袁韋，徐寄遙，朱亞軍，李欽增，劉偉軍，姜國英，孫龍昌，吳坤，高紅

1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，空間天氣學(xué)國家重點實驗室，北京 100190 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

中高層大氣氣輝的被動光學(xué)地基觀測能夠獲取中高層大氣中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)和氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)，為中高層大氣的上下圈層耦合、太陽活動變化、特殊天氣事件相關(guān)的氣輝輻射研究提供重要實測資料，也為中高層大氣模式建立提供長期的連續(xù)觀測資料。子午工程在河北興隆站建設(shè)了Fabry-Perot 干涉儀（簡稱F-P 干涉儀）設(shè)備[1]和全天空氣輝成像儀（簡稱成像儀）[2]兩個地基觀測設(shè)備，觀測提供中高層大氣中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)和氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。

F-P 干涉儀是美國國家大氣研究中心（UCAR）的產(chǎn)品，設(shè)備采用直徑為10 mm 的標(biāo)準(zhǔn)具和1024×1024 像素的科學(xué)級成像CCD 探測器，輸入觀測位置等基本信息后能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制和數(shù)據(jù)采集等觀測過程的全自動運行。設(shè)備從2010 年4 月開始在興隆站觀測運行，設(shè)備僅在夜間觀測，提供了3 個氣輝輻射峰值高度區(qū)域中性風(fēng)溫10 年的觀測數(shù)據(jù)。中國氣象局山西岢嵐站稍后也建設(shè)了同類型的設(shè)備，經(jīng)過比對分析兩個站點的數(shù)據(jù)[3]，兩地的數(shù)據(jù)均有用于中高層大氣的分析研究。

成像儀由加拿大KEO 科技公司制造。設(shè)備采用180 度視場魚眼鏡頭成像光路和1024×1024 像素的科學(xué)級成像CCD 探測器，全自動控制數(shù)據(jù)采集與運行。從2009 年11 月開始在興隆站觀測運行，設(shè)備僅在夜間觀測，提供中高層大氣氣輝輻射峰值高度87 km 區(qū)域的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 分鐘，已有10 年的觀測數(shù)據(jù)積累。

利用F-P 干涉儀和成像儀長期連續(xù)的地基觀測數(shù)據(jù)，在同類設(shè)備數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上[4,5]，設(shè)備團隊開展了中高層大氣物理過程、化學(xué)過程與事件的分析，分析了地形環(huán)境對高層大氣波動的影響[2,6-7]，雷暴產(chǎn)生的高層大氣波動[8-9]，中層頂大氣潮涌事件[10,11]，我國中緯地區(qū)電離層擾動[12-13]，我國低緯地區(qū)電離層等離子體泡的特性[14,15]，臺風(fēng)等劇烈事件的作用[16-17]，高層大氣震蕩[18-21]等科學(xué)問題，廣泛開展了前沿科學(xué)研究。

本文介紹2016 年興隆站Fabry-Perot 干涉儀和全天空氣輝成像儀觀測的數(shù)據(jù)，包括87 km、96 km 和250 km 三個氣輝輻射峰值高度的大氣中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)和87 km 高度的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。科研用戶如需要其他觀測年份的數(shù)據(jù)，請聯(lián)系中科院國家空間科學(xué)中心空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（CSSDC）。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)

興隆站F-P 干涉儀提供3 個氣輝輻射通道的夜間觀測的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)。3 個通道分別為OH氣輝892.0 nm、OI 氣輝557.7 nm 和OI 氣輝630.0 nm，對應(yīng)的輻射峰值高度為87 km、96 km 和250 km。3 個通道依次運行組成一個循環(huán)，一個循環(huán)的時長約為1 小時。隨季節(jié)不同每個晚上的觀測包含十多個觀測循環(huán)。每個通道的觀測數(shù)據(jù)包含氣輝通道、觀測時間、徑向風(fēng)、緯向風(fēng)、溫度和徑向風(fēng)誤差、緯向風(fēng)誤差、溫度誤差。

干涉儀利用F-P 標(biāo)準(zhǔn)具把來自氣輝高度的大氣運動引起的氣輝輻射的多普勒頻移記錄在CCD上，通過與校準(zhǔn)的穩(wěn)頻激光干涉圖樣進行比較，反演分析觀測的干涉圖樣數(shù)據(jù)，獲取觀測方向的視線風(fēng)速，再利用幾何關(guān)系得到氣輝高度上的大氣水平風(fēng)場數(shù)據(jù)[1]。同樣，通過分析觀測的干涉圖樣的寬度的變化，比較分析得到氣輝譜線寬度變化，得到氣輝高度上的大氣溫度數(shù)據(jù)[21]。

