西涌暗夜社區(qū)天文觀測指數(shù)設(shè)計(jì)與預(yù)報(bào)

摘要：隨著城市化進(jìn)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(nèi)越來越困難，星空成為了人們亟待保護(hù)的重要自然資源之一。為了保護(hù)夜空和暗夜生態(tài)環(huán)境、發(fā)展暗夜經(jīng)濟(jì)、滿足市民及專業(yè)人員的天文觀測需求，深圳提出在西涌創(chuàng)建暗夜社區(qū)，打造一個(gè)有效控制光污染的觀星區(qū)域。2023年4月6日，深圳西涌完成暗夜社區(qū)的創(chuàng)建，成為我國首個(gè)國際暗夜社區(qū)。觀星氛圍及文化的營造是暗夜社區(qū)良好發(fā)展的重要因素，而天文觀測、天文文旅活動(dòng)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(shù)的計(jì)算方法，用于評(píng)估、預(yù)報(bào)和監(jiān)測西涌國際暗夜社區(qū)的天文觀測環(huán)境條件。該方法考慮了多個(gè)因素對天文觀測環(huán)境的影響，并采用加權(quán)平均法計(jì)算出綜合指數(shù)。同時(shí)，本文還收集了實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行了分析和評(píng)估，結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確反映社區(qū)的天文觀測環(huán)境狀況，并可作為天文觀測條件評(píng)估的重要參考。

關(guān)鍵詞：暗夜社區(qū)；光污染；天文觀測信號(hào)；天文觀測指數(shù)

1概述

天文學(xué)是以觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科，觀測條件的優(yōu)劣直接影響到天文觀測的質(zhì)量和效果，也是評(píng)價(jià)天文臺(tái)址優(yōu)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(dòng)也要盡量遠(yuǎn)離城市的光污染[4]，因?yàn)樵诠馕廴緡?yán)重市區(qū)，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(qū)域進(jìn)行觀星[5]。此外，宇宙因其神秘和美麗是引領(lǐng)大眾科普教育、驅(qū)動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)特別是科教文旅相關(guān)產(chǎn)業(yè)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(xué)營等星空經(jīng)濟(jì)模式[6，7]。

為了保護(hù)暗夜星空和生態(tài)環(huán)境，發(fā)展暗夜經(jīng)濟(jì)，滿足居民、游客、愛好者和天文學(xué)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(qū)開始創(chuàng)建暗夜社區(qū)。各部門通力合作，燈光照明科學(xué)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(dòng)c8EjR2yWrwR7pmrBz75DCE7/uRkDu1rtufb/V4En3Fs=引流，率先探索星空自然資源保護(hù)新理念、氣象天文與文旅融合新文旅、暗夜經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)。經(jīng)過兩年的不懈努力，2023年4月10日，深圳西涌國際暗夜社區(qū)正式授牌，成為我國第一個(gè)、亞洲第二個(gè)國際暗夜市區(qū)。圖1給出了西涌國際暗夜社區(qū)在深圳的位置以及社區(qū)內(nèi)區(qū)域分布。暗夜國際執(zhí)行主席哈特利高度肯定西涌暗夜社區(qū)創(chuàng)建，表示“西涌不僅是中國暗夜保護(hù)的先鋒，也可以成為全世界榜樣”。暗夜社區(qū)的創(chuàng)建更有利于提升天文觀測環(huán)境品質(zhì)和天文觀測服務(wù)質(zhì)量。

西涌國際暗夜社區(qū)距離深圳市中心大約60公里，周圍三面環(huán)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(qū)市民除了有觀星推薦觀星點(diǎn)（圖1b青色區(qū)域），還需要較準(zhǔn)確的天文觀測條件信息來確認(rèn)出行。為了更好服務(wù)天文觀星愛好者，為西涌國際暗夜社區(qū)吸引游客，本研究以西涌暗夜社區(qū)為目標(biāo)，依據(jù)天文觀測點(diǎn)常用要素統(tǒng)計(jì)分析[10]，開發(fā)出一套天文觀測評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)分析，選取云量、能見度、降水量、風(fēng)速、相對濕度、空氣溫度和露點(diǎn)溫度、月光等因素作為影響天文觀測指數(shù)的主要因素。基于這些因素，發(fā)展天文觀測指數(shù)計(jì)算體系，并通過實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得出了適合西涌暗夜社區(qū)的天文觀測指數(shù)計(jì)算公式和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為了驗(yàn)證和評(píng)估該計(jì)算體系的有效性和可行性，還對該地區(qū)的天文觀測效果進(jìn)行了實(shí)地測試和比較分析。

