2016年河北兴隆站中性风温和气辉辐射强度分布数据集

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摘要&关键词
摘要：中高层大气中性风与温度数据和气辉辐射强度分布数据对中高层大气研究非常重要，这两类数据对中高层大气物理过程和光化学过程的研究具有十分重要的科学意义。本文中高层大气中性风温和气辉辐射强度分布数据分别来自于2016年Fabry-Perot干涉仪和全天空气辉成像仪在河北兴隆站（40.2^oN，117.4^oE）观测的数据。通过光学干涉仪5个不同天顶角方向的循环探测，获取中高层大气87 km、96 km和250 km高度区域的中性风场和温度数据；利用全天空气辉成像仪鱼眼镜头获取180度视场内站点上空87 km高度区域的大气气辉辐射强度分布数据，提取该高度区域大气波动信息。通过统计分析这两类数据，研究者能够得到多个气辉高度区域内大气风场和辐射强度的时变特征，为中高层大气内上下圈层耦合、太阳活动变化、特殊天气事件相关的气辉辐射研究提供实测的分析资料。
关键词：中高层大气气辉辐射；多普勒频移；中性风风场；OH气辉谱段；OI557.7 nm气辉；OI630.0 nm气辉；中高层大气波动

Abstract & Keywords
Abstract:?The neutral wind, temperature and airglow radiation intensity data in the middle and upper atmosphere are important for the study of the middle and upper atmosphere. These two types of data are of great significance in the scientific community for the study of the physical and photochemical processes in the middle and upper atmosphere. The neutral wind, temperature and airglow radiation intensity data in the middle and upper atmosphere were observed by a Fabry-Perot interferometer and an all-sky airglow imager at Xinglong Station (40.2^oN, 117.4^oE) in 2016. The Fabry-Perot interferometer obtains the neutral wind and temperature near 87 km, 96 km and 250km through a loop detection in 5 different directions. The all-sky airglow imager uses a fisheye lens with a field of view of 180 degrees to obtain atmospheric airglow radiation intensity near 87 km over the station. Through statistical analysis of the data, researchers can obtain the time-varying characteristics of atmospheric wind field and radiation intensity in the height of airglow emissions for the purpose of studying couplings between the lower and upper atmosphere and effects of solar activity and extreme weather events related to the airglow radiation.
Keywords:?Airglow radiation in the middle and upper atmosphere;?Doppler frequency shift;?neutral wind field;?OH airglow spectrum;?OI557.7 nm airglow;?OI630.0 nm airglow;?middle and upper atmosphere fluctuations

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	2016年河北兴隆站中性风温和气辉辐射强度分布数据集
数据作者	中国科学院国家空间科学中心
数据通信作者	袁韦（wyuan@swl.ac.cn）
数据时间范围	2016年
地理区域	兴隆站（40.2^oN, 117.4^oE）
数据格式	.dat，.png
数据量	13040MB
数据服务系统网址	http://dx.doi.org/10.12176/01.05.009 （光学干涉仪温度、速度数据） http://dx.doi.org/10.12176/01.05.007 （全天空气辉成像仪原始数据）
基金项目	国家重大科技基础设施子午工程
数据库（集）组成	本数据集由2016年343天的中性风温数据和355天的气辉辐射强度分布数据组成。中性风温数据记录了站点上空87 km、96 km和250 km高度区域的中性风场和温度数据，每个高度的时间分辨率为60分钟，文件格式为dat，数据项包括时间、高度、径向风、纬向风、温度和相对应的误差数据。气辉辐射强度分布数据记录了站点上空87 km高度区域的OH气辉辐射强度分布，时间分辨率为3分钟，文件格式为png，每个图形包括该时间段内的气辉辐射强度分布。

Dataset Profile

Title	A dataset of neutral wind temperature and airglow radiation intensity distribution at Xinglong Station in 2016
Data corresponding author	WEI Yuan（wyuan@swl.ac.cn）
Data author	National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences
Time range	2016
Geographical scope	Xinglong Station（40.2^oN, 117.4^oE）
Data volume	13040 MB
Data format	.dat, .png
Data service system	http://dx.doi.org/10.12176/01.05.009 (Inversion data from FPI) http://dx.doi.org/10.12176/01.05.007 (Raw file from ASAI)
Sources of funding	Meridian Project
Dataset composition	The dataset consists of 344 days of neutral wind temperature data and 356 days of airglow radiation intensity distribution data in 2016. The neutral wind temperature data records the neutral wind field and temperature data in the areas of 87 km, 96 km and 250 km above the site. The time resolution for each altitude is 60 minutes. Each file is in .dat format. And data items include time, height, radial wind, zonal wind, temperature, and the corresponding error. The airglow radiation intensity distribution data records the OH airglow radiation intensity distribution in the area of 87km above the site. The time resolution for each altitude is 3 minutes, and each file is in .png format. Each graph includes the airglow radiation intensity distribution during the exposure time.