興隆站F-P 干涉儀廠家僅以直接提供數(shù)據(jù)處理軟件的方式獲取探測數(shù)據(jù)，只提供EXE 格式的數(shù)據(jù)處理軟件，運行后得到當(dāng)晚觀測的風(fēng)溫數(shù)據(jù)。干涉儀數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如圖1 所示。從干涉圖像中反演計算風(fēng)速的方法通常有半徑法、完整傅里葉級數(shù)描述法和非線性回歸法等方法[22]，具體的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用可以參考引言中的同行論文。

圖1 干涉儀數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程

1.2 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)

成像儀利用陷波濾光片選取中高層大氣氣輝輻射峰值高度為87 km 的OH 氣輝波段，陷波濾光片帶寬參數(shù)為715～930 nm+，陷波865±18 nm。設(shè)備連續(xù)觀測，提供87 km 高度區(qū)域的夜間的氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)。將每一次曝光的數(shù)據(jù)以png 格式存儲，數(shù)據(jù)的時間分辨率為3 分鐘。

由于全天空氣輝成像儀采用180 度視場的魚眼透鏡收集氣輝輻射信息，中高層大氣區(qū)域的空間位置成像在CCD 探測器上，形成不同的成像位置，由于魚眼鏡頭成像存在較大的畸變，且呈現(xiàn)非線性變化，因此，在圖像處理中需要按照星圖位置標(biāo)定和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)圖像中的像素點與氣輝層高度上空間點的位置，保證像素點與實際的空間點保持一致。從OH 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)的文件中提取大氣波動信息可以采用圖像差分法[2]，也可以通過滑動平均的方法獲取大氣波動的信息。根據(jù)研究的需要，可以采用更多的圖像數(shù)據(jù)處理方法來提取需要的信息。全天空氣輝成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程如圖2所示。不同的科研用戶將使用適合自己的數(shù)據(jù)處理方法，針對聚焦的科學(xué)問題，選擇最優(yōu)的處理方法，例如單幅圖像提取方法、前后圖像差分法、圖像譜分析方法等。具體的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用可以參考本文引言中已經(jīng)發(fā)表的論文等。

圖2 全天空氣輝成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)

觀測收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過反演軟件運行后，得到Fabry-Perot 干涉儀的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)格式示例（2016 年第268 天），如圖3 所示。

圖3 水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)格式示例（節(jié)選）

以下分三個部分解釋數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.1.1 數(shù)據(jù)文件第一部分

數(shù)據(jù)文件第一行。

本文件的觀測次數(shù)是194 次，有對應(yīng)的194 個數(shù)據(jù)段落。

2.1.2 數(shù)據(jù)文件第二部分

數(shù)據(jù)文件第二行到第十行。

這是第一個數(shù)據(jù)段落，探測信號來源于定標(biāo)激光器，提供當(dāng)晚全部觀測的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，這段數(shù)據(jù)不包含大氣風(fēng)場和溫度的探測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)段中“16268/2016268103326_36328_4_p072p180”的含義為：16268 表示為2016 年的第268天，即2016 年9 月24 日。103326 為數(shù)據(jù)記錄的時間，即世界時10 時33 分26 秒；36328 為第3通道，波長為6328 埃，p072p180 表示方位角為72 度，天頂角為180 度，此處表示為豎直向下的天頂方向。

該文件記錄的信息僅應(yīng)用在當(dāng)晚觀測的中性風(fēng)溫的數(shù)據(jù)反演處理中，用戶可以忽略具體內(nèi)容。

2.1.3 數(shù)據(jù)文件第三部分

數(shù)據(jù)文件第十一行到文件尾。

以上是8920 波段在一個方向上的一次測量的全部數(shù)據(jù)。當(dāng)次觀測記錄的時間為世界時10 時34分34 秒；28920 為第2 通道，波長為8920 埃，p000p000 表示方位角為0 度，天頂角為0 度，此處表示為豎直向上的天頂方向。

8525.013367938862 數(shù)據(jù)段4 個數(shù)值，第1 個數(shù)表示總風(fēng)場，單位為米/秒，沒有無效缺省值；第2 個數(shù)表示對應(yīng)的溫度，單位為開，沒有無效缺省值；第3、4 個數(shù)為亮度與背景亮度，用戶可以忽略。

7.137907077583560 數(shù)據(jù)段4 個數(shù)值，第1 個數(shù)表示總風(fēng)場誤差，單位為米/秒，沒有無效缺省值；第2 個數(shù)表示對應(yīng)的溫度誤差，單位為開，沒有無效缺省值；第3 個、第4 個數(shù)為亮度與背景亮度誤差，用戶可以忽略。

