冷湖赛什腾山光学天文台址勘选结果及暗夜保护

邓李才^1,2杨帆^1,2何飞³陈孝钿^1,2张春光^1,2孙唯佳^1,7李睿玥^1,8段晓苇^1,7王坤²任安炳²刘念²罗志全²罗杨平²刘其利⁴盘军¹平一鼎⁴赵勇³尧中华³田才让⁵许存平⁶樊万珍⁶张仙⁶马季芳⁶曹子皇¹李彬⁴

（1.中国科学院国家天文台，北京100101；2.西华师范大学，南充637002；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029；4.中国科学院紫金山天文台，南京210023；5.青海省海西蒙古族藏族自治州冷湖科技创新产业园区管委会（筹），茫崖816399；6.青海省海西蒙古族藏族自治州气象局，德令哈817099；7.北京大学，北京100871；8.北京邮电大学，北京100876）

摘要：青海省地处中国版图的中部偏西地区，大部分位于青藏高原，地势高耸。海西州的柴达木盆地海拔在3000米左右，四周由海拔4000米~6000米的山岭环绕。整个区域的气候特征是干燥少雨，地貌以戈壁荒漠为主。冷湖镇位于青、甘、新三省区交界处，高山沙漠的气候特征尤为明显，长期历史记录显示，冷湖地区平均年降水量在20毫米以下，日照充沛，地貌奇特，夜空晴朗。各种环境因素显示这里具备良好的天文观测基础条件。同时，该区域有大面积的风蚀雅丹，且比邻新疆的塔克拉玛干沙漠，这些成为了天文台址选址的不利因素。2017年10月，青海省海西州政府与国家天文台、紫金山天文台、西华师范大学联合启动了冷湖光学天文台址勘选。在青海省、州政府的支持下，我们取得了冷湖赛什腾山区光学天文观测台址勘选的重大成果。文章基于历史气象记录、卫星遥感数据和光学天文观测台址参数监测数据的统计分析并结合数值模拟，呈现冷湖赛什腾光学天文台址的质量。优质的光学天文台址是天文学领域获取原创性科学成果的战略资源，文章也针对台址资源的规划和保护，从选址科学任务的角度进行讨论。

关键词：冷湖；赛什腾山；光学天文；台址勘选；暗夜保护

中图分类号：P112 文献标识码：A

文章编号：1005-9393(2022)03-0046-14

作者简介：邓李才（1964-），博士，研究员，博导，主要研究领域：天体物理、天文技术方法。E-mail:licai@nao.cas.cn；杨帆（1980-），博士，高级工程师，主要研究领域：天体物理、天文技术方法。E-mail:fyang@nao.cas.cn；何飞（1984-），博士，研究员，博导，主要研究方向：地球与行星光学观测。E-mail:hefei@mail.iggcas.ac.cn；陈孝钿（1989-），博士，副研究员，硕导，主要研究领域：天体物理。E-mail:chenxiaodian@nao.cas.cn；孙唯佳（1995-），博士，主要研究领域：恒星物理。E-mail:wjsun@bao.ac.cn。

基金项目：青海省科技厅重大专项“冷湖天文台址勘选与先导科学研究”（2019-ZJ-A10）和海西州政府选址启动项目。

1 引言

天文学是人类探索和认识自然过程中产生的一门古老的基础学科。进入现代科技时代后，由于我们对物质世界的认识在微观上已经深化到了基本粒子，在宏观上已经可以“看清”宇宙的边缘及其中的各种结构和过程，而宇宙基本物理实质与微观的粒子物理相互融合，人们越来越接近对一些根本问题的解答，比如我们从哪里来、我们在宇宙里是否孤独等等。对这些基本的问题最具突破性的研究必须依赖于天文观测。一直以来，天文学家和物理学家们都致力于对宇宙深处的观测，望远镜的口径越做越大，观测的方式也因为技术的进展发展到了地球轨道空间。但极致的设备限于体积和重量，还需要在地面上的天文台进行观测。由于大气的存在，设计建造大型望远镜时，首先必须考虑到其对台址的苛刻要求。在这个地球上，能够支持大型和超大型光学天文望远镜科学目标的地方非常有限。而我国的天文学家在逐步跟上国际天文研究节奏的时候，也深感天文台址的落后。我国第一代天文大科学装置LAMOST望远镜就是因为台址的限制，没有充分发挥其应有的科学能力^[1,2]。2016年，天文学界在争取建设12米口径光学红外望远镜的时候，就面临台址问题，项目推进的各项工作因此困扰不断^[3]。

天文学大科学装置都具有秀外慧中的特质。除了获得科研的创新突破外，还因为规模宏大、充满神秘和建设地的特殊性，成为引领大众科普教育的平台，甚至可以驱动地方经济特别是科教文旅相关产业的绿色发展。我国的另外一个已经建成的天文大科学装置——五百米球面射电望远镜FAST就是一个典型范例^[4]。青藏高原地区可能存在优质光学天文台址，长期受到国内外天文同行的关注，这是因为优质天文台在地球上分布不均匀，整个东半球就一直没有确定可以与西半球大天文台互补的优质台址资源。目前时域天文学来到了最活跃的时代，国际天文学界更是希望能解决这个短板。而我国的天文学界也希望尽快突破限制光学天文领域发展的台址瓶颈，对学科创新和地方经济发展形成支撑。

