(qū)天文氣候的大尺度判斷還需要進(jìn)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(shè)天文臺濕度偏大，需要為設(shè)備配備大功率除濕機(jī)，使設(shè)備處在濕度為50%左右的環(huán)境之中，保證設(shè)備的使用壽命。結(jié)合國內(nèi)外臨海天文臺長期氣象站設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，并參考加那利群島氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為90%是一個比較適合的相對濕度界限。當(dāng)相對濕度高于90%時候建議關(guān)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(yuǎn)鏡日常觀測中一定要注意加強(qiáng)防結(jié)露的措施。望遠(yuǎn)鏡不觀測時，需在圓頂內(nèi)使用除濕機(jī)降低水汽含量，并考慮望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵部件電加熱、吹風(fēng)等措施。望遠(yuǎn)鏡設(shè)計上，可以考慮封閉鏡筒、延長遮光罩、在關(guān)鍵部件設(shè)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(dāng)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(shè)備的運(yùn)行。高溫出現(xiàn)在8 月份，這段時間進(jìn)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(yīng)，造成圓頂內(nèi)氣流湍動較大，直接影響大氣視寧度，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fēng)速的變化趨勢相同，視寧度總體上有隨著風(fēng)速的增大而增大。臨港地區(qū)的年平均風(fēng)速為1.9 m/s，全年10 月份平均風(fēng)速最大，總體情況為冬季的風(fēng)速高于夏季。穩(wěn)定的風(fēng)速有利于天文觀測的進(jìn)行。在每年的7～8 月份會受到臺風(fēng)影響，如果風(fēng)速達(dá)到18 m/s 時，為了確保望遠(yuǎn)鏡以及終端設(shè)備處于安全狀態(tài)，圓頂天窗應(yīng)該及時關(guān)閉，停止觀測并關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。

結(jié)合以上結(jié)論，基于當(dāng)前的氣象統(tǒng)計分析結(jié)果，認(rèn)為在臨港地區(qū)建設(shè)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(qiáng)觀測設(shè)備在氣象條件不利時的應(yīng)對能力。