緊接著是8920 波段在另外4 個方向探測的數(shù)據(jù)，5 個數(shù)據(jù)組成該波段的全部觀測內(nèi)容。

此后，開始變換到5577 波段、6300 波段，進行循環(huán)觀測，一直運行，直到設(shè)置的停止時間，結(jié)束當(dāng)晚的全部觀測。

與p000p000 說明類似，觀測過程中使用的觀測方向分別為：

p000p045 說明天空掃描儀方位角為0 度，天頂角為+45 度，表示為向東方向觀測；

p000n045 說明天空掃描儀方位角為0 度，天頂角為-45 度，表示為向西方向觀測；

p090n045 說明天空掃描儀方位角為90 度，天頂角為-45 度，表示為向北方向觀測；

p090p045 說明天空掃描儀方位角為90 度，天頂角為+45 度，表示為向南方向觀測。

設(shè)備運行時，每個氣輝通道觀測5 個方向，算術(shù)平均得到風(fēng)場的平均值，單個方向的數(shù)值與平均風(fēng)場的差值為觀測方向的視線風(fēng)場。再根據(jù)視線風(fēng)場數(shù)值，利用幾何關(guān)系計算氣輝峰值高度處水平風(fēng)場數(shù)值。廠家定義風(fēng)場指向北方和東方的風(fēng)速數(shù)值為正值。平均風(fēng)場誤差為該通道5 次觀測誤差的均方根值。

數(shù)據(jù)舉例：2016 年的第268 天的氣輝輻射的峰高分別為87 km（892.0 nm）、96 km（557.7 nm）和250 km（630.0 nm）的三個波段對應(yīng)的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)，如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 興隆站上空87 km（892.0 nm）高度處的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

圖5 興隆站上空96 km（557.7 nm）高度處的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

圖6 興隆站上空250km（630.0nm）高度處的水平中性風(fēng)溫數(shù)據(jù)（2016 年的第268 天）

2.2 氣輝輻射強度分布數(shù)據(jù)

全天空氣輝成像儀的觀測數(shù)據(jù)文件以圖像格式存儲。CCD 像素為1024×1024，設(shè)備的觀測視場角為180 度。根據(jù)中高層大氣氣輝輻射峰值高度為87 km，計算該高度區(qū)域的大氣的波動特性參數(shù)，為科學(xué)研究提供實測資料。

2016 年8 月20 日20:14:52 記錄的全天空氣輝成像儀的OH 氣輝觀測數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 全天空氣輝成像儀的OH 氣輝觀測數(shù)據(jù)（2016 年8 月20 日20:14:52）

在同一時間段，子午工程海南富克站的全天空氣輝成像儀產(chǎn)出同類型的觀測數(shù)據(jù)，可以滿足同類數(shù)據(jù)分析和研究的需求。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

F-P 干涉儀進行被動光學(xué)觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量除了受設(shè)備自身故障影響外，還受觀測室和站點周圍的環(huán)境影響，包括人為光源、雨雪天氣等外在因素的影響，表現(xiàn)為單個數(shù)值劇烈變化，或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，對應(yīng)的數(shù)值為-999.999，在數(shù)據(jù)篩選過程中去除該次觀測。此外，由于設(shè)備的掃描系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障造成了部分時間的數(shù)據(jù)缺失。

全天空氣輝成像儀進行夜間不間斷觀測，不管外界環(huán)境情況，設(shè)備正常運行時能夠在設(shè)置觀測的時間內(nèi)一直記錄觀測數(shù)據(jù)。通過分析觀測數(shù)據(jù)中的星體圖像質(zhì)量判斷數(shù)據(jù)是否可用，進而在數(shù)據(jù)中提取研究需要的物理信息，不同的研究目的和研究人員將根據(jù)自己的要求使用不同的提取方法。此外，由于設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障造成了部分時間的數(shù)據(jù)缺失。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)可支持中高層大氣風(fēng)場的長期變化的特性研究，也可以應(yīng)用于空間天氣特殊事件環(huán)境下中高層大氣風(fēng)場的響應(yīng)研究，為我國上空空間環(huán)境相關(guān)的研究與工程項目提供數(shù)據(jù)支持，提供大氣建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺- 國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

作者分工職責(zé)

袁 韋（1968—），男，博士，高工，主要承擔(dān)設(shè)備運行和數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作。

徐寄遙（1959—），男，博士，研究員，主要承擔(dān)探測計劃及管理工作。

朱亞軍（1985—），男，博士，研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)生產(chǎn)和分析工作。

李欽增（1982—），男，博士，副研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析工作。

劉偉軍（1985—），男，博士，副研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作。

姜國英（1979—），女，博士，副研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析工作。

孫龍昌（1988—），男，博士，副研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析工作。

吳 坤（1989—），男，博士，副研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析工作。

高 紅（1981—），女，博士，研究員，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析工作。