青海省自从20世纪80年代在海西州德令哈建成13.7米毫米波望远镜之后^[5]，天文研究成果不断涌现，相关新闻就一直没有间断。在德令哈台址上，几代人已经做出了很多发展光学天文观测的尝试^[6]。令人遗憾的是，这个站址因为德令哈的城市发展而快速亮化，变得不堪再用。但是，海西州冷湖地区晴朗的夜空和丰沛的日照，早已为国内天文界熟知。2017年，趁在青藏高原上勘选12米望远镜的机会，我们项目组在青海各级政府的支持下对冷湖地区的光学天文台址开展了高效的选址工作。本文就选址任务的科学目标、定点选址的工作和主要结果进行了论述和展示。由于冷湖台址的结果非常令人振奋，我们也将对台址的规划、建设和未来进行介绍并给出一个简要的展望。

2 冷湖光学天文选址的动因

一直以来，我国的光学天文观测条件（包括望远镜和台址）与国际前沿存在巨大的差距。我国最大的通用型光学望远镜的口径仅为2.4米，目前主要的光学望远镜设施都建设在基础条件差、光污染严重的台址上。而国际上的若干台10米级望远镜已经在各国际顶级台址运行十年以上，拥有财产份额的国家覆盖了所有发达国家和国际上新兴经济体，包括同为金砖国家的南非。国际上正在建设中的下一代巨型光学望远镜（口径26米~39米）就有三台^[7]（2020decadalsurvey，2022）。我国于2008年建成的光谱巡天专用望远镜LAMOST（郭守敬望远镜）等效通光孔径堪堪接近5米[8]。它虽然为中国的光学天文研究带来了一线曙光，但它的台址是北京附近的河北省兴隆县，光学环境与设备的设计能力不匹配，这极大地限制了我国首个天文大科学装置的科研能力。国家发改委和科技部联合征集的国家“十三五”期间建设的大科学工程建设项目遴选中，“12米光学/红外望远镜（LOT）”脱颖而出，这无疑是令科学界振奋的机会。于是，在青藏高原地区前期工作的基础上，于2017年启动了针对12米望远镜的专项选址工作，并预选了具备前期基础的三个点位，即西藏阿里^[8]、新疆慕士塔格^[9]和四川稻城^[10]，三个候选地均处于青藏高原周边。冷湖因为没有前期准备，特别是因为当地风沙盛行这个不利因素，并没有进入专项选址工作的视线。

我国的战略性天文选址工作都集中在青藏高原地区，理由是显而易见的。首先，从地面向天空的观测需要穿透地球大气，越高的地方其上空的大气就越稀薄，因此与大气厚度相关的不利影响就越小。我国的人口分布与地理上的结构有着很大的关系，胡焕庸线把我国的版图按地势的高低和人口的疏密大致分成了两个部分。东南方向是我国地势低矮平缓、经济相对发达、人口和城市密集的区域。而西北部地区正好是青藏高原和沙漠地区，人口稀少，经济欠发达。高高隆起的地势和稀疏的人口正好是天文观测的两个有利因素。与人口和城市相关的因素是光污染，对天文观测极为不利。青藏高原的海拔，是人类生存的不利条件，却对天文观测非常有利。整个西部存在一些区域，除了人烟稀少之外，还兼有大气通透、日照丰沛和夜空晴朗的特点。这几个因素的叠加，就是我们选择天文台址的基础条件，决定了选址活动的目的地。自新千年开始，中国天文学家就为中国未来大型天文设备发展在青藏高原地区进行了台址普选^[11,12]。

对台址普选而言，最直观的基础是卫星对地遥感提供的云覆盖量数据。图1是MODIS卫星资料显示的我国西部地区的云量图。数据采集的是每天北京时间22：30和凌晨01:30两个时间点的图像，分辨率为5公里，数据覆盖2008年~2016年共8个整年。由于数据的同源性，如图1所示的青藏高原地区各天文台址候选点云量覆盖率，是进行横向比较的可靠依据。按这个统计结果，我国夜间云量覆盖最少（夜空晴朗）的区域是西藏的阿里地区，冷湖地区的覆盖率为18.75%，仅次于西藏阿里。作为比较，我们特别标出了LAMOST台址地的云量覆盖率。仅从夜间的云覆盖率看，在冷湖地区开展天文台址勘选是非常有前途的，这也是我们开展选址工作最为重要的基础。

图1 青藏高原地区云量覆盖率统计图

（数据为2008年~2016年卫星数据，每天的云量由北京时间22:30和凌晨1:30两幅图像分析给出。四个台址标注的数字表示夜间云覆盖时间的比例。国家天文台兴隆基地作为参考。）

