王彥麗，王 濤，段立偉，郭迪福，胡紹明

(山東大學(xué)威海分?？臻g科學(xué)與物理學(xué)院，山東 威海 264209)

大氣視寧度(Seeing)是反映天文觀測條件的重要參數(shù)之一，它與大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的質(zhì)量共同決定了天文觀測的成像質(zhì)量。昂貴的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡要充分發(fā)揮作用，必須在大氣視寧度小且穩(wěn)定的條件下進行觀測才能有較高的空間分辨率和較好的圖像質(zhì)量，而且其值的大小對天文觀測的極限星等、測光精度等都有重要的影響。用較差像運動儀(DIMM)測量大氣視寧度是最通用的方法［1］，但是山東大學(xué)威海天文臺目前受條件所限沒有DIMM設(shè)備。但在真正的天文觀測中，觀測圖像的半高全寬(FWHM)［2］最終反映了天文觀測圖像的像質(zhì)，因此文中用觀測圖像星像的FWHM表示大氣視寧度［3］。FWHM已經(jīng)包含了儀器輪廓、圓頂視寧度、散焦等其它因素在內(nèi)，所以它要比DIMM測得的結(jié)果偏大，但是它真正反映了最終的觀測效果［4］。山東大學(xué)威海天文臺安裝了1 m口徑的典型卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡，系統(tǒng)的焦比為f/8，同時天文臺為望遠(yuǎn)鏡配置了美國Princeton Instruments公司的PIXIS2048B CCD 相機，CCD 芯片為2048 pixel×2048 pixel，每個像素大小為13.5μm×13.5μm，因此望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像元比例尺約為0.35″/pixel。

本文對山東大學(xué)威海天文臺的視寧度值進行了分析研究，在IRAF環(huán)境下編寫了測量滿足條件星像FWHM的批處理程序，批量處理了山東大學(xué)威海天文臺2008年、2009年的觀測圖像得到了35 193組視寧度值。同時采集了由該望遠(yuǎn)鏡附近的自動氣象站觀測記錄的氣象資料398 615組，該氣象站由一臺計算機控制，每分鐘采集一次氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等等，數(shù)據(jù)由計算機自動保存。本文通過長時間大量的數(shù)據(jù)從不同角度進行研究分析，得到了山東大學(xué)威海天文臺的視寧度分布規(guī)律、變化規(guī)律及氣象因素對視寧度的一些影響。

1 天文臺視寧度的研究

為了研究山東大學(xué)威海天文臺視寧度值的分布規(guī)律，從視寧度的年變化、季節(jié)變化［1］、月變化、日變化［5］角度進行分析研究。

1.1 2008～2009年天文臺視寧度的分布規(guī)律

對IRAF程序處理得到的數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)其中有些偏大和偏小的值。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn):個別視寧度偏小是因為在測量時望遠(yuǎn)鏡把宇宙線當(dāng)作星像進行了測量，所以導(dǎo)致測得的視寧度偏小;個別視寧度偏大是由于觀測中遇到望遠(yuǎn)鏡的跳動引起圖像星像拖長，測量了拖長星像或者測到圖像中重疊的星像造成的。因此研究中合理剔除了小于0.5″和大于4.0″的視寧度值，最終得到了27 991組視寧度值，其散點圖見圖1，統(tǒng)計直方圖見圖2。從圖中可以得到，威海天文臺的視寧度主要分布在1.2″～2.0″，其中在1.4″～1.8″的范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率最大。2008 年視寧度的平均值為1.68″，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.37″，2009年視寧度的平均值為1.70″，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.39″?？梢娡赡暌晫幎鹊钠骄导皹?biāo)準(zhǔn)差都比較穩(wěn)定，平均值為1.69″，年標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.38″。

圖1 2008～2009年視寧度散點圖Fig.1 The scatter of seeing from year2008 to year2009

圖2 2008～2009年視寧度直方圖及統(tǒng)計圖Fig.2 Number distribution and cumulative probability distribution of seeing from year2008 to year2009

