西涌暗夜社區天文觀測指數設計與預報

摘要：隨著城市化進程的不斷加速，光污染逐年遞增，天文觀測和市民觀星在全球范圍內越來越困難，星空成為了人們亟待保護的重要自然資源之一。為了保護夜空和暗夜生態環境、發展暗夜經濟、滿足市民及專業人員的天文觀測需求，深圳提出在西涌創建暗夜社區，打造一個有效控制光污染的觀星區域。2023年4月6日，深圳西涌完成暗夜社區的創建，成為我國首個國際暗夜社區。觀星氛圍及文化的營造是暗夜社區良好發展的重要因素，而天文觀測、天文文旅活動的開展需要具備適合的天文觀測條件。本文提出了一種天文觀測指數的計算方法，用于評估、預報和監測西涌國際暗夜社區的天文觀測環境條件。該方法考慮了多個因素對天文觀測環境的影響，并采用加權平均法計算出綜合指數。同時，本文還收集了實時觀測數據對結果進行了分析和評估，結果表明該方法能夠準確反映社區的天文觀測環境狀況，并可作為天文觀測條件評估的重要參考。

關鍵詞：暗夜社區；光污染；天文觀測信號；天文觀測指數

1概述

天文學是以觀測為基礎的學科，觀測條件的優劣直接影響到天文觀測的質量和效果，也是評價天文臺址優劣的重要條件，包括氣象條件、全天云量、天光背景等要素[1，2，3]。天文觀測和觀星活動也要盡量遠離城市的光污染[4]，因為在光污染嚴重市區，許多暗弱天體是不可見的，甚至于像北極星這樣的天體也無法目視看到，天文愛好者也要到適宜的區域進行觀星[5]。此外，宇宙因其神秘和美麗是引領大眾科普教育、驅動地方經濟特別是科教文旅相關產業的重要推手，由此催生出觀星直播、星空露營、星空酒店、星空研學營等星空經濟模式[6，7]。

為了保護暗夜星空和生態環境，發展暗夜經濟，滿足居民、游客、愛好者和天文學家對天文觀測的需求，深圳于2021年在位于東南端的西涌社區開始創建暗夜社區。各部門通力合作，燈光照明科學改造、積極宣傳尋求居民商戶支持、天文觀測直播及觀測科普活動c8EjR2yWrwR7pmrBz75DCE7/uRkDu1rtufb/V4En3Fs=引流，率先探索星空自然資源保護新理念、氣象天文與文旅融合新文旅、暗夜經濟新業態。經過兩年的不懈努力，2023年4月10日，深圳西涌國際暗夜社區正式授牌，成為我國第一個、亞洲第二個國際暗夜市區。圖1給出了西涌國際暗夜社區在深圳的位置以及社區內區域分布。暗夜國際執行主席哈特利高度肯定西涌暗夜社區創建，表示“西涌不僅是中國暗夜保護的先鋒，也可以成為全世界榜樣”。暗夜社區的創建更有利于提升天文觀測環境品質和天文觀測服務質量。

西涌國際暗夜社區距離深圳市中心大約60公里，周圍三面環山一面向海，山體對城市光害起到了很好地的遮擋效果[8，9]。然而，臨海的西涌，天氣多變，大灣區市民除了有觀星推薦觀星點（圖1b青色區域），還需要較準確的天文觀測條件信息來確認出行。為了更好服務天文觀星愛好者，為西涌國際暗夜社區吸引游客，本研究以西涌暗夜社區為目標，依據天文觀測點常用要素統計分析[10]，開發出一套天文觀測評價指標體系，通過實時觀測數據分析，選取云量、能見度、降水量、風速、相對濕度、空氣溫度和露點溫度、月光等因素作為影響天文觀測指數的主要因素。基于這些因素，發展天文觀測指數計算體系，并通過實際觀測數據進行驗證和優化。采用數學統計方法對觀測數據進行分析和處理，得出了適合西涌暗夜社區的天文觀測指數計算公式和標準。同時，為了驗證和評估該計算體系的有效性和可行性，還對該地區的天文觀測效果進行了實地測試和比較分析。

深圳市西涌暗夜社區的天文觀測指數體系為該區域的天文觀測提供科學、合理的參考標準，提高天文觀測的效率和質量，為天文學研究提供有益的支持和保障，促進天文學研究的發展。進而指導和規范暗夜社區建設，推動暗夜社區的建設和發展，助力打造“粵港澳大灣區1小時星空銀河圈”。