实际上，冷湖地区具有非常好的晴天和晴夜^[13]，早就被天文界知晓，但特有的风沙把冷湖排除在天文台址的候选名录之外^[14]。这些早期的工作都是在没有实际到达冷湖调研的情况下完成的。沙尘对天文观测的不利影响主要有两种，其一是尘埃颗粒会积累并附着在光学表面和机械设备上对设施产生直接损害；其二是悬浮在空气中的颗粒会产生消光，从而直接影响观测。但是，沙尘在空气中的分布和沉降是随高度增加而指数下降的，来自柴达木盆地本地和来自远程的沙尘莫不如此。如果在冷湖地区存在高山，尤其是短距离隆起的山峰，沙尘的不利影响是否依然存在就需要进行实地测量才能给出判断了。

从12米望远镜正式候选台址的地理分布上看，台址的可到达性与将来的运行成本直接挂钩，在这一点上，冷湖具有很好的区位优势。图1也标注了12米候选台址的位置。冷湖镇区距著名的旅游城市敦煌250公里，由国道215连接，经冷湖镇沿德令哈方向继续行驶50公里就是通往台址专用公路的连接线。敦煌市有国际机场、高速公路、高速铁路通往全国各地，运输通勤条件优越（图2）。从以上因素考虑，冷湖这样一个地理位置和后勤保障优势明显并有很好晴天和晴夜记录的地区，是值得进行天文台址考察和勘选的。

图2 冷湖地区的交通状况示意图

（图中红色为距离冷湖天文观测基地廓线50公里的暗夜核心保护区，蓝色的圆是离基地中心100公里的暗夜保护缓冲区，粉色框代表已建成和规划中的新能源基地。图片背景为海拔高度，相关数据来自于日本宇航局。）

在高海拔天文台选址的因素中，还有一条是人员的安全。现代天文台址，除了海岛和面临大洋的大陆西海岸外，基本都在高海拔地区。在海拔4000米以上的站址，人员的安全和施工难度都是开展科研工作必须考虑的因素。最优的匹配是高海拔的台址和低海拔的后勤基地之间距离足够的小。冷湖镇作为生活基地，其海拔仅2700米。如果短距离内存在高于4000米的山峰，就非常适合选址。赛什腾山距离冷湖镇区仅50公里，最高峰海拔达4500米，完全满足这项要求。相比青藏高原地区的其他选址点而言，这是冷湖台址具备的另外一个优势条件。

2017年7月，原冷湖行委在筹划冷湖未来发展蓝图时，提出了在石油资源枯竭和产业撤离后，以优美而独特的自然资源即暗夜星空和地质地貌为依托，在科学研究设施的牵引下发展特色科普文旅产业。在时间节点上，这种设想与天文界为12米望远镜选址的时机吻合。虽然错过了进入12米候选地的契机，但借此机会主动参与也是非常有意义的。而且，紫金山天文台在海西州落地多年，已经成了青海省利用自然优势参与国家基础研究的一个窗口。进一步发掘海西地区的光学天文台址资源，符合青海省利用资源优势担国家责的愿景。而当时我们团队在德令哈执行恒星物理观测网络1米望远镜的科学任务，在台址质量方面遇到了德令哈夜间亮化导致的困难，正寻求解决方案，这与原冷湖行委的规划也不谋而合。这是由我们项目组来承担冷湖光学天文台址勘选任务的直接原因。

3 冷湖地区选址的基本条件与定点选址

冷湖赛什腾山光学天文条件监测的工作开始于2018年1月。由于预选的选址点在赛什腾山峰C区，当时无法到达，因此最初的测量是在靠近山顶目标点的山脚平台启动，该点的海拔为3200米。由于具体测点在光学天文条件参数上会存在巨大的差异，我们开始仅做了天光背景和云量（即晴夜数量）的监测，这些数据对具体选点不敏感。同期开始监测的还有普通气象资料，提供包括风速、风向、温度、相对湿度和气压。气象数据严重依赖于具体的测点，因此山下采集的数据没有纳入对台址质量的研判，但在分析地形和海拔的不同产生的差异时，还是可以作为科学数据使用的。

2017年开始策划冷湖选址时，我们采用冷湖国家基准气候站、大风山国家无人自动气象站和马海湖区域自动气象站2005年~2017年的气象要素观测资料。气象观测数据分析得知，整个冷湖地区的降水普遍很少，平均年降水都在20毫米以下。而风速的中位值都在3米每秒左右，主风向为西北。但统计上存在高风速的尾巴（图3所示为冷湖国家基准气象站历史数据）。这表明冷湖的风沙是阵性强风所致。我们的监测结果也显示，导致沙暴的强风过程都很短暂，持续时间一般在小时量级。

图3 2004年1月1日至2022年4月30日冷湖国家基准气候站2分钟平均风速频次分布图（上）和2分钟平均风玫瑰图（下）

2017年11月第一次现场踏勘时，我们确认了之前通过高分辨地图资料和基于卫星遥感数据调研的初步选点（即后期正式的测试点赛什腾山C区）。由于车辆和徒步可以到达的位置离选点尚有约十公里的直线距离和1500米的高度差，我们不得不确定先在山脚下实际可以架设早期设备的点位建设临时观测点，在获得经费支持后再进行下一步的工作。