山東大學(xué)威海天文臺2009年不同季節(jié)視寧度的分布情況見圖3。從圖中可以看出春季(3、4、5月)、冬季(12、1、2月)的峰值視寧度略小，但4個季節(jié)的平均值沒有太大差別。

圖3 2009年各季節(jié)的視寧度分布直方圖Fig.3 Number distribution of seeing in the four seasons of2009

1.2 視寧度的一些變化規(guī)律

采用文［6］中的方法，求出了視寧度的月平均值和日平均值。其中圖4為視寧度的月平均變化圖，對2008年、2009年各月的視寧度分別計算了平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖4可以看出:2008年從1月到5月視寧度月平均值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，說明在這段時間內(nèi)大氣不穩(wěn)定性增加。2008年6月、7月視寧度平均值較小，經(jīng)分析，2008年6、7月視寧度值較小的原因可能是6、7月下雨較多，觀測時間大多是在雨過天晴，這種情況下會出現(xiàn)較好的視寧度狀況，并且這兩個月的數(shù)據(jù)量相對較少，可能會造成統(tǒng)計上的差距。由于天文臺在2008年9、10月的觀測中使用了縮焦鏡，觀測視場變大，為了不造成與其它數(shù)據(jù)的統(tǒng)計偏差，所以在分析時剔除了這兩個月的數(shù)據(jù)。從圖中還可以看出2009年1到5月視寧度也有總體變大的趨勢。

另外，對照多個晚上視寧度變化發(fā)現(xiàn)一晚上的視寧度出現(xiàn)如下變化:在太陽落下后(因不同季節(jié)而時間不同)，視寧度首先增大，然后慢慢減小趨于穩(wěn)定，在接近天亮?xí)r視寧度又呈現(xiàn)增大的趨勢［4，7］，如圖5，由于篇幅所限，圖5僅給出一個晚上作為示例，圖中是2008年1月25日18時至2008年1月26日5時視寧度和溫度的變化曲線，當(dāng)晚的相對濕度范圍是52%～58%，風(fēng)速范圍是8.0～11.1 m/s，都比較穩(wěn)定。這可能主要是溫度的影響，在太陽落山后溫度會下降，然后趨于穩(wěn)定，所以視寧度出現(xiàn)先增大然后減小的規(guī)律;在太陽升起前溫度會變化從而視寧度出現(xiàn)增大的趨勢，但影響視寧度的因素很多，并且各種因素會交織在一起，所以其中的規(guī)律還需要做大量的細(xì)致研究。

圖4 2008～2009年視寧度月平均統(tǒng)計圖Fig.4 Monthly average seeings from year2008 to year2009

圖5 2008年1月25日至26日晚的視寧度變化圖Fig.5 Variation of seeing in the night of Jan.25 to Jan.26 of2008

2 視寧度與氣象因素的關(guān)系

為了探討視寧度值與氣象因素的關(guān)系，對得到的2008年、2009年27 991組視寧度值、398 615組氣象數(shù)據(jù)進行了整理，得到視寧度與氣象數(shù)據(jù)在時間上匹配的共7 602組數(shù)據(jù)，利用控制變量法對所得數(shù)據(jù)進行了分析研究。

影響視寧度的因素很多而且比較復(fù)雜［8］，本文主要探討了風(fēng)速、溫度及濕度與視寧度之間的關(guān)系，但是要同時研究風(fēng)速、溫度、濕度與視寧度的關(guān)系比較復(fù)雜，因此在所有數(shù)據(jù)中找出其中兩個量基本不變，但另一個量變化的夜晚來研究視寧度與變化量之間的相關(guān)關(guān)系，這也就是所說的控制變量法。圖6、圖7就是其中找到的兩個晚上的數(shù)據(jù)作為示例，圖6顯示的是2008年12月16日晚至17日視寧度與風(fēng)速的關(guān)系，當(dāng)晚的溫度范圍是3～4℃，相對濕度范圍為70%～75%，因此溫度、濕度基本保持穩(wěn)定，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。另外找出了風(fēng)速、濕度比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進行研究，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，圖7為2009年1月6日至7日視寧度與溫度的關(guān)系，當(dāng)晚的相對濕度和風(fēng)速比較穩(wěn)定，從圖中可以看出當(dāng)溫度變化時視寧度增大。