2西涌暗夜社區天文觀測指數

天文觀測指數是衡量某個時間點、地點和天氣條件下進行天文觀測的可行性的一個指標。該指數是由多個要素綜合計算得出的，包括總云量、能見度、降水、空氣溫度、露點溫度、濕度、風速以及月光等影響觀測的因素。這些要素會對天文觀測造成不同程度的影響，因此將其進行權重分配，并進行數值化計算得出最終觀測指數。

為了更精確地評估某一時刻的天文觀測條件，我們采用了分網格觀測指數的方法，對整個社區內的天空環境進行網格劃分和評估，將區域內不同網格的觀測指數進行綜合計算，得出該區域的綜合觀測指數。基于觀測指數，我們制定了一套發布規則，及時向天文觀測者發布有關未來天氣狀況和觀測指數的信號，以便于觀測者做出相應的調整和決策。

3指數設計與計算

3.1設計思路和計算方法

本文定義以0-100的值范圍作為指數的數字表述形式，100代表天空環境極適合天文觀測，0代表最差天文觀測條件。

通過對天空環境中的影響因素進行分析，氣象要素中總云量和能見度是影響天體的光線到達地球觀測者的最重要因素。對于降水要素，下雨天空的環境都不會適合觀星，所以剔除掉所有下雨以上的天氣環境。氣溫變化特別是高溫可能會引起空氣的擾流，影響觀測。月相是影響天空明亮程度度重要因素之一，夜空明亮度越高，越難觀測到暗弱目標天體。風向、風速作為重要的氣象要素，是天文觀測工作必須考量的因素。風速太大時，大氣流動也較快，繞流大，影響光線折射。此外，大風也影響望遠鏡的架設固定。

基于以上基本分析，考慮在觀測指數最佳觀測條件基數為100的情況下進行不利觀測因素影響權重值進行核減，直到0為止。

所依賴的天氣預報數據本文采用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）發布的中期數值預報，發布時間為每天北京時間08：00和20：00。因此，指數的更新和發布時間也定于每天在08：00和20：00進行2次指數預報更新。

根據的ECMWF模式各要素預報時長和間隔，綜合天文觀測需求，本文將指數的總預報時長定為240小時，在0-90小時范圍內預報為逐1小時進行指數預報，90-240小時為逐6小時預報天文指數。

由于在暗夜社區內的觀星條件會受整個社區內的天空環境所影響，所以需劃定整個暗夜社區影響天文觀測天空環境的范圍，根據預報區域信息最后得出暗夜社區某個時刻的天文觀測指數。ECMWF模式預報的空間分辨率為0.05°×0.05°分辨率網格，實際暗夜社區由一個網格預報單元所覆蓋，具體范圍圖如圖2所示。即暗夜社區的天文觀測指數的相關天氣數值預報將獲取于ECMWF模式中的這個網格預報單元。

3.2影響因素及其權重設定

本文采用了層次分析法（AHP）來確定各個指標的權重，首先將天文觀測指數的各項指標分為三個層次：一級為天文觀測環境，二級為天文觀測質量，三級為天文觀測條件。我們對每個指標在其所屬層次內進行比較和權衡，得到各項指標的權重。并考慮不同指標之間的量綱差異，采用了標準化處理方法，使得各項指標在計算過程中具有可比性。利用加權平均法計算天文觀測指數。

云量條件：云量對天文觀測的影響極其大，其權重被設定為0.4。

能見度條件：大氣能見度也會嚴重影響觀測視線和清晰度，其權重被設定為0.2。

風速條件：大氣穩定度主要影響大氣的湍流運動和氣流的速度，從而影響天文觀測的圖像清晰度，且在大風條件下天文觀測也較為危險。其權重被設定為0.05。

常規氣象條件：包括降水、溫度、濕度、露點溫度等因素。這些因素會影響大氣的折射率和透明度，從而影響天文觀測活動，其權重各被設定為0.03。

天光環境：月相影響夜間天空的亮度和觀測質量，因此夜空明亮度也是重要的影響因素之一，其權重被設定為0.08。

各影響因素的值與指數核減對照表如表1所示。

最終天文觀測指數的計算公式為：

式（1）中，F為最終計算對應時刻的天文觀測指數，C、V、P、T、D、H、W、M分別云量核減、能見度核減、降水核減、空氣溫度核減、露點溫度核減、濕度核減、風速核減、月相核減。