2018年是冷湖天文观测基地选址关键的一年。在海西州政府提供的支持下，我们正式执行选址任务。青海省政府相关部门也很快介入，选址工作和基础设施建设至此正式立项，包括道路、电力和网络都纳入了建设计划。通往赛什腾C点的正规化道路至今还在建设中。2019年7月临时砂石路建成，越野车可以直接到达选址点，运行维护工作的困难才得以减轻。在这个时间点之前，选址的全部设备和基础建材都是在政府资助下通过直升飞机吊运上山。正式的台址参数数据采集是在2018年10月开始的。砂石路通车前，选址任务异常艰苦，团队为此付出了极大的代价，选址点碰到的任何问题都需徒步登山。只有维持设备的顺利运行并最终获得准确的数据，才能最终得到台址质量的科学评估。

赛什腾山顶选址点的星空资源随着数据的逐步积累，显示出超越目前国内已有台址的质量，并逼近国际上顶级的中纬度地区的大天文台（参见选址团队的主要成果^[15]）。由于冷湖地处无人区，没有光污染，其暗夜的质量接近地球表面可以得到的理论极限，在全球无与伦比。因此，严格管理冷湖地区的户外灯光，使之保持高质量的暗夜环境特色非常重要，否则前期所有的努力，包括地方政府的投入和项目组的辛苦，都将付之东流。

4 冷湖赛什腾光学天文观测条件参数结果

光学天文台址的质量决定于一系列参数，最为基础的就是晴夜数量和天光背景的情况，这两个因素是初选光学天文台址的依据。我们项目在规划科学目标时，针对这个原始状态的候选点，将视宁度极限条件下的台址参数作为第一步的任务。所谓视宁度是指台址上空的大气因为湍流存在的原因，使得来自天体的光线无法直线传播到达望远镜。湍流越强，望远镜看到的天体就越模糊。所谓视宁度极限，就是望远镜不利用自适应技术手段去探测和修正大气对天体目标的扭曲，完全利用自然的视宁度开展科学研究时的台址参数。由于选址质量判定来自长期数据累积和统计分析，在项目启动时制定如此目标是合理的，避免了更大规模投入的盲目性。基于这个预设，我们使用了一系列探测仪器设备，有的是在上山之前投入工作，有的是在赛什腾C点的基础建设完成之后开始数据采集。具体使用的设备、采集的参数类型和开始记录的时间见表1。

表1 台址参数测量设备数据采集起始时间

注：*缩略语：SQM为星空质量仪（SkyQualityMeter），LH-Cam为冷湖全天相机（LenghuAllSkyCamera），DIMM为差分图像移动监测仪（DifferentialImageMotionMonitor），PWV为可沉降水汽（PrecipitableWaterVapor）。

†探空气球实验：2020年8月12日一次（12日晚20时），2020年11月16日（16日早08时、晚20时）两次。后续若干次实验尚未处理分析并纳入本工作。

截至2020年12月31日，表1所列出的台址参数的数据累积时间都超过了两个整年，其对一个台址质量的判定符合国际超大型望远镜台址的基本要求^[16,17]。参照国际上大型天文观测基地的选址和持续监测的标准，冷湖台址的质量评判可以和这些天文台进行横向比对，由此得到赛什腾选点实际质量的可靠结论。赛什腾选址的主要科学结果，已经作为一篇研究论文在《自然》上公开发表^[15]。我们在这里纳入超过一年的新数据，更新一下截至目前的统计分析结果。与地方气象部门的观测结果相比较，我们在选址点获得的普通天文大气基本参数，与柴达木盆地区域的结果基本一致。降水、风速和风向上并无大的系统差别。选址点的气压、温度和湿度与地方气象记录的差别反映的是海拔高度上的差别。这些基本参数跟台址的光学台址数据的细致差别还需要做进一步的仔细分析，笔者将在另文中详述。这里，我们特别关注冷湖光学天文台址在视宁度极限条件下的两个关键参数，即晴夜和视宁度统计。此外台址上空的水汽柱密度即可沉降水汽（PWV）是决定台址是否适合红外波段观测的另一个关键参数。下面我们逐一描述。

4.1晴夜统计

夜空晴朗与否，通常是以台址可见天区内光学波段可探测的云覆盖量判定的。表1中的全天相机（LH-Cam）和天光背景测量仪（SQM）被我们同时用于夜间晴朗时间数量的测量。全天相机是项目组使用商用数码相机、加装数据传输模块并自行搭建软硬件而研发的一套设备。在选址期间进行无间断自动记录全天光学影像，并实时传输回项目组服务器。SQM在夜间高频记录天空的背景亮度^[18,19]。对云量的计算是在对全天相机目视分析，并与SQM进行交叉定标的基础上，实际使用SQM数据进行自动判断。天空背景的亮度，非常敏感地依赖于自然星空中各种干扰源的变化，包括光污染和各种状态的云层。关于测量晴朗夜空质量的技术和方法，我们将另文发表。图4展示的是赛什腾山2020年度夜间质量统计，彩色区域是天文晴夜的时间段（纵轴）随日期的分布，湖蓝色是夜空完全晴朗，灰色是有云、阴天或雨雪过程，红色表示设备无数据（仪器、电力故障时间）。赛什腾山区完全无云的时间（天文上称为测光条件）基本保持在70%。而部分有云时可以进行光谱或其他目的的观测，这种条件在理论天文夜总时间的占比在15%左右。