深圳市西涌暗夜社區(qū)的天文觀測指數(shù)體系為該區(qū)域的天文觀測提供科學(xué)、合理的參考標(biāo)準(zhǔn)，提高天文觀測的效率和質(zhì)量，為天文學(xué)研究提供有益的支持和保障，促進(jìn)天文學(xué)研究的發(fā)展。進(jìn)而指導(dǎo)和規(guī)范暗夜社區(qū)建設(shè)，推動(dòng)暗夜社區(qū)的建設(shè)和發(fā)展，助力打造“粵港澳大灣區(qū)1小時(shí)星空銀河圈”。

2西涌暗夜社區(qū)天文觀測指數(shù)

天文觀測指數(shù)是衡量某個(gè)時(shí)間點(diǎn)、地點(diǎn)和天氣條件下進(jìn)行天文觀測的可行性的一個(gè)指標(biāo)。該指數(shù)是由多個(gè)要素綜合計(jì)算得出的，包括總云量、能見度、降水、空氣溫度、露點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)速以及月光等影響觀測的因素。這些要素會(huì)對天文觀測造成不同程度的影響，因此將其進(jìn)行權(quán)重分配，并進(jìn)行數(shù)值化計(jì)算得出最終觀測指數(shù)。

為了更精確地評(píng)估某一時(shí)刻的天文觀測條件，我們采用了分網(wǎng)格觀測指數(shù)的方法，對整個(gè)社區(qū)內(nèi)的天空環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分和評(píng)估，將區(qū)域內(nèi)不同網(wǎng)格的觀測指數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出該區(qū)域的綜合觀測指數(shù)。基于觀測指數(shù)，我們制定了一套發(fā)布規(guī)則，及時(shí)向天文觀測者發(fā)布有關(guān)未來天氣狀況和觀測指數(shù)的信號(hào)，以便于觀測者做出相應(yīng)的調(diào)整和決策。

3指數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法

本文定義以0-100的值范圍作為指數(shù)的數(shù)字表述形式，100代表天空環(huán)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(huán)境中的影響因素進(jìn)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(dá)地球觀測者的最重要因素。對于降水要素，下雨天空的環(huán)境都不會(huì)適合觀星，所以剔除掉所有下雨以上的天氣環(huán)境。氣溫變化特別是高溫可能會(huì)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(biāo)天體。風(fēng)向、風(fēng)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(fēng)速太大時(shí)，大氣流動(dòng)也較快，繞流大，影響光線折射。此外，大風(fēng)也影響望遠(yuǎn)鏡的架設(shè)固定。

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

所依賴的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)本文采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）發(fā)布的中期數(shù)值預(yù)報(bào)，發(fā)布時(shí)間為每天北京時(shí)間08：00和20：00。因此，指數(shù)的更新和發(fā)布時(shí)間也定于每天在08：00和20：00進(jìn)行2次指數(shù)預(yù)報(bào)更新。

根據(jù)的ECMWF模式各要素預(yù)報(bào)時(shí)長和間隔，綜合天文觀測需求，本文將指數(shù)的總預(yù)報(bào)時(shí)長定為240小時(shí)，在0-90小時(shí)范圍內(nèi)預(yù)報(bào)為逐1小時(shí)進(jìn)行指數(shù)預(yù)報(bào)，90-240小時(shí)為逐6小時(shí)預(yù)報(bào)天文指數(shù)。

