基于现场实测的福州城市公园暗夜质量比较研究

雷雨晴 赵明 陈元慧 邢媛丽

(1.福建农林大学 风景园林与艺术学院,福建 福州 350007；2.闽江学院 经管学院，福建 福州 350007)

光是控制生物体中许多过程和功能的重要环境因素，千百万年来地球上的多数生物都是在昼夜明暗交替中进化的，然而人工照明却打破了这一昼夜周期[1]。术语“光污染”由学者Verheijen在1985年提出，意思是对生物有不利影响的人造光。光污染对于人类最表面的影响就是我们无法抬头直接看到星星[2]，然而光污染的影响远不止此。光污染对生物的影响范围覆盖了单细胞生物到高等生物[3]，能够通过调节个体到生物群落各个层面的丰度、数量和聚集来影响生态系统多样性[4]；通过干扰种间和种内的相互作用及景观形成过程来干扰种群、遗传和景观结构[5]；通过发光产生温室气体加剧全球变暖[6]。

由于光污染的影响日益显著，暗夜理念应运而生。随后，各国学者以及各大国际暗夜保护组织逐步开展了相关研究与推广，其中国际暗夜协会(International Dark Sky Association)最具影响力，其主要暗夜保护形式是在全球范围内进行暗夜区域的认证。截至2022年初，国际暗夜协会已经认证了111个国际暗夜公园，是数量最多、内容最为丰富的认证形式[7]，同时也是一种有效保护自然生境、推广环境教育的途径，在国际上获得广泛的关注和认可。

光污染是城市发展中的重要问题，而城市公园作为城市居民日常休闲活动的重要场所，其暗夜质量少有学者调查研究。本文结合各国学者以及各大暗夜保护组织的经验，采集Light Pollution Map网站福州城市公园相关暗夜数据，并利用国际暗夜协会认可的暗夜质量测量仪器——Unihedron Sky Quality Meter实测福州典型城市公园的天空星等亮度，探究福州城市公园暗夜现状，并对其进行比较研究。

1 现场实测实验

1.1 实验地

截至2020年，福州全市规划布局城市公园绿地共111处[8]，为了保证调查结果更具全民性和公平性，本次研究选取位于福州市主城区四座交通便利、游人较多、具有典型代表性的开放性公园：西湖公园、左海公园、金鸡山公园、金牛山公园。

1.2 测量仪器与背景条件

本次测量的主要仪器有：Unihedron Sky Quality Meter、水平仪、指南针。SQM测量仪用于测量星等亮度，是国际暗夜协会官方认可的暗夜测量方法之一，也是对天空亮度进行科学质量测量中使用最广泛的设备；水平仪用于测量倾斜角度；指南针用于测量方向。

由于气象、大气、天体等条件会对暗夜产生较大的影响，SQM测量仪官方建议测量时间应该选择晴朗无云无月(或峨眉月)的晚上(至少日落一小时后)，因此，具体的测量背景条件见表1。

表1 测量背景条件

1.3 测量指标及层次

本次的测量指标为天空星等亮度，单位为mag/arcsec2，数字越高，代表天空越暗[9]。

在全天空光环境分析中，由于天空亮度远远低于地表亮度，测量仪器无法直接进行亮度划分，因此对冠层以上空间进行360°环形测量。为避免测量人在夜间光环境下的投影对测量数据产生干扰，本次测量分别选择每个点位0°、15°、30°、45°四个角度、北(0°)，东北(45°)、东(90°)、东南(135°)、南(180°)、西南(225°)、西(270°)、西北(315°)八个方位的星等亮度共计25个点的星等亮度。测量层次、角度示意图见图1。

图1 测量层次、角度示意图[10](改绘自参考文献[10])

1.4 测量研究典型地点选择

由于建筑、植物的阴影以及不规则人工照明等因素会对测试结果产生一定的影响，因此，公园的测点需要具有典型性。本次选取四个公园的测点，均位于公园相对开敞、平整且有游客往来的区域，周边无显著强光源，无建筑、植物阴影，无不规则人工照明，且避免距离人工照明过近。