图4 赛什腾山晴夜2020年度统计

4.2视宁度

天文大气视宁度是在晴夜条件下，决定晴夜质量的一个参数。它表征的是星光从进入大气、到达望远镜像面的全部路径上受大气湍流影响产生的相对几何路径的偏移（不计入大气折射）。跟大气湍流一样，这种偏移是随时间变化的。和其他光学台址一样，我们使用一种通行的设备，即差分图像移动监视器（DIMM）进行测量^[20,21]。这样得到的结果是总视宁度。DIMM长期监测无偏采样数据的统计结果是一个台址的自然参数。在一个台址上直接进行的天文观测就称为视宁度极限观测。如果望远镜自身像质达到理想状态，那么最佳观测质量就是由视宁度限制的。总视宁度由光线通过的大气不同高度层次的湍流积分而来。天文上有一些手段去测量不同层次的贡献，并可以利用光学技术手段去掉某些成分的影响，从而改善望远镜像质，这些方法统称为自适应光学。而测量大气的湍流轮廓非常重要，现代大型望远镜在地面得到的逼近衍射极限成像质量需要以此作为前提。这就需要台址湍流轮廓适合使用自适应光学技术手段。此项研究工作在冷湖的选址早期不具备条件进行，在前期工作中我们借用了3次气象探空实验数据，初步验证了赛什腾C区上空的结构。深入研究视宁度的构成和大气廓线，是我们下一步台址研究最重要的科学目标之一。

区别于气象参数和云量，视宁度的测量需要在特定的条件下进行。为保证我们测量的视宁度与其他台址的结果能相互比较，赛什腾选址尽量采用与其他选址点和国际上大天文台视宁度监测同样的设置，其中的一个要求是需要搭建一个坚固稳定的10米高台，需要一定的建设周期。因为这个原因，赛什腾C区视宁度的测量启动略晚于其他参数。

截至2020年底，我们获得了近40万个有效的视宁度测量值。监测数据统计分析结果显示，赛什腾C点的视宁度优于国际最佳台址或持平。2020年5月，赛什腾C区的入驻项目开始基建施工，视宁度监测设备进行了迁移，沙尘监测最终也因为局地工地扬尘主导而止。视宁度监测与其他台址参数监测设备正常运行。图5展示的是自前一工作后^[15]积累的全部数据（31万个测点），横坐标为日期（数值为修正儒略日），纵轴为视宁度（单位是角秒）。图中红色为探测器热点导致的坏数据，占所有数据的1%水平，另有约2%以内的值是在有云的状态下测量的，没有计入。绿色为小于中位值的测量点，中位值保持在0.75角秒的水平。

图5 视宁度随时间的分布图

红色是无效测点（探测器热点，少于1%），其他是测量数据，绿色是小于中位值0.76角秒的测点。这是自2021年1月1日至2022年5月底的全部数据，是台址论文^[15]的补充。

4.3沙尘

冷湖地区的晴夜数量在早期气象普查中就有数据支持并得到学界认可，我们项目对赛什腾山顶的定点视宁度测量结果也是非常令人满意的。但柴达木盆地沙尘给人留下了一个疑虑，这是让冷湖作为一个优质天文台被广泛认可前必须面对的问题。回答这个问题最好的方式就是用长期的实地空气质量监测数据说话。那么我们为什么没有在选址点基础设施建成时就开始呢？限制条件是设备没有到位。大气中颗粒物是空气污染的主要因素之一，随着国家对环境保护的重视程度提高，空气质量指数成为了人们生活中的常识之一。市场中各种检测产品很多，但大多数都不能满足高海拔（低气压环境）使用的要求，适合科研使用的更少。测量的原理也是多种多样。我们需要既能在高原环境中工作，也是基于等体积计数原理的设备。最终使用的设备（见表1）还需要厂家到达现场进行参数本地化设置，这只能是在砂石路通车以后才可能开展的测量工作。

图6显示的是自2019年12月28日至2021年5月21日赛什腾C区的颗粒物计数器的所有数据（蓝色）。图中的红色是环保部门提供的冷湖镇区粉尘数据。需要说明的是，自2020年4月开始，赛什腾C区就开始了平整土地的作业，其后是几个项目的基础施工，因此颗粒物数据受当地的影响较大。这之前的数据显示，赛什腾山区的空气颗粒物含量（以PM10指数为参考）比低海拔的镇区小10倍左右。至2021年5月下旬，C区的望远镜项目基建全面开工，粉尘物测量停止工作。从正常的4个月数据看来，PM10指数从冬季的个位数到春季上升到均值50左右（50是国家空气质量标准优质和良好的界限），并大致维持在这个水平。其间在镇区发生了几次严重的沙尘暴（2月~3月期间，图中灰色的瞬间数值达1000），检测数据显示，这几次尘暴在镇区发生半小时后会到达山顶，从图6可以看到超过100的两次记录。沙尘过境时间在1个小时以内（颗粒物数据的日记录）。除了这些在盆地发生严重沙尘的事件期间，赛什腾C区的空气质量指数常年维持在10的水平或更低。通过比较国际大型天文台颗粒物监测数据，赛什腾C区不存在粉尘物的直接影响。在C区基建完成之后（2022年底），项目组将继续利用该设备采集数据，并配合天文方法对大气中浮尘产生的消光进行定量分析，对沙尘的影响形成结论。