圖6 視寧度與風(fēng)速的關(guān)系圖Fig.6 The relation between the seeing and wind speed

圖7 視寧度與溫度的變化關(guān)系Fig.7 The relation between the seeing and temperature

3 結(jié)論

本文對山東大學(xué)威海天文臺2008～2009年間的所有觀測圖像數(shù)據(jù)用編寫的IRAF程序進行處理，共計獲得了27 991組視寧度值，對視寧度及對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)進行了整理分析研究，得到如下結(jié)論:

(1)山東大學(xué)威海天文臺的視寧度平均值為1.69″，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.38″，視寧度主要分布在1.2～2.0″，在1.4 ～1.8″的范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率最大。

(2)綜合考慮視寧度及氣象數(shù)據(jù)，春季、秋季相對比較適宜觀測，冬季也不錯，但冬季會出現(xiàn)一些大風(fēng)的天氣?？赡茉蚴谴呵锛緶夭钚　⑶缣鞌?shù)多、風(fēng)速相對小，降雨少、能見度好。

(3)溫度的變化會引起視寧度的增大，而且溫度變化越劇烈視寧度增大越快;視寧度與風(fēng)速的變化趨勢相同，視寧度隨風(fēng)速的增大而增大。其中溫度的變化對視寧度的影響較大。

［1］錢銅鈴，李玉蘭，尚瓊珍，等.云南天文臺大氣視寧度觀測和初步探討 ［J］.云南天文臺臺刊，1996(S1):57－63.Qian Tongling，Li Yulan，Shang Qiongzhen，et al.Seeing Observation and Primary Approach at the Yunnan Observatory ［J］.Publications of the Yunnan Observatory，1996(S1):57－63.

［2］侯金良.天文選址的主要參數(shù)及測量方法 ［J］.天文學(xué)進展，1994(2):126－132.Hou Jinliang.Site Testing Parameters and Their Measurements ［J］.Progress in Astronomy，1994(2):126－132.

［3］錢伯辰，陶雋，潘紅鑒.1.56 m望遠(yuǎn)鏡的FWHM和CCD照相機像素格值測定結(jié)果 ［J］.中國科學(xué)院上海天文臺年刊，1996(17):286－288.Qian Bochen，Tao Jun，Pan Hongjian.The Determination of Pixel Value of CCD Camera and FWHM of 1.56m Telescope ［J］.Annals of Shanghai Observatory Academia Sinica，1996(17):286－288.

［4］岑學(xué)奮，錢銅鈴，王建成，等.高美古的大氣視寧度 ［J］.云南天文臺臺刊，2002(4):45－50.Cen Xuefen，Qian Tongling，Wang Jiancheng，et al.The Seeing at Gaomeigu in2000 and2001［J］.Publications of the Yunnan Observatory，2002(4):45－50.

［5］郭銳，楊磊，翟東升，等.麗江高美古2號點的大氣視寧度觀測 ［J］.天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊，2008，5(4):398－403.Guo Rui，Yang Lei，Zhai Dongsheng，et al.The Observation of Seeing at the No.2 Site in Gaomeigu ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(4):398－403.

［6］劉子忠，欒蒂，于建明，等.高美古全夜視寧度的變化 ［J］.云南天文臺臺刊，1999(1):42－50.Liu Zizhong，Luan Di，Yu Jianming，et al.The Seeing Variation in Night at the Gaomeigu Station ［J］.Publications of the Yunnan Observatory，1999(1):42－50.

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［8］王繼昌，姚永強，楊國安.西藏物瑪與新疆卡拉蘇天文候選點的氣象條件 ［J］.天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊，2008，5(4):404－414.Wang Jichang，Yao Yongqiang，Yang Guo’an.Meteorogical Conditions at the Astronomical Candidate Sites in Oma，Tibet and Kalasu，Pamirs ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(4):404－414.