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1、基于BATC 1999-2008十年观测值班记录的兴隆天气情况统计张 伟，周 旭，蒋兆基，马骏，吴江华，武振宇，李奇生（中国科学院国家天文台，北京 100012）作者简介：张伟，男，博士，研究方向：星系的形成与演化摘要: 基于BATC巡天组近十年的观测值班记录，统计了兴隆观测站可观测时间随月份的变化，结果表明平均每年大约有195个可观测夜（约1986小时），其中大约有87个观测夜(约918小时)用来巡天，约有18个观测夜用来测光。 另外还统计了兴隆观测站施密特望远镜十年来北极天区的观测图像中星像的半高全宽(FWHM)随月份的变化，结果表明一年内平均的星像的半高全宽约为2.3个像元(老CCD)或
2、2.2个像元(新CCD)。一般来说，夏季的星像要好于冬季，这与刘颖(Liu)等人2003年2的结果基本一致。关键词: 观测站；天文观测； 天气质量中图分类号: P 113 文献标识码: A 文章编号: xxx1 概述中国科学院国家天文台兴隆观测站建成于1968年，位于河北省兴隆县境内的燕山山脉深处，在北京的东北方向，东径117.5、北纬40.4，海拔960米，距北京直线距离110公里。兴隆观测站设有2.16米光学望远镜、1.26米红外望远镜、60/90厘米施密特望远镜、85厘米反射望远镜、80厘米反射望远镜、60厘米反射望远镜、100厘米望远镜、50厘米望远镜以及最新建成的国家重大科学工程项目
3、“大天区面积多目标光纤光谱望远镜（英文缩写LAMOST）”，是国家天文台恒星与星系光学天文观测基地，同时还是我国重要的天文教育和科普基地。天气的好坏对于天文的观测是至关重要的，为了更好地了解兴隆观测站的天气情况，更进一步地为LAMOST的巡天战略提供参考资料，我们统计了BATC巡天组近十年的观测值班记录，给出了可观测时间以及北极天区星像的半高全宽随月份的变化，并给出了一年内总的可观测时间和平均的星像的半高全宽。BATC巡天组的观测数据曾多次用来估计兴隆观测站的天气情况2,3，其中刘颖(Liu)等作者2利用BATC 1995年至2001年间978个观测夜得到的1024幅北极天区图像，研究了兴隆观
4、测站的大气透明度、天空亮度和视宁度。结果表明这些参数在1995年到2001年没有明显变化，但是随着季节的改变而有规律地变化：即大气透明度在冬季相对于夏季较为稳定；秋、冬季的天空亮度要比春、夏季暗一些；夏季的视宁度要好于冬季。本文与刘颖等人的工作不同的是：1）我们所有的统计工作全部基于1999年至2008年间的观测值班记录，2）我们的工作的着重点在于统计兴隆观测站一年内的实际可观测时间。此外，我们也统计了北极天区星像的大小(以半高全宽来衡量)，结果与刘颖等人的结论基本一致。2 BATC简介及观测值班记录BATC大视场多色巡天是1992年实施的大视场、大样本的高精度测光和低分辨光谱的巡天计划。以当
5、时的北京天文台为主，参加单位有美国的亚里桑那大学，台湾的国立中央大学天文研究所以及美国的康涅狄格大学。BATC就是这四个单位的首字母连接而成。这个巡天计划立足于国内现有的条件:对一台基本闲置的60/90厘米施密特望远镜进行了全面的技术改造，配备了20482048像元的大面积CCD，15色中等带宽滤光片和5色窄带滤光片，覆盖的波段范围为3000埃到10000埃，组成了在国际上极富创新特色的大视场、高精度、低分辨率的大样本天体光谱巡天系统1。2006年，我们重新配备了40964096像元的大面积蓝敏CCD，使施密特望远镜的视场由原来的1平方度增加为2平方度，线尺度由原来的1.7/像元减小为1.36
6、/像元。BATC巡天组有着严格的规章制度，每天晚上，观测助手记录当晚的dark、clear、observation(简写为obsv)时间。其中dark时间除了昏影终和晨光始之间的时间外，还包括昏影终之前以及晨光始之后的二段可观测时间，这两段时间在夏季大约为20和30分钟，在冬季大约为30和40分钟。在本文中我们称dark时间为天文可观测时间。在dark时间内，如果可以观测，一般都记录为clear，我们称之为实际可观测时间。obsv时间为每个观测夜内实际观测的时间，我们称之为实际观测时间。由于望远镜检修或者测试新的设备，obsv时间一般要小于clear时间。obsv时间又根据观测目的分为四类:
7、BATC巡天(batc)，服务观测(serv)，寻找小行星(mp)，伽玛暴(grb)以及其它(other，主要为BL Lac天体和超新星)，在本文中，我们将mp、grb和other统称为no-batc。在每个观测夜，望远镜都会指向北极天区，在北极星移出视场后拍摄一到三幅图像。选择北极天区的好处是，北半球的望远镜全年内都可以观测，而且对应的大气质量相同，十分有利于不同时间观测的图像之间的比较。在此过程中，使用的滤光片为i片，其中心波长为6600埃， 带宽为480埃，曝光时间为100秒。观测助手在图像中选择一颗非饱和星，读出它们的半高全宽(FWHM,以像元为单位)，并将其记录在观测日志中。星像的半
8、高全宽反映了望远镜真实的观测质量，它除了大气视宁度(seeing)外，还包括圆顶视宁度(dorm seeing)、望远镜成像质量以及调焦的好坏等因素，但它的变化主要与大气视宁度有关。3 数据统计过程及结果在图1 (a到j)中，我们给出了近十年来dark、clear、obsv、batc和no-batc时间随月份的变化，图中每个点为一个月内的总时间(以小时为单位)。 观测值班记录是望远镜正常观测的情况下进行的，所以，望远镜有故障以及其他情况：如望远镜镀膜期间等就没有观测值班记录。因此，在本文中，如果一个月内有超过20天的记录，我们先得到这些时间各自的平均值，然后乘以这个月的天数来得到该月的总时间。
9、如果一个月内的记录天数少于20天，我们对其直接求和，因为由这些数据估计当月的总时间不太可靠。最后，有3个月的观测值班记录天数小于20(2001年12月: 18天记录, 2003年1月: 15天记录, 2006年2月: 14天记录)，这三个数据点也显示在图 1中，并标有上箭头符号。我们在接下来的统计过程没有使用这三个月的数据，但是这对最终的结果基本没有影响。此外，2001年7月到2001年11月期间由于CCD的控制器被雷击坏，没有记录。在图 1 (k)中，我们给出了各种时间近10年的平均值随月份的变化。从这些图中可以看出，obsv时间略小于clear时间，而冬季的dark、clear以及obsv