图6 选址点颗粒物浓度与冷湖镇区环保数据的比较

横坐标为日期，纵坐标为空气质量指数（PM10）。蓝色点为选址点的测量值PM10的均值，红色为镇区的均值。2020年5月基建开始之前的记录是可靠的。2020年12月因基建规模扩大，测量终止。

4.4水汽和温度

此外，受太阳活动和地球环境长期变化的影响，冷湖天文观测基地的自然条件可能发生的变化也是目前天文设施投入和未来规划必须考虑的因素。气象因素造成的台址变化，特别是温度和PWV是可以依据既往的记录进行预测的。项目组利用过去超过20年的地面气象记录和遥感卫星数据，对这两个参数进行了研究^[22]。主要的结论是：（1）总体上，过去20年的年平均温度呈现上升趋势，大约每10年上升0.17℃；年平均夜间PWV值也呈现上升趋势，大约每10年增加0.13mm，但温度和PWV的上升趋势的主要贡献来自于天文观测时间较短的夏季。（2）过去20年夜间PWV均值保持在～1.0mm水平，夜间有效的天文观测时间内PWV变化幅度小于0.5mm，夜间有效的天文观测时间内温度均值维持在-13℃水平，温差小于2℃，表明长期以来台址保持在干冷状态。（3）过去20年冬季夜间，在有效的天文观测时间内PWV值处于下降趋势，大约每10年下降0.05～0.07mm。按照目前的数据变化趋势估计，到本世纪末台址冬季夜间的PWV应该在0.5mm水平。（4）过去20年冬季夜间，在有效的天文观测时间内平均温度处于下降趋势，大约每10年下降0.04℃。在全球温度变化的大趋势之下，冷湖天文台址冬季夜间温度变化相对乐观。总体来说，目前的数据分析显示，该区域的天文气象参数不存在可以影响台址质量结论的变化，甚至还有利于台址质量提升（特别是冬季夜间温度和PWV均呈现缓慢的下降趋势）。对于这个正在开始建设的新天文观测台址而言，是非常重要的一个信息。

5 冷湖赛什腾光学天文台址的规划与保护

一个天文台台址勘定并确认质量后，从道路、电力、通讯网络和其他基础设施建设到设备入驻和运行通常有很长的周期。天文项目一般由望远镜和探测仪器终端构成，都是极端精密和昂贵的。根据望远镜的口径大小和科学终端的类型不同，项目要求一定的用地面积，同时由于对天观测的需求要求不受遮挡的净空。赛什腾山体结构非常奇特，山峰尖锐，山梁陡峭，没有大面积的平滑山顶构造。图7（上）是4200米海拔的C区在选址基础设施破土之前的照片，图7（下）是海拔超过4400米的A-B山脊的航拍图像。从原始的状态看，赛什腾山的用地资源受到山形较大的制约，需要科学规划。自从C区选址结果[15]发表之后，国内天文研究机构和高校陆续签订了观测设施落户协议，部分已经开工建设。用地需求和山体可用资源之间的矛盾凸显。如何进行科学规划，使得这个具备国际一流观测条件的光学天文台址得到最大化的利用，就成为一项重要的工作。

图7 赛什腾山峰原始状态航拍照片

（上：C区。C区正在建设的各个科学项目分布如图。其中，DIMM塔是目前的临时配置。下：从近及远B、B 和A峰，B峰为一道南北方向的梁，原始山形起伏在100米以内，长约200米；A峰为局部最高峰，也是坡面相对平缓的区域，可以提供最大可能的平整场地。）

青海省政府非常重视冷湖天文相关项目，专门成立了建设领导小组予以支持，并聘请了国内外天文学家组成了冷湖天文观测基地学术委员会。2020年委托清华建筑规划设计院对冷湖天文观测基地及支撑设施进行规划设计。在学术委员会的科学指导下，设计院完成了冷湖整个天文产业的规划方案，几经评审后，于2022年1月正式通过并对全社会发布。对冷湖天文观测基地而言，这是一个里程碑。图8是赛什腾山区整体规划方案，分为两期执行。目前一期的建设，除了部分大设备需要更长的预备时间外，都已经开工建设。

一期可设置天文设施的地方如图8所示，分别为：

（1）C区（图7上），包括中国科学技术大学-中国科学院紫金山天文台科教融合2.5米大视场巡天望远镜（WFST），中国科学院国家天文台的国际恒星观测网络（SONG）项目1米望远镜，西华师范大学50厘米双筒测光望远镜（50BiN），中国科学院地质与地球物理研究所1.8米行星望远镜（TINTIN）和80厘米行星大气光谱望远镜（PAST）。同时，C区是整个赛什腾山区基础设施的节点，建设有变电站、网络中心和后勤支撑中心（科学家工作站）。

