基于現場實測的福州城市公園暗夜質量比較研究

雷雨晴 趙明 陳元慧 邢媛麗

(1.福建農林大學 風景園林與藝術學院,福建 福州 350007；2.閩江學院 經管學院，福建 福州 350007)

光是控制生物體中許多過程和功能的重要環境因素，千百萬年來地球上的多數生物都是在晝夜明暗交替中進化的，然而人工照明卻打破了這一晝夜周期[1]。術語“光污染”由學者Verheijen在1985年提出，意思是對生物有不利影響的人造光。光污染對于人類最表面的影響就是我們無法抬頭直接看到星星[2]，然而光污染的影響遠不止此。光污染對生物的影響范圍覆蓋了單細胞生物到高等生物[3]，能夠通過調節個體到生物群落各個層面的豐度、數量和聚集來影響生態系統多樣性[4]；通過干擾種間和種內的相互作用及景觀形成過程來干擾種群、遺傳和景觀結構[5]；通過發光產生溫室氣體加劇全球變暖[6]。

由于光污染的影響日益顯著，暗夜理念應運而生。隨后，各國學者以及各大國際暗夜保護組織逐步開展了相關研究與推廣，其中國際暗夜協會(International Dark Sky Association)最具影響力，其主要暗夜保護形式是在全球范圍內進行暗夜區域的認證。截至2022年初，國際暗夜協會已經認證了111個國際暗夜公園，是數量最多、內容最為豐富的認證形式[7]，同時也是一種有效保護自然生境、推廣環境教育的途徑，在國際上獲得廣泛的關注和認可。

光污染是城市發展中的重要問題，而城市公園作為城市居民日常休閑活動的重要場所，其暗夜質量少有學者調查研究。本文結合各國學者以及各大暗夜保護組織的經驗，采集Light Pollution Map網站福州城市公園相關暗夜數據，并利用國際暗夜協會認可的暗夜質量測量儀器——Unihedron Sky Quality Meter實測福州典型城市公園的天空星等亮度，探究福州城市公園暗夜現狀，并對其進行比較研究。

1 現場實測實驗

1.1 實驗地

截至2020年，福州全市規劃布局城市公園綠地共111處[8]，為了保證調查結果更具全民性和公平性，本次研究選取位于福州市主城區四座交通便利、游人較多、具有典型代表性的開放性公園：西湖公園、左海公園、金雞山公園、金牛山公園。

1.2 測量儀器與背景條件

本次測量的主要儀器有：Unihedron Sky Quality Meter、水平儀、指南針。SQM測量儀用于測量星等亮度，是國際暗夜協會官方認可的暗夜測量方法之一，也是對天空亮度進行科學質量測量中使用最廣泛的設備；水平儀用于測量傾斜角度；指南針用于測量方向。

由于氣象、大氣、天體等條件會對暗夜產生較大的影響，SQM測量儀官方建議測量時間應該選擇晴朗無云無月(或峨眉月)的晚上(至少日落一小時后)，因此，具體的測量背景條件見表1。

表1 測量背景條件

1.3 測量指標及層次

本次的測量指標為天空星等亮度，單位為mag/arcsec2，數字越高，代表天空越暗[9]。

在全天空光環境分析中，由于天空亮度遠遠低于地表亮度，測量儀器無法直接進行亮度劃分，因此對冠層以上空間進行360°環形測量。為避免測量人在夜間光環境下的投影對測量數據產生干擾，本次測量分別選擇每個點位0°、15°、30°、45°四個角度、北(0°)，東北(45°)、東(90°)、東南(135°)、南(180°)、西南(225°)、西(270°)、西北(315°)八個方位的星等亮度共計25個點的星等亮度。測量層次、角度示意圖見圖1。

圖1 測量層次、角度示意圖[10](改繪自參考文獻[10])

1.4 測量研究典型地點選擇

由于建筑、植物的陰影以及不規則人工照明等因素會對測試結果產生一定的影響，因此，公園的測點需要具有典型性。本次選取四個公園的測點，均位于公園相對開敞、平整且有游客往來的區域，周邊無顯著強光源，無建筑、植物陰影，無不規則人工照明，且避免距離人工照明過近。

