西涌暗夜社区天文观测指数设计与预报

摘要：随着城市化进程的不断加速，光污染逐年递增，天文观测和市民观星在全球范围内越来越困难，星空成为了人们亟待保护的重要自然资源之一。为了保护夜空和暗夜生态环境、发展暗夜经济、满足市民及专业人员的天文观测需求，深圳提出在西涌创建暗夜社区，打造一个有效控制光污染的观星区域。2023年4月6日，深圳西涌完成暗夜社区的创建，成为我国首个国际暗夜社区。观星氛围及文化的营造是暗夜社区良好发展的重要因素，而天文观测、天文文旅活动的开展需要具备适合的天文观测条件。本文提出了一种天文观测指数的计算方法，用于评估、预报和监测西涌国际暗夜社区的天文观测环境条件。该方法考虑了多个因素对天文观测环境的影响，并采用加权平均法计算出综合指数。同时，本文还收集了实时观测数据对结果进行了分析和评估，结果表明该方法能够准确反映社区的天文观测环境状况，并可作为天文观测条件评估的重要参考。

关键词：暗夜社区；光污染；天文观测信号；天文观测指数

1概述

天文学是以观测为基础的学科，观测条件的优劣直接影响到天文观测的质量和效果，也是评价天文台址优劣的重要条件，包括气象条件、全天云量、天光背景等要素[1，2，3]。天文观测和观星活动也要尽量远离城市的光污染[4]，因为在光污染严重市区，许多暗弱天体是不可见的，甚至于像北极星这样的天体也无法目视看到，天文爱好者也要到适宜的区域进行观星[5]。此外，宇宙因其神秘和美丽是引领大众科普教育、驱动地方经济特别是科教文旅相关产业的重要推手，由此催生出观星直播、星空露营、星空酒店、星空研学营等星空经济模式[6，7]。

为了保护暗夜星空和生态环境，发展暗夜经济，满足居民、游客、爱好者和天文学家对天文观测的需求，深圳于2021年在位于东南端的西涌社区开始创建暗夜社区。各部门通力合作，灯光照明科学改造、积极宣传寻求居民商户支持、天文观测直播及观测科普活动c8EjR2yWrwR7pmrBz75DCE7/uRkDu1rtufb/V4En3Fs=引流，率先探索星空自然资源保护新理念、气象天文与文旅融合新文旅、暗夜经济新业态。经过两年的不懈努力，2023年4月10日，深圳西涌国际暗夜社区正式授牌，成为我国第一个、亚洲第二个国际暗夜市区。图1给出了西涌国际暗夜社区在深圳的位置以及社区内区域分布。暗夜国际执行主席哈特利高度肯定西涌暗夜社区创建，表示“西涌不仅是中国暗夜保护的先锋，也可以成为全世界榜样”。暗夜社区的创建更有利于提升天文观测环境品质和天文观测服务质量。

西涌国际暗夜社区距离深圳市中心大约60公里，周围三面环山一面向海，山体对城市光害起到了很好地的遮挡效果[8，9]。然而，临海的西涌，天气多变，大湾区市民除了有观星推荐观星点（图1b青色区域），还需要较准确的天文观测条件信息来确认出行。为了更好服务天文观星爱好者，为西涌国际暗夜社区吸引游客，本研究以西涌暗夜社区为目标，依据天文观测点常用要素统计分析[10]，开发出一套天文观测评价指标体系，通过实时观测数据分析，选取云量、能见度、降水量、风速、相对湿度、空气温度和露点温度、月光等因素作为影响天文观测指数的主要因素。基于这些因素，发展天文观测指数计算体系，并通过实际观测数据进行验证和优化。采用数学统计方法对观测数据进行分析和处理，得出了适合西涌暗夜社区的天文观测指数计算公式和标准。同时，为了验证和评估该计算体系的有效性和可行性，还对该地区的天文观测效果进行了实地测试和比较分析。