（2）A-B区域，包括四个节点，A是赛什腾西段最高峰，海拔4350米；B是主峰山脊的南头，海拔4300米，大致南北走向，适合LAMOST类大型项目。初步定位是大型光谱巡天望远镜（比如LAMOSTII期）；A 点位于最高峰西北测，是迎风面一局部凸起，海拔4250米；B 点位于A与B之间的一个山脊拐点。这个区域根据选址组的模拟，是整个山区观测条件最佳的区域。

（3）D区，一个海拔4000米的独立山峰，适合向南观测的设施。面积有限，仅安置了中国科学院国家天文台承担的国家基金委重大仪器专项——太阳中红外成像光谱望远镜（AIMS）。

（4）E区，赛什腾山主峰西南，海拔4100米。这是一个大型的平台，目前布局了南京大学时域观测望远镜阵列。

（5）X区，海拔3800米，大型平台。目前布置了中国科学院紫金山天文台多应用巡天望远镜阵列，包括20台70厘米望远镜和1台2米口径的望远镜。

一期的道路正在建设中，预计2022年底前全程完工。包括从国道205下道开始的台地三级道路和从基地大门（海拔3600米）直达A区的四级道路及支线。基地电网35千伏总线于2022年4月完工。通过C区变电站分往各区的10千伏输电线路将在道路完工后陆续开通。

如图8所示，A 点的西北、正西和西南各点，由规划的道路串接。道路从A 点，沿西北向南的方向迂回到山脚，并与台地道路连接形成道路环线。这是冷湖天文观测基地二期规划。二期的建设将根据基地的发展进程适时择机动工。如此规模的天文台，在未来完成建设后，将形成一个世界级的光学天文观测中心，可以承载中国空天战略的核心任务，并为国际合作提供前所未有的机遇。

图8 冷湖赛什腾山天文观测基地总体规划

黄色廓线内的道路和点位，以及N1-N4、M1-M2，都是冷湖天文观测基地规划方案的二期内容，将根据国家任务需求，在未来适时建设。标高3715米的科普观测平台1也兼顾基地的应急后勤服务功能。（底图来源：青海冷湖天文观测基地总体规划方案）

作为一个具备国际一流地面光学天文观测条件的台址，冷湖天文观测基地利用了柴达木盆地无人区的良好自然条件。但光污染的问题是全世界天文台共同面临的威胁^[23-25]，必须认真面对。台址西偏北50公里的冷湖镇和东南直线距离50公里以内的马海湖地区是目前基地紧邻的两个人口聚居区。虽然现在的人口规模都非常小，但是因为各种因素的驱动，这些区域的人口有可能增长，随之而来的是夜间照明产生的光污染。参照国家天文台阿里站目前遇到的问题，即狮泉河镇对阿里天文选址基地形成的光污染，我们项目组专门进行了模拟。狮泉河镇规模的夜间照明的情况如果在冷湖基地周边50公里的范围内发生，冷湖天文观测基地的质量将大大下降，冷湖地区绝美的暗夜星空将不复存在。

冷湖地区太阳能和风能资源都十分丰富，新能源的开发与天文观测基地存在一定的潜在冲突。风机阵列有两个潜在的威胁：其一，是风机顶部安装航空安全的国家标准，需要加装航标灯从而带来非常严重的光污染^[26]；其二，是风机阵列发电将拦截风场，在局部形成微小气候，最重要的因素是影响水汽的蒸发^[27,28]。光伏阵列，由于其表面的高反射率，会将道路车辆和其他人造光源，以及月光甚至星光反射到天空形成背景光。由于大型和超大型光学望远镜极高的灵敏度，此类人造光会完全抵消这些设施在极致科学目标上付出的努力。经过学术委员会充分论证，认为在观测设施50公里半径之内，新能源项目的设置会对大型天文观测设施存在不可忽略的影响。冷湖天文观测基地学术委员会就此问题，为青海省各级决策机构提供了科学证据和专家建议，得到了属地地方政府的采纳，并对于暗夜保护区内的规划项目进行了调整，对已建成投运的项目提出了整改方案。这对实现国际一流天文台观测基地的愿景是一个政策保障。

冷湖域内目前虽然不存在可产生严重光污染的城镇，但随着各种未来产业的发展，我们对天文台的严格暗夜环境保持忧虑，这是保证国家战略资源优势和科研投入不受损失的基本立场。根据城市人口聚居型人造光源对暗夜的影响，国际上有研究工作显示，典型的城市型光污染的衰减距离较大，一般的光污染扩散距离在几十公里^[29]，而大型的光学望远镜更为敏感。50公里的距离内避免人工光污染是一个大型天文台的基本要求^[23,24]。在青海省政府的指导下，省科技厅重大专项课题组负有为海西州制定台址保护法案提供科学依据的责任。为此，我们对赛什腾天文观测基地周边50公里范围内出现人工光污染的情况进行了模拟。图9显示的是在冷湖镇目前的位置，假设出现2015年德令哈实际城市照明亮度（数据来自美国科罗拉多矿业大学，无月、无云的夜间，可见近红外（VIIR）辐射亮度月平均数据^[30]）的夜间照明，赛什腾C区可见光污染情况的定量模拟结果。冷湖天文观测基地目前的暗夜环境在全世界是无与伦比的。图9分别显示的是冷湖在一个无月的测光条件下，真实夜空背景亮度的分布（图9A）。如果在冷湖镇模拟德令哈2015年光污染的情况，我们发现，天光背景的污染可以直接影响到天顶区域，至暗的区域（暗于22等）被压缩。表2是我们根据德令哈2015年的城市夜间照明（城市中心VIIR辐射亮度为71.61nWcm-2sr-1）来模拟冷湖镇区亮化对选址点星空的影响，分析显示天光背景在台址上影响显著。可视化的影响如图9。