根據西涌暗夜社區實際觀測效果和經驗，對應的天文觀測指數分級為：

極佳，觀測指數≥85%，天空無云或少云，天氣狀況良好，大氣環境無明顯干擾，夜空明度較低，極適合天文觀測活動。

較佳，觀測指數70%-84%，天空有少部分云層遮擋，天氣狀況良好，大氣環境有部分干擾，夜空明度適中，天文觀測活動可正常進行。

尚可，觀測指數55%-69%，天空有部分遮擋，天氣狀況一般，大氣環境有部分干擾，夜空明度一般，天文觀測活動尚可進行。

較差，觀測指數40%-54%，天空部分天空被云層遮擋，大氣可視度一般，夜空明度一般，有輕微天氣影響，天文觀測活動較困難。

極差，觀測指數<40%，天空大部分區域可視度都較差，夜空明度較高，且可能會伴有惡劣天氣，天文觀測活動極其困難。

3.3算法優化和實現細節

在實現過程中，為了提高算法的效率和精度，以及提高計算速度，采用向量化計算方法；為了保證計算精度，采用高精度數值計算庫，對數值誤差進行了控制，最終實現天文觀測指數的計算，完成深圳西涌暗夜社區未來10天的天文觀測指數計算和預測。

4實證研究與分析

4.1指數計算

以2023年9月28日至10月8日的數據為例，在28日收集云量、能見度、降水、空氣溫度、露點溫度、濕度、風速、月相數據。28日08：00至10月2日02：00，每個參量為逐1小時的數據，隨后為逐6小時的參數。各參量具體預報數值序列圖如圖3所示，豎直的陰影部分為夜晚時間。從影響天文觀測較大的云量參量可以看出，28日晚間云量較多，29日、30日、1日、2日、3日云量相對較少；期間能見度變化不大、無降水、氣溫、露點溫度、濕度變化不大、風較小；接近滿月。

把這些參數帶入第2.2節計算可得天文觀測指數序列圖，如圖4所示。總體來說9月28日-10月3日整體處于尚可水平。其中，28日23：00-29日02：00期間受云量影響，觀測效果較差。9月29日-10月1日夜間觀測指數基本處于較佳以上。其后，10月2日00：00左右觀測指數尚可，隨后觀測效果逐漸變好。圖4右側給出了相應的觀測指數等級。

4.2結果和討論

在天文觀測指數的研究中，本文成功建立了一個基于多因素加權平均的指數評估體系。通過收集數據，確定影響天文觀測質量的因素，并采用層次分析法確定這些因素之間的權重關系，采用了多種算法對指數進行優化和實現。

首先，不同時間段的指數變化趨勢大致相同，表明該指數對于天文觀測的評估具有較高的穩定性和可靠性。其次，云量、能見度是影響天文觀測指數最為重要的因素，而常規要素氣溫、濕度、風等因素的影響相對較小（這里一般指天文愛好者目視觀測或科普級望遠鏡觀測）。最后，不同區域的指數值有較大差異，其中人工光源較少區域的指數值相對較高。

總的來說，天文觀測指數評估體系可以有效地評估天文觀測質量，并具有較高的穩定性和可靠性。本套體系能為深圳市西涌暗夜社區的天文觀測服務提供了有力的支持，同時也為其他地區和單位的天文觀測服務工作提供借鑒和參考。

5觀測指數的應用

深圳西涌暗夜社區天文觀測指數的最終目標是為市民愛好者和天文工作者提供服務，為其觀星活動提供預報性的支撐，一段時間內可在暗夜社區進行連續觀測。基于此，在觀測指數的基礎上搭建針對社區天文觀測活動的信號提示，在有適宜天象觀測或節假日期間，根據天文觀測指數監測到有良好的天文觀測條件時，深圳市天文臺進行天文觀測信號的發布。一次天文觀測信號的發布包含了天文觀測信號圖標、觀測信號內容、照明聯動內容三個部分。天文信號圖標包含：可觀測的天文現象和出現時間；天文觀測指數等級，表示觀測時段的觀測條件如何；以及社區的照明聯動等級，用以燈光控制指引等的相關信息。

2023年國慶期前，9月28日發布了天文觀測信號，國慶正逢中秋，信號圖標是滿月，天文觀測信號如圖4所示。接近滿月，除了觀測月球，還可以觀測行星（木星、土星）、亮星（牛郎星、織女星、天津四等）以及獵戶座和天蝎座等星座。

6結論與展望

6.1研究結論總結

天文觀測指數是基于深圳西涌國際暗夜社區的天文觀測條件和天文愛好者觀測需求，采用主觀評價和客觀數據相結合的方法，綜合評價天文觀測質量的一項指數。通過本研究的實證分析，得出以下結論：

天文觀測指數能夠反映出深圳西涌暗夜社區的天文觀測環境。指數值與氣象、光污染等環境因素呈現出較好的相關性，且在不同天文活動時期的指數變化具有較好的穩定性和一致性。

天文觀測指數在實際應用中具有較高的可操作性和實用性。通過與實際觀測環境進行對比，天文觀測指數的預測準確率較高，能夠有效指導市民觀測活動的安排。天文觀測指數的建立和應用，對于推動暗夜社區建設和天文科普事業具有積極的推動作用。通過公開發布和宣傳，有望引導更多市民關注天文科普，增加社區建設和科普活動的參與度。