深圳市西涌暗夜社区的天文观测指数体系为该区域的天文观测提供科学、合理的参考标准，提高天文观测的效率和质量，为天文学研究提供有益的支持和保障，促进天文学研究的发展。进而指导和规范暗夜社区建设，推动暗夜社区的建设和发展，助力打造“粤港澳大湾区1小时星空银河圈”。

2西涌暗夜社区天文观测指数

天文观测指数是衡量某个时间点、地点和天气条件下进行天文观测的可行性的一个指标。该指数是由多个要素综合计算得出的，包括总云量、能见度、降水、空气温度、露点温度、湿度、风速以及月光等影响观测的因素。这些要素会对天文观测造成不同程度的影响，因此将其进行权重分配，并进行数值化计算得出最终观测指数。

为了更精确地评估某一时刻的天文观测条件，我们采用了分网格观测指数的方法，对整个社区内的天空环境进行网格划分和评估，将区域内不同网格的观测指数进行综合计算，得出该区域的综合观测指数。基于观测指数，我们制定了一套发布规则，及时向天文观测者发布有关未来天气状况和观测指数的信号，以便于观测者做出相应的调整和决策。

3指数设计与计算

3.1设计思路和计算方法

本文定义以0-100的值范围作为指数的数字表述形式，100代表天空环境极适合天文观测，0代表最差天文观测条件。

通过对天空环境中的影响因素进行分析，气象要素中总云量和能见度是影响天体的光线到达地球观测者的最重要因素。对于降水要素，下雨天空的环境都不会适合观星，所以剔除掉所有下雨以上的天气环境。气温变化特别是高温可能会引起空气的扰流，影响观测。月相是影响天空明亮程度度重要因素之一，夜空明亮度越高，越难观测到暗弱目标天体。风向、风速作为重要的气象要素，是天文观测工作必须考量的因素。风速太大时，大气流动也较快，绕流大，影响光线折射。此外，大风也影响望远镜的架设固定。

基于以上基本分析，考虑在观测指数最佳观测条件基数为100的情况下进行不利观测因素影响权重值进行核减，直到0为止。

所依赖的天气预报数据本文采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的中期数值预报，发布时间为每天北京时间08：00和20：00。因此，指数的更新和发布时间也定于每天在08：00和20：00进行2次指数预报更新。

根据的ECMWF模式各要素预报时长和间隔，综合天文观测需求，本文将指数的总预报时长定为240小时，在0-90小时范围内预报为逐1小时进行指数预报，90-240小时为逐6小时预报天文指数。

由于在暗夜社区内的观星条件会受整个社区内的天空环境所影响，所以需划定整个暗夜社区影响天文观测天空环境的范围，根据预报区域信息最后得出暗夜社区某个时刻的天文观测指数。ECMWF模式预报的空间分辨率为0.05°×0.05°分辨率网格，实际暗夜社区由一个网格预报单元所覆盖，具体范围图如图2所示。即暗夜社区的天文观测指数的相关天气数值预报将获取于ECMWF模式中的这个网格预报单元。

3.2影响因素及其权重设定

本文采用了层次分析法（AHP）来确定各个指标的权重，首先将天文观测指数的各项指标分为三个层次：一级为天文观测环境，二级为天文观测质量，三级为天文观测条件。我们对每个指标在其所属层次内进行比较和权衡，得到各项指标的权重。并考虑不同指标之间的量纲差异，采用了标准化处理方法，使得各项指标在计算过程中具有可比性。利用加权平均法计算天文观测指数。

云量条件：云量对天文观测的影响极其大，其权重被设定为0.4。

能见度条件：大气能见度也会严重影响观测视线和清晰度，其权重被设定为0.2。

风速条件：大气稳定度主要影响大气的湍流运动和气流的速度，从而影响天文观测的图像清晰度，且在大风条件下天文观测也较为危险。其权重被设定为0.05。

常规气象条件：包括降水、温度、湿度、露点温度等因素。这些因素会影响大气的折射率和透明度，从而影响天文观测活动，其权重各被设定为0.03。

天光环境：月相影响夜间天空的亮度和观测质量，因此夜空明亮度也是重要的影响因素之一，其权重被设定为0.08。

各影响因素的值与指数核减对照表如表1所示。

最终天文观测指数的计算公式为：

式（1）中，F为最终计算对应时刻的天文观测指数，C、V、P、T、D、H、W、M分别云量核减、能见度核减、降水核减、空气温度核减、露点温度核减、湿度核减、风速核减、月相核减。