表2 模拟冷湖镇亮化对台址星空背景的影响。数字为原始背景亮度（第一行）不同级别的占比（%），和受不同光污染影响（第3-5行）时面积占比的下降（%）

图9 冷湖天文观测基地夜空背景亮度的模拟结果

（A：无月的测光条件下，全天相机图像的等面积Aitoff投影；B：在冷湖镇模拟德令哈2015年的光污染效果；C：同B，光源亮度增加6倍；D：同B，光源亮度增加36倍。）

6 结论

冷湖天文观测基地赛什腾山C区的天文台址参数监测数据覆盖2018年~2020年三年时间，经过对采集到的各类数据的综合分析，我们证明了这个选点的台址质量可以比肩智利阿塔卡马沙漠地区、美国的莫那卡亚和西班牙外岛拉帕尔马等中纬度一流天文台。在前期发表的成果基础上，我们进一步分析了台址主要气象参数的长期变化趋势，对台址的暗夜质量进行了量化分析。从科学研究的角度上，论证了台址暗夜保护区设置50公里半径核心区的必要性。基于冷湖台址在国际优质台址的地理经度分布上的重要性和唯一性，以赛什腾C区为中心的冷湖天文观测基地将发展成一个国际天文观测中心，在国际天文研究中起到无可替代的作用。

冷湖基地天文设施建设已初具规模，签订了建设协议并将在2022年底投运的项目达9项总计30多台望远镜。基地发展的终极目标是国际大天文台，这将使冷湖成为星空、地质景观和文化旅游的目的地。以星空资源为导向的地方特色经济发展可以与冷湖天文观测基地的科学研究形成良性互动，既有利于台址区域的暗夜星空环境保护，也可以推动特色经济绿色发展。

（致谢：感谢原冷湖行委工作人员无偿为项目的早期建设付出的艰辛和汗水。感谢海西州警航大队崔逢祥机长在高原山区挑战极限完成调运物资任务。感谢国家天文台、西华师范大学和紫金山天文台青海观测站同事的支持。感谢南京昊天天文仪器有限公司、德令哈金世界公司的员工在极其艰苦的条件下完成基建任务。感谢清华大学建筑设计研究院有限公司提供的观测基地天文项目规划图，感谢韩文晶自始至终的参与。）

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Lenghu Astronomical Observing Site and Dark Sky Protection

Deng Licai1,2, Yang Fan1,2, He Fei3, Chen Xiaodian1,2, Zhang Chunguang1,2, Sun Weijia1,7Li Ruiyue1,8, Duan Xiaowei1,7, Wang Kun2, Ren Anbing2, Liu Nian2, Luo Zhiquan2Luo Yangping2, Liu Qili4, Pan Jun1, Ping Yiding4, Zhao Yong3, Yao Zhonghua3, Tian Cairang5Xu Cunping6, Fan Wanzhen6, Zhang Xian6, Ma Jifang6, Cao Zihuang1, Li Bin4

（1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029; 2. China West NormalUniversity, Nanchong 637002; 3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;4. Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210023; 5. Management Committee ofLenghu Science and Technology Innovation Park, Mangai 816399; 6. Haixi Meteorological Breau, Delingha 817099;7. Peking University, Beijing 100871; 8. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876）

Abstract: A top-class astronomical observing site was discovered in Lenghu area, Qinghai province in 2021.The site survey was started in the beginning of 2018 and concluded in the end of 2020. The site qualification work wascarried out by a team of astronomers from the National Astronomical Observatory and Purple Mountain Observatoryof the Chinese Academy of Sciences, and China West Normal University. Three years of monitoring data of the majoroptical observing parameters show that the site features very stable and clear dark night, among other conditions foroptical/infrared observations, that is unique even compared to the world best observatories. The site is in the middleof a vast unpopulated zone with no agriculture and animal husbandry populations. Therefore, the artificial lightpollutions are virtually zero at present time. In this paper, we review the major results of site qualification of Lenghusite and predict the trend for weather and precipitable water vapor (PWV) long-term changes based on satellite data.We conclude that the site will keep the quality at least through the end of this century, which safeguards the hugeinvestments of national or international mega-projects and raise the opportunities for great discoveries. However,due to excellent solar radiation and wind power, potential expansion of industry development (mostly new energyresources) is likely to come. To protect the dark night sky around the observing site, and to promote the new scheme ofeconomic development in the local area, which is highly depending on the darkness of starry sky and the very specialMartian landscape, we also present the scientific arguments that are required by the legislation against possible lightpollutions.

Key words: Lenghu; Saishiteng mountain; optical astronomy; site qualification; night sky preserving

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