表2 測量典型地點

1.5 實驗難點與應對

由于SQM測量儀靈敏度較高，周邊人群的聚集與往來、游客攜帶的電子產品等產生的光束都可能對測量數據的準確性產生一定影響。因此，避免公園游客對實驗測量產生干擾是實驗過程中的難點之一。應對方法為測量期間，測量人員不斷注意周圍環境狀況，有干擾行為立即停止測量并舍棄該組數據，等待游客離開重新開始測量工作。

福州屬于典型的亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，每年3—5月為春雨期和梅雨期，濕度大，雨水多；6—9月是熱帶風暴和臺風活動最為集中的時期，符合實驗氣象條件的天數較少。同時，SQM測量儀官方建議在無月或月相為峨眉月的夜間使用，每月月相符合該條件的時間僅一星期左右。綜上所述，理想的實測條件的天數十分有限，這也是限制實驗測量的主要障礙之一，應對方法為等待適宜的天氣條件開始現場實測實驗工作。

2 測量結果

測量結果見圖2。據此可知，各測點星等亮度與測點角度呈現出一定的相關性。各測點天頂星等亮度值最高，暗夜質量最佳；除測點的個別傾斜角度外，傾斜角度自0°至45°各層次、各測點星等亮度值依次遞減。這表明，福州城市公園冠層受光污染影響較大，越靠近地表，光污染越嚴重，暗夜質量越低。

圖2 福州城市公園各測點星等亮度分布雷達圖

3 數據分析

3.1 天頂星等亮度數據分析

天頂星等亮度是評價光污染嚴重程度的重要指標之一[11]，也是國際暗夜協會衡量暗夜質量的重要指標之一。國際天文聯合會定義了在沒有光污染的情況下，自然無月夜空亮度值為2.1×10-4cd/m2[12]，星等亮度與亮度的轉化公式為：

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

自然夜空亮度值轉換為星等亮度值為21.6mag/arcsec2。

3.1.1 天頂星等亮度數據來源

天頂星等亮度數據一方面來自于此次現場實測，另一部分研究數據采集自Light Pollution Map(以下簡稱LMP)網站。LMP是一個制圖應用程序，可以在Microsoft Bing 基礎圖層上顯示與光污染相關的內容。其中本次研究數據主要采集網站收錄的2015年夜空人造亮度新世界地圖，這是目前最具影響力的人工亮度世界地圖集，從中獲取2015年研究區域內的天頂星等亮度?；贚MP數據與現場實測數據，不僅可以分析比較四座公園的暗夜質量，還可以從時間角度探索四座公園暗夜的變化情況。

3.1.2 天頂星等亮度比較研究

方差是衡量觀察值分散程度的一個尺度，若方差較小，則表示觀察值比較集中；若方差較大，則表明觀察值較分散[13]。方差計算公式為：

其中，x為該組數據的平均值。方差可以用來衡量四座公園暗夜質量的差異。

各測點天頂星等亮度實測數據、LMP采集數據及其方差見表3。福州城市公園2015年與2022年的天頂星等亮度均遠遠低于自然夜空亮度值21.6mag/arcsec2，城市公園暗夜質量受損。其中，2022年的數值較2015年的數據出現了大幅下降，這表明2015年以來，隨著福州城市的發展，城市公園的夜間人工照明亮度不斷增加，城市公園暗夜質量受損加劇。

表3 各測點天頂亮度實測數據值與LMP數據值

2015年，四座公園中金雞山公園天頂星等亮度最高，暗夜質量最佳；西湖公園天頂星等亮度最低，暗夜質量較差；四座公園亮度值方差約為0.005 9，離散程度較低，暗夜質量差異較小。2022年，四座公園中西湖公園天頂星等亮度最高，暗夜質量最佳；金雞山公園和金牛山公園天頂星等亮度最低，暗夜質量較差；方差為0.744 3，離散程度較高，四座公園間的暗夜質量差異較大。2022年方差較2015年顯著增加，這表明隨著時間的增加，四座公園暗夜質量的差異越來越大，經計算差值發現，金雞山公園暗夜質量下降最多，其次是金牛山公園、西湖公園，左海公園暗夜質量在四座公園中下降最少。總體來看，左海公園保持了相對較高的暗夜質量，并在城市光污染進一步加劇的情況下保證園區盡量避免光污染影響，暗夜對游客、動植物較為友好。