10、时间明显多于夏季。在最后一幅小图中，我们给出了不同符号所代表的意义，以及一年内不同时间各自的总和，其中dark、clear和obsv时间分别为3498小时、 1986小时和1829小时，其中用于BATC巡天的时间(batc)为918小时，非BATC的时间为914小时。需要指出的是对于特定的一个观测夜，batc和no-batc的时间总和等于obsv时间，而对于统计结果来说， batc和no-batc的时间总和并不严格等于obsv时间。图 1 dark、clear、obsv、batc及no-batc时间随月份变化图(以小时为单位)Fig. 1 dark, clear, obsv, batc and
11、 no-batc times as a function of months基于图 1 (k)的数据，我们在图 2中给出了clear、obsv、batc和no-batc时间在dark时间中所占的比例，其中clear/dark可认为是天文可观测时间的可使用效率，可以看出它随月份的变化非常明显，其中冬季的时间使用效率较高，最高可达90%，而夏季利用率较低，最低约为30%。这种趋势是由兴隆站的天气造成的，即夏季阴雨天较多，而冬季多为晴天。obsv/dark为天文可观测时间的实际使用效率，其变化趋势与clear/dark非常相接近。batc/dark为天文可观测时间中可用来做巡天观测的使用效率，同样地
12、，冬季的使用效率要明显地高于夏季。no-batc/dark随季节的变化不明显，这是因为这些观测任务对天气无严格要求。此外，我们还在图中标注出了一年之内平均的clear/dark、obsv/dark、batc/dark和no-batc/dark数值，结果分别为56.9%、52.4%、26.1%和26.4%。基于图 1 (k)的数据，我们在图 3给出了obsv时间中batc和no-batc所占的比例，可以看出，在不同月份两者分配的比例有显著差异，这是由于BATC巡天对天气的要求较高所造成的。冬季晴天数较多，所以batc时间所占比例较大，最高可达60%，而夏季阴雨天较多，batc时间所占比例较小，最
13、低仅为20%。no-batc时间的分配则与batc相反。一年之内，batc和no-batc的时间分配比例相当，分别为49.8%和50.4%，两者之和并不等于100%，原因同图 1中结果的解释。图2 clear、obsv和batc在dark中所占比例 图3 batc和no-batc观测时间分配 Fig. 2 distribution of clear/dark, Fig. 3 time assignation of batc obsv/dark and batc/dark and no-batc observation 与图 1类似，我们在图 4 (a到j)中，我们以观测夜(night)为单位给
14、出了近十年来clear、obsv以及batc时间随月份的变化，此外我们也将测光夜的结果显示在该图中。在本文中night的定义为：对于特定的一个晚上，如果clear/dark等于1，我们将该晚的clear计为1 night，如果clear/dark等于0.5则clear为0.5 night。obsv和batc时间的计算方法与clear时间的计算相同。在观测值班记录中，如果当晚时间(obsv)全部用来进行测光(pho)，则记录为Y，我们令pho为1 night；如果有一部分时间用来测光，则记录为H，我们令pho为0.5 night；如果没有进行测光，则记录为N，我们令pho为0 night。需要注
15、意的是，这里的1 night对应的是当晚的obsv时间。为了与前面night的定义保持一致，我们将pho的数值乘以当晚obsv与dark的比值(obsv/dark)，最终得到以观测夜(night)为单位的测光时间。此外，对于一个特定的月份，与clear、obsvc以及batc时间计算方法有所不同的是，前者是对该月内己有观测值班记录(要求大于20次)求平均并乘以该月天数得到的，而pho时间是直接对该月内实际pho时间的求和，这是因为一个月内可用来做测光的天数很少，不能通过这种方式进行转换。对于观测值班记录少于20天的三个月份，统计方法与图 1相同，并标注有上箭头符号。从图 4中可以看出, 结果与
16、图 1相似，clear、obsv、batc以及pho的时间随月份有明显的变化，即冬季可观测夜较多，而夏季较少。根据十年的记录的平均结果(图 4 k)，一年内clear时间约为195个观测夜，其中大约有179个观测夜实际进行了观测(obsv)。在所有的观测中，大约有87个观测夜用来巡天(batc)，约有18个观测夜用来测光。图 4 clear、obsv、batc及pho时间随月份变化图(以观测夜为单位)Fig. 4 clear, obsv, batc and pho times as a function of months (in unit of night)在图 5中，我们给出了星像的半高全
17、宽随月份的变化。数据的处理方法与图 1相同，此外，如果一晚拍摄了多幅北极天区图像，我们取其平均值做为该晚星像的半高全宽。一般情况下，夏季的星像较小，而冬季的较大，这与刘颖等人2003年2的结果基本一致。他们认为该结果可部分地由兴隆天气随季节的变化来解释，即：在冬季，大风天气较多，且较为干冷，来自西北的沙尘导致大气视宁度变坏；而在夏季，天气较为湿润、温暖，且大风天气较少，所以大气视宁度较好。根据1999年1月至2006年1月间老CCD的记录，星像的半高全宽的平均值约为2.3个像元，根据2006年3月到2008年6月的记录，星像的半高全宽约为2.2个像元。图 5 北极天区星像的半高全宽随月份变化图
