第二代昆仑自动气象站的研制及其在天文台址评估中的应用

Some inland sites in Antarctica, including Dome A, have been considered to be excellent sites on earth for astronomical observations for a long time. Since the astronomical research expedition activities at Dome A, various equipments of site testing and astronomical observations have been installed and running. However, there are still not enough data, especially long-term monitoring data, to fully evaluate the site conditions. Climate condition is a key factor for evaluating an astronomical site. By analyzing the data of 2011 from the first Automatic Weather Station (AWS), we found that a strong temperature inversion layer existed above snow surface at Dome A and the average wind speed was only 1.5m/s, indicating very weak atmospheric turbulence near the ground and a low, steady boundary layer. Unfortunately, the simple AWS had fallen down and stopped working after a year, without long-term monitoring data. We plan to build a new, strong AWS that can work at very low temperature, study the long-term site properties of Dome A and evaluate its site conditions by using the data from this AWS. It will provide scientific basis for establishing the Antarctic Astronomical Observatory. Meanwhile, such an AWS will provide valuable information for operating telescopes safely and reliably at Dome A. The AWS data can also provide insights to the design of future telescopes.

长期以来，包括Dome A在内的南极内陆站点被认为是地球上最优异的天文观测台址。自从在Dome A 开展天文科考以来，台址测试和天文观测的设备陆续安装和运行，但对台址的评估仍然不够完善，尤其是没有长期监测。气象条件是评估天文台址优劣的重要因素。我们在分析第一台简易的自动气象站在2011的数据时意外发现，Dome A雪面上存在极强的逆温层，平均风速只有1.5m/s，这就意味着昆仑站地表附近的大气湍动微弱，存在稳定且高度很低的边界层。不幸的是这台气象站运行一年后倾倒和停止工作，没有长期的数据积累。. 本项目计划研制一台能在Dome A极端低温环境下长期稳定运行的自动气象站，研究该站点长期的天文台址性质并进行评估，为南极天文台的建设和发展提供科学的依据。同时，此气象站还将为在站天文设备运行提供参考数据，提高运行的安全性和可靠性；并且可以为计划建造的望远镜的设计提供重要科学依据。

长期以来，南极内陆冰穹A都被认为是地面上最为优异的的天文台址之一。特别是Bonner等人利用SNODAR 2009年的数据测得冰穹A大气边界层高度中值仅为13.9米；Hu等人分析第一代KLAWS 2011年的数据发现边界层高度和逆温强度存在强烈的反相关。 然而由于极端恶劣的环境，冰穹A一直都没有长期连续的台址监测数据，SNODAR和第一代KLAWS都没有完整的越冬数据。本项目研制了KLAWS-2G，用于测量冰穹A边界层之下不同高度的温度、风速、湿度和气压等气象参数。KLAWS-2G从2015年安装到至今(2018年1月)，一共获取32个月的连续数据。利用这些数据，我们进一步确认了冰穹A地表以上逆温层的存在，其持续时间中值超过10小时，而冰穹A的风速中值为4.1米/秒。这个结果表明，冰穹A大气十分稳定，边界层低。在可以企及的边界层高度之上，我们就能够获得自由大气的优异视宁度。..KLAWS-2G的数据不仅加深我们对冰穹A台址的理解，也为我们远程安全运行AST3望远镜提供了保障。这些数据也为我国未来南极天文台的建设提供重大了参考。此外，KLAWS-2G也对极地大气科学的研究有着重要的价值。我们在研发KLAWS-2G的过程中，还积累了大量的在极端环境下无人值守设备的制造和运行的经验。这些经验也可以为我国今后在南极、空间以及西部高原天文台站建设所借鉴。