3.2 角度星等亮度比較研究

為了解與比較福州城市公園各層次的暗夜質量現狀，取各測點0°測量結果、15°、30°、45°測量結果的平均值為參考，繪制福州城市公園測點各傾斜角度平均星等亮度折線圖(見圖3)。總體來看，傾斜角度自0°至45°各層次、各測點星等亮度值依次遞減，這表明，天頂星等亮度受夜空層光環境影響較大，而15°—45°區間受城市公園冠層附近的光環境影響較大，越靠近地表，光污染越嚴重，暗夜質量越低。四座公園暗夜質量的排序依次為：左海公園>西湖公園>金牛山公園>金雞山公園。

圖3 福州城市公園測點各角度平均星等亮度折線圖

據圖3還可看出，除點位1外，其他測量點位的星等亮度與測量角度的下降趨勢大致相似。0°—15°區間折線斜率最大，星等亮度變化顯著；15°—30°區間與30°—45°區間折線斜率緩慢變小，星等亮度的變化越來越慢；而點位1在15°—30°區間斜率最大，星等亮度變化顯著，0°—15°區間和30°—45°區間斜率較小，星等亮度變化緩慢。這表明，左海公園、金雞山公園、金牛山公園三所公園在15°—45°區間主要受城市公園冠層附近的光環境影響，星等亮度變化緩慢;而西湖公園在15°—30°區間星等亮度變化顯著。15°—30°區間與30°—45°區間都是公園游客能夠明顯感知到的光環境范圍，顯著的星等亮度變化可能會對公園游客夜游體驗產生影響。

3.3 方位星等亮度比較研究

各測點天頂星等亮度明顯高于方位星等亮度，為充分了解與比較公園各方位暗夜質量，取各測量點15°、30°和45°的平均值為參考，繪制福州城市公園各測點方位平均星等亮度分布雷達圖(見圖4)。

根據圖4可以看出，四座公園各方位星等亮度存在較大差異，受光污染影響的方位與程度各不相同。西湖公園東北側、東側星等亮度較低，左海公園南側、西北側、北側星等亮度較低，金雞山公園北側、東北側、東側、東南側星等亮度較低，金牛山公園東南側、南側、西南側、西側星等亮度較低，受光污染影響較大，暗夜質量較低。四座公園中，西湖公園各方位星等亮度較為均衡。

圖4 福州城市公園各測點方位平均星等亮度分布雷達圖

4 結論

本文通過對福州城市公園暗夜質量的實驗測量，得出以下結論：

(1)福州城市公園暗夜質量普遍受損。福州城市公園冠層受光污染影響較大，越靠近地表，光污染越嚴重，暗夜質量越低。

(2)2015年以來，城市公園暗夜質量受損加劇，差距擴大。其中，金雞山公園暗夜質量下降最多，其次是金牛山公園、西湖公園，左海公園暗夜質量在四座公園中下降最少；

(3)四座公園中，暗夜質量左海公園>西湖公園>金牛山公園>金雞山公園；

(4)左海公園、金雞山公園、金牛山公園三所公園在15°—45°區間星等亮度變化緩慢，而西湖公園在15°—30°區間星等亮度變化顯著。

(5)四座公園各方位星等亮度存在較大差異，受光污染影響的方位與程度各不相同。

5 結語

光污染危害人類身體健康，影響動植物生存環境，加劇全球變暖，治理光污染、保護暗夜刻不容緩。本研究通過實地測量了解與比較福州城市公園暗夜現狀，研究結果對于城市公園夜間光環境規劃設計提供了一定的參考依據，對于城市公園暗夜環境實地測量及評價體系提供了參考。