由于在暗夜社區(qū)內(nèi)的觀星條件會(huì)受整個(gè)社區(qū)內(nèi)的天空環(huán)境所影響，所以需劃定整個(gè)暗夜社區(qū)影響天文觀測天空環(huán)境的范圍，根據(jù)預(yù)報(bào)區(qū)域信息最后得出暗夜社區(qū)某個(gè)時(shí)刻的天文觀測指數(shù)。ECMWF模式預(yù)報(bào)的空間分辨率為0.05°×0.05°分辨率網(wǎng)格，實(shí)際暗夜社區(qū)由一個(gè)網(wǎng)格預(yù)報(bào)單元所覆蓋，具體范圍圖如圖2所示。即暗夜社區(qū)的天文觀測指數(shù)的相關(guān)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)將獲取于ECMWF模式中的這個(gè)網(wǎng)格預(yù)報(bào)單元。

3.2影響因素及其權(quán)重設(shè)定

本文采用了層次分析法（AHP）來確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，首先將天文觀測指數(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)分為三個(gè)層次：一級(jí)為天文觀測環(huán)境，二級(jí)為天文觀測質(zhì)量，三級(jí)為天文觀測條件。我們對每個(gè)指標(biāo)在其所屬層次內(nèi)進(jìn)行比較和權(quán)衡，得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。并考慮不同指標(biāo)之間的量綱差異，采用了標(biāo)準(zhǔn)化處理方法，使得各項(xiàng)指標(biāo)在計(jì)算過程中具有可比性。利用加權(quán)平均法計(jì)算天文觀測指數(shù)。

云量條件：云量對天文觀測的影響極其大，其權(quán)重被設(shè)定為0.4。

能見度條件：大氣能見度也會(huì)嚴(yán)重影響觀測視線和清晰度，其權(quán)重被設(shè)定為0.2。

風(fēng)速條件：大氣穩(wěn)定度主要影響大氣的湍流運(yùn)動(dòng)和氣流的速度，從而影響天文觀測的圖像清晰度，且在大風(fēng)條件下天文觀測也較為危險(xiǎn)。其權(quán)重被設(shè)定為0.05。

常規(guī)氣象條件：包括降水、溫度、濕度、露點(diǎn)溫度等因素。這些因素會(huì)影響大氣的折射率和透明度，從而影響天文觀測活動(dòng)，其權(quán)重各被設(shè)定為0.03。

天光環(huán)境：月相影響夜間天空的亮度和觀測質(zhì)量，因此夜空明亮度也是重要的影響因素之一，其權(quán)重被設(shè)定為0.08。

各影響因素的值與指數(shù)核減對照表如表1所示。

最終天文觀測指數(shù)的計(jì)算公式為：

式（1）中，F(xiàn)為最終計(jì)算對應(yīng)時(shí)刻的天文觀測指數(shù)，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(diǎn)溫度核減、濕度核減、風(fēng)速核減、月相核減。

根據(jù)西涌暗夜社區(qū)實(shí)際觀測效果和經(jīng)驗(yàn)，對應(yīng)的天文觀測指數(shù)分級(jí)為：

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

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

尚可，觀測指數(shù)55%-69%，天空有部分遮擋，天氣狀況一般，大氣環(huán)境有部分干擾，夜空明度一般，天文觀測活動(dòng)尚可進(jìn)行。

較差，觀測指數(shù)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(dòng)較困難。

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

3.3算法優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

在實(shí)現(xiàn)過程中，為了提高算法的效率和精度，以及提高計(jì)算速度，采用向量化計(jì)算方法；為了保證計(jì)算精度，采用高精度數(shù)值計(jì)算庫，對數(shù)值誤差進(jìn)行了控制，最終實(shí)現(xiàn)天文觀測指數(shù)的計(jì)算，完成深圳西涌暗夜社區(qū)未來10天的天文觀測指數(shù)計(jì)算和預(yù)測。