引言
中高层大气气辉的被动光学地基观测能够获取中高层大气中性风温数据和气辉辐射强度分布数据，为中高层大气的上下圈层耦合、太阳活动变化、特殊天气事件相关的气辉辐射研究提供重要实测资料，也为中高层大气模式建立提供长期的连续观测资料。子午工程在河北兴隆站建设了Fabry-Perot干涉仪（简称F-P干涉仪）设备^[1]和全天空气辉成像仪（简称成像仪）^[2]两个地基观测设备，观测提供中高层大气中性风温数据和气辉辐射强度分布数据。
F-P干涉仪是美国国家大气研究中心（UCAR）的产品，设备采用直径为10 mm的标准具和1024×1024像素的科学级成像CCD探测器，输入观测位置等基本信息后能够实现自动控制和数据采集等观测过程的全自动运行。设备从2010年4月开始在兴隆站观测运行，设备仅在夜间观测，提供了3个气辉辐射峰值高度区域中性风温10年的观测数据。中国气象局山西岢岚站稍后也建设了同类型的设备，经过比对分析两个站点的数据^[3]，两地的数据均有用于中高层大气的分析研究。
成像仪由加拿大KEO科技公司制造。设备采用180度视场鱼眼镜头成像光路和1024×1024像素的科学级成像CCD探测器，全自动控制数据采集与运行。从2009年11月开始在兴隆站观测运行，设备仅在夜间观测，提供中高层大气气辉辐射峰值高度87 km区域的气辉辐射强度分布数据，数据的时间分辨率为3分钟，已有10年的观测数据积累。
利用F-P干涉仪和成像仪长期连续的地基观测数据，在同类设备数据研究的基础上^[4,5]，设备团队开展了中高层大气物理过程、化学过程与事件的分析，分析了地形环境对高层大气波动的影响^[2,6-7]，雷暴产生的高层大气波动^[8-9]，中层顶大气潮涌事件^{[10-11 ]}，我国中纬地区电离层扰动^[12-13]，我国低纬地区电离层等离子体泡的特性^{[14-15 ]}，台风等剧烈事件的作用^[16-17]，高层大气震荡^{[18,19,20,21 ]}等科学问题，广泛开展了前沿科学研究。
本文介绍2016年兴隆站Fabry-Perot干涉仪和全天空气辉成像仪观测的数据，包括87 km、96 km和250 km三个气辉辐射峰值高度的大气中性风温数据和87 km高度的气辉辐射强度分布数据。科研用户如需要其他观测年份的数据，请联系中科院国家空间科学中心空间科学数据中心（CSSDC）。

1 ? 数据采集和处理方法
1.1 ? 水平中性风温数据
兴隆站F-P干涉仪提供3个气辉辐射通道的夜间观测的水平中性风温数据。3个通道分别为OH气辉892.0 nm、OI气辉557.7 nm和OI气辉630.0 nm，对应的辐射峰值高度为87 km、96 km和250 km。3个通道依次运行组成一个循环，一个循环的时长约为1小时。随季节不同每个晚上的观测包含十多个观测循环。每个通道的观测数据包含气辉通道、观测时间、径向风、纬向风、温度和径向风误差、纬向风误差、温度误差。
干涉仪利用F-P标准具把来自气辉高度的大气运动引起的气辉辐射的多普勒频移记录在CCD上，通过与校准的稳频激光干涉图样进行比较，反演分析观测的干涉图样数据，获取观测方向的视线风速，再利用几何关系得到气辉高度上的大气水平风场数据^[1]。同样，通过分析观测的干涉图样的宽度的变化，比较分析得到气辉谱线宽度变化，得到气辉高度上的大气温度数据^[21]。
兴隆站F-P干涉仪厂家仅以直接提供数据处理软件的方式获取探测数据，只提供EXE格式的数据处理软件，运行后得到当晚观测的风温数据。干涉仪数据产生过程如图1所示。从干涉图像中反演计算风速的方法通常有半径法、完整傅里叶级数描述法和非线性回归法等方法^[22]，具体的数据处理和数据应用可以参考引言中的同行论文。