根据西涌暗夜社区实际观测效果和经验，对应的天文观测指数分级为：

极佳，观测指数≥85%，天空无云或少云，天气状况良好，大气环境无明显干扰，夜空明度较低，极适合天文观测活动。

较佳，观测指数70%-84%，天空有少部分云层遮挡，天气状况良好，大气环境有部分干扰，夜空明度适中，天文观测活动可正常进行。

尚可，观测指数55%-69%，天空有部分遮挡，天气状况一般，大气环境有部分干扰，夜空明度一般，天文观测活动尚可进行。

较差，观测指数40%-54%，天空部分天空被云层遮挡，大气可视度一般，夜空明度一般，有轻微天气影响，天文观测活动较困难。

极差，观测指数<40%，天空大部分区域可视度都较差，夜空明度较高，且可能会伴有恶劣天气，天文观测活动极其困难。

3.3算法优化和实现细节

在实现过程中，为了提高算法的效率和精度，以及提高计算速度，采用向量化计算方法；为了保证计算精度，采用高精度数值计算库，对数值误差进行了控制，最终实现天文观测指数的计算，完成深圳西涌暗夜社区未来10天的天文观测指数计算和预测。

4实证研究与分析

4.1指数计算

以2023年9月28日至10月8日的数据为例，在28日收集云量、能见度、降水、空气温度、露点温度、湿度、风速、月相数据。28日08：00至10月2日02：00，每个参量为逐1小时的数据，随后为逐6小时的参数。各参量具体预报数值序列图如图3所示，竖直的阴影部分为夜晚时间。从影响天文观测较大的云量参量可以看出，28日晚间云量较多，29日、30日、1日、2日、3日云量相对较少；期间能见度变化不大、无降水、气温、露点温度、湿度变化不大、风较小；接近满月。

把这些参数带入第2.2节计算可得天文观测指数序列图，如图4所示。总体来说9月28日-10月3日整体处于尚可水平。其中，28日23：00-29日02：00期间受云量影响，观测效果较差。9月29日-10月1日夜间观测指数基本处于较佳以上。其后，10月2日00：00左右观测指数尚可，随后观测效果逐渐变好。图4右侧给出了相应的观测指数等级。

4.2结果和讨论

在天文观测指数的研究中，本文成功建立了一个基于多因素加权平均的指数评估体系。通过收集数据，确定影响天文观测质量的因素，并采用层次分析法确定这些因素之间的权重关系，采用了多种算法对指数进行优化和实现。

首先，不同时间段的指数变化趋势大致相同，表明该指数对于天文观测的评估具有较高的稳定性和可靠性。其次，云量、能见度是影响天文观测指数最为重要的因素，而常规要素气温、湿度、风等因素的影响相对较小（这里一般指天文爱好者目视观测或科普级望远镜观测）。最后，不同区域的指数值有较大差异，其中人工光源较少区域的指数值相对较高。

总的来说，天文观测指数评估体系可以有效地评估天文观测质量，并具有较高的稳定性和可靠性。本套体系能为深圳市西涌暗夜社区的天文观测服务提供了有力的支持，同时也为其他地区和单位的天文观测服务工作提供借鉴和参考。

5观测指数的应用

深圳西涌暗夜社区天文观测指数的最终目标是为市民爱好者和天文工作者提供服务，为其观星活动提供预报性的支撑，一段时间内可在暗夜社区进行连续观测。基于此，在观测指数的基础上搭建针对社区天文观测活动的信号提示，在有适宜天象观测或节假日期间，根据天文观测指数监测到有良好的天文观测条件时，深圳市天文台进行天文观测信号的发布。一次天文观测信号的发布包含了天文观测信号图标、观测信号内容、照明联动内容三个部分。天文信号图标包含：可观测的天文现象和出现时间；天文观测指数等级，表示观测时段的观测条件如何；以及社区的照明联动等级，用以灯光控制指引等的相关信息。