4實(shí)證研究與分析

4.1指數(shù)計(jì)算

以2023年9月28日至10月8日的數(shù)據(jù)為例，在28日收集云量、能見度、降水、空氣溫度、露點(diǎn)溫度、濕度、風(fēng)速、月相數(shù)據(jù)。28日08：00至10月2日02：00，每個(gè)參量為逐1小時(shí)的數(shù)據(jù)，隨后為逐6小時(shí)的參數(shù)。各參量具體預(yù)報(bào)數(shù)值序列圖如圖3所示，豎直的陰影部分為夜晚時(shí)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(diǎn)溫度、濕度變化不大、風(fēng)較小；接近滿月。

把這些參數(shù)帶入第2.2節(jié)計(jì)算可得天文觀測指數(shù)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(shù)基本處于較佳以上。其后，10月2日00：00左右觀測指數(shù)尚可，隨后觀測效果逐漸變好。圖4右側(cè)給出了相應(yīng)的觀測指數(shù)等級(jí)。

4.2結(jié)果和討論

在天文觀測指數(shù)的研究中，本文成功建立了一個(gè)基于多因素加權(quán)平均的指數(shù)評(píng)估體系。通過收集數(shù)據(jù)，確定影響天文觀測質(zhì)量的因素，并采用層次分析法確定這些因素之間的權(quán)重關(guān)系，采用了多種算法對指數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)。

首先，不同時(shí)間段的指數(shù)變化趨勢大致相同，表明該指數(shù)對于天文觀測的評(píng)估具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。其次，云量、能見度是影響天文觀測指數(shù)最為重要的因素，而常規(guī)要素氣溫、濕度、風(fēng)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(jí)望遠(yuǎn)鏡觀測）。最后，不同區(qū)域的指數(shù)值有較大差異，其中人工光源較少區(qū)域的指數(shù)值相對較高。

總的來說，天文觀測指數(shù)評(píng)估體系可以有效地評(píng)估天文觀測質(zhì)量，并具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。本套體系能為深圳市西涌暗夜社區(qū)的天文觀測服務(wù)提供了有力的支持，同時(shí)也為其他地區(qū)和單位的天文觀測服務(wù)工作提供借鑒和參考。

5觀測指數(shù)的應(yīng)用

深圳西涌暗夜社區(qū)天文觀測指數(shù)的最終目標(biāo)是為市民愛好者和天文工作者提供服務(wù)，為其觀星活動(dòng)提供預(yù)報(bào)性的支撐，一段時(shí)間內(nèi)可在暗夜社區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測。基于此，在觀測指數(shù)的基礎(chǔ)上搭建針對社區(qū)天文觀測活動(dòng)的信號(hào)提示，在有適宜天象觀測或節(jié)假日期間，根據(jù)天文觀測指數(shù)監(jiān)測到有良好的天文觀測條件時(shí)，深圳市天文臺(tái)進(jìn)行天文觀測信號(hào)的發(fā)布。一次天文觀測信號(hào)的發(fā)布包含了天文觀測信號(hào)圖標(biāo)、觀測信號(hào)內(nèi)容、照明聯(lián)動(dòng)內(nèi)容三個(gè)部分。天文信號(hào)圖標(biāo)包含：可觀測的天文現(xiàn)象和出現(xiàn)時(shí)間；天文觀測指數(shù)等級(jí)，表示觀測時(shí)段的觀測條件如何；以及社區(qū)的照明聯(lián)動(dòng)等級(jí)，用以燈光控制指引等的相關(guān)信息。

2023年國慶期前，9月28日發(fā)布了天文觀測信號(hào)，國慶正逢中秋，信號(hào)圖標(biāo)是滿月，天文觀測信號(hào)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(jié)論與展望

6.1研究結(jié)論總結(jié)

天文觀測指數(shù)是基于深圳西涌國際暗夜社區(qū)的天文觀測條件和天文愛好者觀測需求，采用主觀評(píng)價(jià)和客觀數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，綜合評(píng)價(jià)天文觀測質(zhì)量的一項(xiàng)指數(shù)。通過本研究的實(shí)證分析，得出以下結(jié)論：

天文觀測指數(shù)能夠反映出深圳西涌暗夜社區(qū)的天文觀測環(huán)境。指數(shù)值與氣象、光污染等環(huán)境因素呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，且在不同天文活動(dòng)時(shí)期的指數(shù)變化具有較好的穩(wěn)定性和一致性。