图1 ? 干涉仪数据产生过程

1.2 ? 气辉辐射强度分布数据
成像仪利用陷波滤光片选取中高层大气气辉辐射峰值高度为87 km的OH气辉波段，陷波滤光片带宽参数为715～930 nm+，陷波865±18 nm。设备连续观测，提供87 km高度区域的夜间的气辉辐射强度分布数据。将每一次曝光的数据以png格式存储，数据的时间分辨率为3分钟。
由于全天空气辉成像仪采用180度视场的鱼眼透镜收集气辉辐射信息，中高层大气区域的空间位置成像在CCD探测器上，形成不同的成像位置，由于鱼眼镜头成像存在较大的畸变，且呈现非线性变化，因此，在图像处理中需要按照星图位置标定和校准数据图像中的像素点与气辉层高度上空间点的位置，保证像素点与实际的空间点保持一致。从OH气辉辐射强度分布数据的文件中提取大气波动信息可以采用图像差分法^[2]，也可以通过滑动平均的方法获取大气波动的信息。根据研究的需要，可以采用更多的图像数据处理方法来提取需要的信息。全天空气辉成像仪数据产生过程如图2所示。不同的科研用户将使用适合自己的数据处理方法，针对聚焦的科学问题，选择最优的处理方法，例如单幅图像提取方法、前后图像差分法、图像谱分析方法等。具体的数据处理和数据应用可以参考本文引言中已经发表的论文等。

图2 ? 全天空气辉成像仪数据产生过程

2 ? 数据样本描述
2.1 ? 水平中性风温数据
观测收集的数据经过反演软件运行后，得到Fabry-Perot干涉仪的水平中性风温数据格式示例（2016年第268天），如图3所示。

图3 ? 水平中性风温数据格式示例（节选）
以下分三个部分解释数据内容。
2.1.1 ? 数据文件第一部分
数据文件第一行。
--------------┌
194
┘--------------
本文件的观测次数是194次，有对应的194个数据段落。

2.1.2 ? 数据文件第二部分
数据文件第二行到第十行。
--------------┌
16268/2016268103326_36328_4_p072p180
256 256 2 2048 1 4 1 2016 9
24 10 33 26 721 268 0 18000 7199
18000 3 6328 0 0 50 1 8 3000
1323 4039 -24242 950 27963 18166 9797 -71 -652
27463 -5999 -5999 -12851
0.000000000000000 0.000000000000000 0.000000000000000
0.000000000000000
0.000000000000000 0.000000000000000 0.000000000000000
0.000000000000000
┘--------------
这是第一个数据段落，探测信号来源于定标激光器，提供当晚全部观测的数据基准，这段数据不包含大气风场和温度的探测数据。
数据段中“16268/2016268103326_36328_4_p072p180”的含义为：16268 表示为2016 年的第268 天，即2016年9月24日。103326 为数据记录的时间，即世界时10 时33 分26 秒；36328 为第3 通道，波长为6328 埃，p072p180 表示方位角为72 度，天顶角为180 度，此处表示为竖直向下的天顶方向。
该文件记录的信息仅应用在当晚观测的中性风温的数据反演处理中，用户可以忽略具体内容。