18、(以pixel为单位)Fig. 5 FWHF of star in North Pole as a function of months (in unit of pixel)4 总结基于BATC近十年的观测值班记录，我们统计了兴隆观测站的可观测时间，同时还统计了可用来巡天和测光的时间，这对于巡天战略的制定有着重要的参考意义。此外，我们还统计了兴隆观测站施密特望远镜的北极天区星像的半高全宽，这对于了解兴隆观测站的大气视宁度的好坏有一定的参考意义。致谢：由于滕晓明、张淼和刘鹏飞及其它观测助手的辛勤劳动，BATC累了宝贵的手工观测值班记录，在此表示衷心感谢。参考文献：1 CHEN Jian-Shen
19、g. Some Results of the BATC CCD Color Survey J. IAUS, 1998 , 179, 123-124.2 LIUYing, ZHOUXu, SUNWei-Hsin, et al. Astronomical Observing Conditions at the Xinglong Station in 1995-2001 J . PASP, 2003, 115, 495-501.3 ZHOU Xu, CHEN Jian-Sheng, JIANG Zhao-Ji. A Method of Sky Quality Evaluation Using Wid
20、e Field Photometry J. Acta Astrophysica Sinica, 2000, 20(2), 216-224.注：本文中所使用的观测值班记录以及图1到图5中对应的电子数据可在BATC主页( 下载。Statistics of Astronomical Observing Conditions at Xinlong StationBasing on Observing Logs in 1999-2008ZHANG Wei, ZHOU Xu, JIANG Zhao-Ji, MA Jun, WU Jiang-Hua, WU Zhen-Yu, LI Qi-Sheng(Nati
21、onal Astronomical Observatories, Chinese Academy of Science, Beijing, 100012, China)Abstract: Basing on resent ten years of observing logs, do the statistics of the variation of observing time with months at Xinglong station. As a result, there are about 195 observable nights (about 1986 hours) in o
22、ne year, among which about 86 nights (about 918 hours) are used by BATC survey and about 18 nights are photometric. Also, do the statistics of the variation with months of FWHM of star in North Pole observed by 60/90 Schmidt telescope, and the mean FWHM during a year is about 2.3 pixels (old CCD) or
23、 2.2 pixels (new CCD). Usually star image is better in the Summer than in the Winter, which is consistent with the result of Liu 2003.Key words: observing station; observation; sky qualityEditors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four
24、years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watchin
25、g Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed m
26、y childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico de
27、sert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stre
28、am of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photogr
29、apher, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirl
30、ing wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twis
31、t, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sun
32、day.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the tropospher
33、e) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopaus
34、e), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Belo
35、w, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhe
36、n he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of
37、 control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to
38、 slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work
39、higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