天文觀測指數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可操作性和實(shí)用性。通過與實(shí)際觀測環(huán)境進(jìn)行對比，天文觀測指數(shù)的預(yù)測準(zhǔn)確率較高，能夠有效指導(dǎo)市民觀測活動(dòng)的安排。天文觀測指數(shù)的建立和應(yīng)用，對于推動(dòng)暗夜社區(qū)建設(shè)和天文科普事業(yè)具有積極的推動(dòng)作用。通過公開發(fā)布和宣傳，有望引導(dǎo)更多市民關(guān)注天文科普，增加社區(qū)建設(shè)和科普活動(dòng)的參與度。

總之，天文觀測指數(shù)的研究和實(shí)踐為促進(jìn)天文觀測環(huán)境建設(shè)和市民科普意識(shí)提高提供了新思路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但在實(shí)踐應(yīng)用中也存在不足之處，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

6.2不足之處和改進(jìn)方向

在天文觀測指數(shù)的開發(fā)和應(yīng)用過程中，我們發(fā)現(xiàn)一些不足之處，目前的天文觀測指計(jì)算依賴的背景場為ECMWF天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，背景場的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度極大的影響了天文觀測指數(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確度，后續(xù)的指數(shù)計(jì)算，我們希望改進(jìn)數(shù)據(jù)集，通過在臨近時(shí)間場采用分區(qū)預(yù)報(bào)的形式，通過使用擇優(yōu)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)從而增加天文觀測指數(shù)預(yù)測的準(zhǔn)確程度。

以及EC預(yù)報(bào)場的分辨率為0.05°×0.05°分辨率網(wǎng)格，映射到實(shí)際距離大約為5km×5km，對應(yīng)的預(yù)報(bào)網(wǎng)格范圍剛好完成了暗夜社區(qū)的天空環(huán)境覆蓋，在實(shí)際應(yīng)用的可能會(huì)有偏差過大，不夠精細(xì)問題，后續(xù)范圍希望能夠采用1km×1km網(wǎng)格范圍預(yù)報(bào)，生成指數(shù)的時(shí)候通過更多的預(yù)報(bào)，精細(xì)化指數(shù)的預(yù)報(bào)和誤差平均預(yù)期效果。

可以進(jìn)一步探討視寧度和天光環(huán)境的監(jiān)測對天文觀測指數(shù)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(shí)，天空中的星星和天體會(huì)被散射和衍射，導(dǎo)致觀測效果不佳，影響觀測指數(shù)的計(jì)算結(jié)果。深圳市天文臺(tái)從2023年7月起開始不間斷監(jiān)測天光背景亮度，可評(píng)估對天文觀測指數(shù)的影響。因此，對于天文觀測指數(shù)的計(jì)算，需加入視寧度的計(jì)算和影響權(quán)重，以及天光環(huán)境中城市光污染的影響，并采取有效的監(jiān)測措施，加入指數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，提高夜間的天文觀測指數(shù)準(zhǔn)確性。

6.3未來研究展望

持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化指數(shù)計(jì)算方法，引入更多的影響參數(shù)、優(yōu)化統(tǒng)計(jì)方法等方式來改進(jìn)指數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以及發(fā)展精細(xì)化天文觀測指數(shù)的計(jì)算，例如基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能預(yù)測和建議等，從而更好地反映當(dāng)?shù)氐奶煳挠^測條件，提高天文觀測指數(shù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

當(dāng)前的天文觀測指數(shù)主要針對深圳西涌暗夜社區(qū)，我們希望可以擴(kuò)大指數(shù)覆蓋范圍，未來可以考慮將指數(shù)應(yīng)用到更多的地區(qū)，為更多的天文愛好者和觀測者提供服務(wù)。并建立數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，讓更多的人可以使用和分享數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升指數(shù)的價(jià)值和影響力。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：鄭建川（1989—），男，漢族，云南臨滄人，博士，副高級(jí)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。