2023年国庆期前，9月28日发布了天文观测信号，国庆正逢中秋，信号图标是满月，天文观测信号如图4所示。接近满月，除了观测月球，还可以观测行星（木星、土星）、亮星（牛郎星、织女星、天津四等）以及猎户座和天蝎座等星座。

6结论与展望

6.1研究结论总结

天文观测指数是基于深圳西涌国际暗夜社区的天文观测条件和天文爱好者观测需求，采用主观评价和客观数据相结合的方法，综合评价天文观测质量的一项指数。通过本研究的实证分析，得出以下结论：

天文观测指数能够反映出深圳西涌暗夜社区的天文观测环境。指数值与气象、光污染等环境因素呈现出较好的相关性，且在不同天文活动时期的指数变化具有较好的稳定性和一致性。

天文观测指数在实际应用中具有较高的可操作性和实用性。通过与实际观测环境进行对比，天文观测指数的预测准确率较高，能够有效指导市民观测活动的安排。天文观测指数的建立和应用，对于推动暗夜社区建设和天文科普事业具有积极的推动作用。通过公开发布和宣传，有望引导更多市民关注天文科普，增加社区建设和科普活动的参与度。

总之，天文观测指数的研究和实践为促进天文观测环境建设和市民科普意识提高提供了新思路和实践经验。但在实践应用中也存在不足之处，需要进一步完善和改进。

6.2不足之处和改进方向

在天文观测指数的开发和应用过程中，我们发现一些不足之处，目前的天文观测指计算依赖的背景场为ECMWF天气预报数据，背景场的预报准确度极大的影响了天文观测指数预测的准确度，后续的指数计算，我们希望改进数据集，通过在临近时间场采用分区预报的形式，通过使用择优预报数据从而增加天文观测指数预测的准确程度。

以及EC预报场的分辨率为0.05°×0.05°分辨率网格，映射到实际距离大约为5km×5km，对应的预报网格范围刚好完成了暗夜社区的天空环境覆盖，在实际应用的可能会有偏差过大，不够精细问题，后续范围希望能够采用1km×1km网格范围预报，生成指数的时候通过更多的预报，精细化指数的预报和误差平均预期效果。

可以进一步探讨视宁度和天光环境的监测对天文观测指数的影响，视宁度是指在观测过程中可见的空气清晰程度，视宁度较低时，天空中的星星和天体会被散射和衍射，导致观测效果不佳，影响观测指数的计算结果。深圳市天文台从2023年7月起开始不间断监测天光背景亮度，可评估对天文观测指数的影响。因此，对于天文观测指数的计算，需加入视宁度的计算和影响权重，以及天光环境中城市光污染的影响，并采取有效的监测措施，加入指数计算模型进行实时修正，提高夜间的天文观测指数准确性。

6.3未来研究展望

持续改进和优化指数计算方法，引入更多的影响参数、优化统计方法等方式来改进指数的准确性和稳定性，以及发展精细化天文观测指数的计算，例如基于人工智能和大数据技术的智能预测和建议等，从而更好地反映当地的天文观测条件，提高天文观测指数的准确性和实用性。

当前的天文观测指数主要针对深圳西涌暗夜社区，我们希望可以扩大指数覆盖范围，未来可以考虑将指数应用到更多的地区，为更多的天文爱好者和观测者提供服务。并建立数据共享平台，让更多的人可以使用和分享数据，进一步提升指数的价值和影响力。

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作者简介：郑建川（1989—），男，汉族，云南临沧人，博士，副高级工程师，研究方向：太阳物理、天体物理；叶嘉晖（1988—）男，汉族，广东佛山人，硕士，工程师，研究方向：天体物理；梅林（1982—），男，汉族，云南昆明人，硕士，副研究员，研究方向：天体物理。