2.1.3 ? 数据文件第三部分
数据文件第十一行到文件尾。
--------------┌
16268/2016268103434_28920_4_p000p000
256 256 2 2048 1 4 1 2016 9
24 10 34 34 268 268 0 18000 0
0 2 8920 0 0 1800 100 8 3000
1323 4039 -24242 950 27991 18166 9825 -71 -673
27482 -5999 -5999 -12851
8525.013367938862 942.5488857488199 428511.7230823021
2521.873427975255
7.137907077583560 37.14613344906873 5648.595143688073
0.3025629680463765
┘--------------
以上是8920波段在一个方向上的一次测量的全部数据。当次观测记录的时间为世界时10 时34 分34 秒；28920 为第2 通道，波长为8920 埃，p000p000 表示方位角为0 度，天顶角为0 度，此处表示为竖直向上的天顶方向。
8525.013367938862数据段4个数值，第1个数表示总风场，单位为米/秒，没有无效缺省值；第2个数表示对应的温度，单位为开，没有无效缺省值；第3、4个数为亮度与背景亮度，用户可以忽略。
7.137907077583560数据段4个数值，第1个数表示总风场误差，单位为米/秒，没有无效缺省值；第2个数表示对应的温度误差，单位为开，没有无效缺省值；第3个、第4个数为亮度与背景亮度误差，用户可以忽略。
紧接着是8920波段在另外4个方向探测的数据，5个数据组成该波段的全部观测内容。
此后，开始变换到5577波段、6300波段，进行循环观测，一直运行，直到设置的停止时间，结束当晚的全部观测。
与p000p000说明类似，观测过程中使用的观测方向分别为：
p000p045说明天空扫描仪方位角为0 度，天顶角为+45 度，表示为向东方向观测；
p000n045说明天空扫描仪方位角为0 度，天顶角为-45 度，表示为向西方向观测；
p090n045说明天空扫描仪方位角为90 度，天顶角为-45 度，表示为向北方向观测；
p090p045说明天空扫描仪方位角为90 度，天顶角为+45 度，表示为向南方向观测。
设备运行时，每个气辉通道观测5个方向，算术平均得到风场的平均值，单个方向的数值与平均风场的差值为观测方向的视线风场。再根据视线风场数值，利用几何关系计算气辉峰值高度处水平风场数值。厂家定义风场指向北方和东方的风速数值为正值。平均风场误差为该通道5次观测误差的均方根值。
数据举例：2016年的第268天的气辉辐射的峰高分别为87 km（892.0 nm）、96 km（557.7 nm）和250 km（630.0 nm）的三个波段对应的水平中性风温数据，如图4、图5、图6所示。

图5 ? 兴隆站上空96 km（557.7 nm）高度处的水平中性风温数据（2016年的第268天）

图6 ? 兴隆站上空250km（630.0nm）高度处的水平中性风温数据（2016年的第268天）

2.2 ? 气辉辐射强度分布数据
全天空气辉成像仪的观测数据文件以图像格式存储。CCD像素为1024×1024，设备的观测视场角为180度。根据中高层大气气辉辐射峰值高度为87 km，计算该高度区域的大气的波动特性参数，为科学研究提供实测资料。
2016年8月20日20:14:52记录的全天空气辉成像仪的OH气辉观测数据如图7所示。

图7 ? 全天空气辉成像仪的OH气辉观测数据（2016年8月20日20:14:52）
在同一时间段，子午工程海南富克站的全天空气辉成像仪产出同类型的观测数据，可以满足同类数据分析和研究的需求。

3 ? 数据质量控制和评估
F-P干涉仪进行被动光学观测，数据质量除了受设备自身故障影响外，还受观测室和站点周围的环境影响，包括人为光源、雨雪天气等外在因素的影响，表现为单个数值剧烈变化，或者出现数据缺失，对应的数值为-999.999，在数据筛选过程中去除该次观测。此外，由于设备的扫描系统故障和数据采集系统故障造成了部分时间的数据缺失。
全天空气辉成像仪进行夜间不间断观测，不管外界环境情况，设备正常运行时能够在设置观测的时间内一直记录观测数据。通过分析观测数据中的星体图像质量判断数据是否可用，进而在数据中提取研究需要的物理信息，不同的研究目的和研究人员将根据自己的要求使用不同的提取方法。此外，由于设备的数据采集系统故障造成了部分时间的数据缺失。

4 ? 数据价值
本数据可支持中高层大气风场的长期变化的特性研究，也可以应用于空间天气特殊事件环境下中高层大气风场的响应研究，为我国上空空间环境相关的研究与工程项目提供数据支持，提供大气建模的基础数据。

致谢
本数据论文的完成得到了国家科技基础条件平台–国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。

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稿件与作者信息

论文引用格式
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袁韦YUAN Wei

主要承担设备运行和数据生产工作。
yuanwei@nssc.ac.cn
（1968—），男，博士，高工。

徐寄遥 XU Jiyao

主要承担探测计划及管理工作。
（1959—），男，博士，研究员。

朱亚军ZHU Yajun

主要承担数据生产和分析工作。
（1985—），男，博士，研究员。

李钦增LI Qinzeng

主要承担数据分析工作。
（1982—），男，博士，副研究员。

刘伟军LIU Weijun

主要承担数据生产工作。
（1985—），男，博士，副研究员。

姜国英JIANG Guoying

主要承担数据分析工作。
（1979—），女，博士，副研究员。

孙龙昌SUN Longchang

主要承担数据分析工作。
（1988—），男，博士，副研究员。

吴坤WU Kun

主要承担数据分析工作。
（1989—），男，博士，副研究员。

高红GAO Hong

主要承担数据分析工作。
（1981—），女，博士，副研究员。