表2 测量典型地点

1.5 实验难点与应对

由于SQM测量仪灵敏度较高，周边人群的聚集与往来、游客携带的电子产品等产生的光束都可能对测量数据的准确性产生一定影响。因此，避免公园游客对实验测量产生干扰是实验过程中的难点之一。应对方法为测量期间，测量人员不断注意周围环境状况，有干扰行为立即停止测量并舍弃该组数据，等待游客离开重新开始测量工作。

福州属于典型的亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛，每年3—5月为春雨期和梅雨期，湿度大，雨水多；6—9月是热带风暴和台风活动最为集中的时期，符合实验气象条件的天数较少。同时，SQM测量仪官方建议在无月或月相为峨眉月的夜间使用，每月月相符合该条件的时间仅一星期左右。综上所述，理想的实测条件的天数十分有限，这也是限制实验测量的主要障碍之一，应对方法为等待适宜的天气条件开始现场实测实验工作。

2 测量结果

测量结果见图2。据此可知，各测点星等亮度与测点角度呈现出一定的相关性。各测点天顶星等亮度值最高，暗夜质量最佳；除测点的个别倾斜角度外，倾斜角度自0°至45°各层次、各测点星等亮度值依次递减。这表明，福州城市公园冠层受光污染影响较大，越靠近地表，光污染越严重，暗夜质量越低。

图2 福州城市公园各测点星等亮度分布雷达图

3 数据分析

3.1 天顶星等亮度数据分析

天顶星等亮度是评价光污染严重程度的重要指标之一[11]，也是国际暗夜协会衡量暗夜质量的重要指标之一。国际天文联合会定义了在没有光污染的情况下，自然无月夜空亮度值为2.1×10-4cd/m2[12]，星等亮度与亮度的转化公式为：

[Value in cd/m2]=10.8×104×10[-0.4×(Value in mag/arcsec2)]

自然夜空亮度值转换为星等亮度值为21.6mag/arcsec2。

3.1.1 天顶星等亮度数据来源

天顶星等亮度数据一方面来自于此次现场实测，另一部分研究数据采集自Light Pollution Map(以下简称LMP)网站。LMP是一个制图应用程序，可以在Microsoft Bing 基础图层上显示与光污染相关的内容。其中本次研究数据主要采集网站收录的2015年夜空人造亮度新世界地图，这是目前最具影响力的人工亮度世界地图集，从中获取2015年研究区域内的天顶星等亮度。基于LMP数据与现场实测数据，不仅可以分析比较四座公园的暗夜质量，还可以从时间角度探索四座公园暗夜的变化情况。

3.1.2 天顶星等亮度比较研究

方差是衡量观察值分散程度的一个尺度，若方差较小，则表示观察值比较集中；若方差较大，则表明观察值较分散[13]。方差计算公式为：

其中，x为该组数据的平均值。方差可以用来衡量四座公园暗夜质量的差异。

各测点天顶星等亮度实测数据、LMP采集数据及其方差见表3。福州城市公园2015年与2022年的天顶星等亮度均远远低于自然夜空亮度值21.6mag/arcsec2，城市公园暗夜质量受损。其中，2022年的数值较2015年的数据出现了大幅下降，这表明2015年以来，随着福州城市的发展，城市公园的夜间人工照明亮度不断增加，城市公园暗夜质量受损加剧。

表3 各测点天顶亮度实测数据值与LMP数据值

2015年，四座公园中金鸡山公园天顶星等亮度最高，暗夜质量最佳；西湖公园天顶星等亮度最低，暗夜质量较差；四座公园亮度值方差约为0.005 9，离散程度较低，暗夜质量差异较小。2022年，四座公园中西湖公园天顶星等亮度最高，暗夜质量最佳；金鸡山公园和金牛山公园天顶星等亮度最低，暗夜质量较差；方差为0.744 3，离散程度较高，四座公园间的暗夜质量差异较大。2022年方差较2015年显著增加，这表明随着时间的增加，四座公园暗夜质量的差异越来越大，经计算差值发现，金鸡山公园暗夜质量下降最多，其次是金牛山公园、西湖公园，左海公园暗夜质量在四座公园中下降最少。总体来看，左海公园保持了相对较高的暗夜质量，并在城市光污染进一步加剧的情况下保证园区尽量避免光污染影响，暗夜对游客、动植物较为友好。