總之，天文觀測指數的研究和實踐為促進天文觀測環境建設和市民科普意識提高提供了新思路和實踐經驗。但在實踐應用中也存在不足之處，需要進一步完善和改進。

6.2不足之處和改進方向

在天文觀測指數的開發和應用過程中，我們發現一些不足之處，目前的天文觀測指計算依賴的背景場為ECMWF天氣預報數據，背景場的預報準確度極大的影響了天文觀測指數預測的準確度，后續的指數計算，我們希望改進數據集，通過在臨近時間場采用分區預報的形式，通過使用擇優預報數據從而增加天文觀測指數預測的準確程度。

以及EC預報場的分辨率為0.05°×0.05°分辨率網格，映射到實際距離大約為5km×5km，對應的預報網格范圍剛好完成了暗夜社區的天空環境覆蓋，在實際應用的可能會有偏差過大，不夠精細問題，后續范圍希望能夠采用1km×1km網格范圍預報，生成指數的時候通過更多的預報，精細化指數的預報和誤差平均預期效果。

可以進一步探討視寧度和天光環境的監測對天文觀測指數的影響，視寧度是指在觀測過程中可見的空氣清晰程度，視寧度較低時，天空中的星星和天體會被散射和衍射，導致觀測效果不佳，影響觀測指數的計算結果。深圳市天文臺從2023年7月起開始不間斷監測天光背景亮度，可評估對天文觀測指數的影響。因此，對于天文觀測指數的計算，需加入視寧度的計算和影響權重，以及天光環境中城市光污染的影響，并采取有效的監測措施，加入指數計算模型進行實時修正，提高夜間的天文觀測指數準確性。

6.3未來研究展望

持續改進和優化指數計算方法，引入更多的影響參數、優化統計方法等方式來改進指數的準確性和穩定性，以及發展精細化天文觀測指數的計算，例如基于人工智能和大數據技術的智能預測和建議等，從而更好地反映當地的天文觀測條件，提高天文觀測指數的準確性和實用性。

當前的天文觀測指數主要針對深圳西涌暗夜社區，我們希望可以擴大指數覆蓋范圍，未來可以考慮將指數應用到更多的地區，為更多的天文愛好者和觀測者提供服務。并建立數據共享平臺，讓更多的人可以使用和分享數據，進一步提升指數的價值和影響力。

參考文獻：

[1]辛玉新，王傳軍，范玉峰，等.麗江站臺址信息監測系統[J].天文學進展，2017，35（03）：367-380.

[2]王晶星，劉煜，宋騰飛，等.大理洱海東岸山區天文氣象條件初步統計分析：2016至2017年大氣季節特征[J].大理大學學報，2018，3（06）：30-33.

[3]吳雪峰，鄧李才，姚騎均，等.“天文大科學裝置冷湖臺址監測與先導科學研究”重大專項實施進展[J].青海科技，2022，29（03）：31-45.

[4]鄧李才，王昱.天文臺選址都有哪些講究[J].科學大觀園，2021（18）：8-11.

[5]陶雋.光污染對光學天文觀測的影響[C]//上海市照明學會.中國長三角照明科技論壇論文集.[出版者不詳]，2004：3.

[6]潘星海，賴雨薇，李文蜜，等.舟山市普陀區海灘旅游氣象指數預報研究[J].氣象研究與應用，2016，37（04）：69-72.

[7]張宣，程曉琳，陳立民，等.守護“暗夜”，讓璀璨星空不再遙遠[N].新華日報，2023-08-21（005）.

[8]梅林，吳翔，周作超.深圳市天文臺全天云圖監測系統的設計與實現[J].天文研究與技術，2018，15（02）：232-239.

[9]鄭建川，梅林，王棟，等.日偏食期間深圳市天文臺氣象要素分析[J].天文研究與技術，2021，18（03）：380-387.

[10]錢璇，王盤興，姚永強，等.中國天文氣象條件的時變特征[J].中國科學：物理學力學天文學，2011，41（07）：896-910.

作者簡介：鄭建川（1989—），男，漢族，云南臨滄人，博士，副高級工程師，研究方向：太陽物理、天體物理；葉嘉暉（1988—）男，漢族，廣東佛山人，碩士，工程師，研究方向：天體物理；梅林（1982—），男，漢族，云南昆明人，碩士，副研究員，研究方向：天體物理。