3.2 角度星等亮度比较研究

为了解与比较福州城市公园各层次的暗夜质量现状，取各测点0°测量结果、15°、30°、45°测量结果的平均值为参考，绘制福州城市公园测点各倾斜角度平均星等亮度折线图(见图3)。总体来看，倾斜角度自0°至45°各层次、各测点星等亮度值依次递减，这表明，天顶星等亮度受夜空层光环境影响较大，而15°—45°区间受城市公园冠层附近的光环境影响较大，越靠近地表，光污染越严重，暗夜质量越低。四座公园暗夜质量的排序依次为：左海公园>西湖公园>金牛山公园>金鸡山公园。

图3 福州城市公园测点各角度平均星等亮度折线图

据图3还可看出，除点位1外，其他测量点位的星等亮度与测量角度的下降趋势大致相似。0°—15°区间折线斜率最大，星等亮度变化显著；15°—30°区间与30°—45°区间折线斜率缓慢变小，星等亮度的变化越来越慢；而点位1在15°—30°区间斜率最大，星等亮度变化显著，0°—15°区间和30°—45°区间斜率较小，星等亮度变化缓慢。这表明，左海公园、金鸡山公园、金牛山公园三所公园在15°—45°区间主要受城市公园冠层附近的光环境影响，星等亮度变化缓慢;而西湖公园在15°—30°区间星等亮度变化显著。15°—30°区间与30°—45°区间都是公园游客能够明显感知到的光环境范围，显著的星等亮度变化可能会对公园游客夜游体验产生影响。

3.3 方位星等亮度比较研究

各测点天顶星等亮度明显高于方位星等亮度，为充分了解与比较公园各方位暗夜质量，取各测量点15°、30°和45°的平均值为参考，绘制福州城市公园各测点方位平均星等亮度分布雷达图(见图4)。

根据图4可以看出，四座公园各方位星等亮度存在较大差异，受光污染影响的方位与程度各不相同。西湖公园东北侧、东侧星等亮度较低，左海公园南侧、西北侧、北侧星等亮度较低，金鸡山公园北侧、东北侧、东侧、东南侧星等亮度较低，金牛山公园东南侧、南侧、西南侧、西侧星等亮度较低，受光污染影响较大，暗夜质量较低。四座公园中，西湖公园各方位星等亮度较为均衡。

图4 福州城市公园各测点方位平均星等亮度分布雷达图

4 结论

本文通过对福州城市公园暗夜质量的实验测量，得出以下结论：

(1)福州城市公园暗夜质量普遍受损。福州城市公园冠层受光污染影响较大，越靠近地表，光污染越严重，暗夜质量越低。

(2)2015年以来，城市公园暗夜质量受损加剧，差距扩大。其中，金鸡山公园暗夜质量下降最多，其次是金牛山公园、西湖公园，左海公园暗夜质量在四座公园中下降最少；

(3)四座公园中，暗夜质量左海公园>西湖公园>金牛山公园>金鸡山公园；

(4)左海公园、金鸡山公园、金牛山公园三所公园在15°—45°区间星等亮度变化缓慢，而西湖公园在15°—30°区间星等亮度变化显著。

(5)四座公园各方位星等亮度存在较大差异，受光污染影响的方位与程度各不相同。

5 结语

光污染危害人类身体健康，影响动植物生存环境，加剧全球变暖，治理光污染、保护暗夜刻不容缓。本研究通过实地测量了解与比较福州城市公园暗夜现状，研究结果对于城市公园夜间光环境规划设计提供了一定的参考依据，对于城市公园暗夜环境实地测量及评价体系提供了参考。