空间天气预报在中国

文/ 李会超

新中国成立后，在赵九章等老一辈科学家的组织领导下，我国从上世纪五十年代就开始了太阳风、磁层物理等与空间天气有关现象的研究。1957年，我国参与到了第一次国际物理年的全球联合观测中，建立了一批地磁台、宇宙线台等观测台站，奠定了我国空间天气与空间物理观测的基础。近年来，随着我国综合国力的提升和科技事业的整体发展，空间天气领域的基础研究与业务应用也取得了长足的进步。本文谨选取我国空间天气事业中的一些标志性成就予以介绍，希望能够使读者对我国空间天气事业的发展有一个概略的认识。

子午工程构建空间天气监测网

1993年，中科院魏奉思院士在起草《中国空间发展战略规划建议书》时，率先提出了建立空间天气监测子午链的科学构想。在这个构想中，分布在东经120度子午线、北纬30度纬度线上的若干空间天气观测台站，将综合运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续对于空间天气有关的圈层进行联合探测，形成一个大型空间环境地基监测系统。

▲子午工程甚高频雷达

由于空间天气现象的“因”是太阳活动，“果”是地球附近各圈层的空间环境变化，因此与空间天气相关的地球各圈层的状态在地球朝向太阳的一侧（日侧）和背离太阳的一侧（夜侧）有较大的不同。以地球磁层为例，在日侧，磁力线被太阳风压缩，形成磁层顶。而在夜侧，磁力线则被太阳风向外拖拽，形成长长的磁尾。在磁暴发生的过程中，磁层顶的磁重联和磁尾的磁重联是太阳风暴能量进入地球系统相继发生的关键过程，但这两个过程的发生的位置和产生的效应，则有着比较大的差异。利用地球的自转，部署在子午线上的台站能够对日侧和夜侧的空间天气现象进行全球扫描，从而使科学家们了解地球附近空间天气有关现象的全球时空变化。

在项目设想提出早期，子午工程受到了科学界一部分人的非议，认为这个设想是天方夜谭，根本不可能实现。然而，在魏奉思院士和有关科学家的不懈努力下，子午工程由国家批准立项，并于2008年1月正式开工建设。这个工程由中科院牵头，打破了部门间的藩篱，由七个部委所属的十二家单位共同建设并运行。2012年，工程竣工并通过国家验收。除了在15个观测站部署了87台观测设备外，子午工程的数据与通信系统将这些台站真正连接成了一个整体，观测台站获取的科学数据能够自动化的汇集、处理并在互联网上发布。而研究与预报系统则将观测数据的科学产出与预报效益最大化。

▲子午工程一期台网

▲国家空间天气监测预警中心发布的空间天气预报

▲子午工程二期台网布置图

2018年1月，子午工程二期正式获得立项，二期工程将在一期工程的基础上，在东经100度、北纬40度附近布置监测台站，并对原有监测台站进行升级、加密，形成两纵两横的“井”字形空间天气监测网络，通过从太阳大气到近地空间全链条、全国覆盖、高时空分辨的监测，描绘空间天气事件的传播、演化和影响我国空间环境的路径。

以子午工程建设为契机，中国科学家还提出了国际子午圈计划，通过国际合作实现协调全球空间天气联测及共同研究，推动国际空间研究的发展，促进我国和平利用外层空间，实质性地提升我国的科技创新能力和中国对人类科学发展的贡献度。

“双星计划”

地球磁层是太阳风暴所携带的能量进入地球系统的媒介，地磁暴这一地球磁层的剧烈变化会引发一系列的空间天气效应，因而对地球磁层中发生的物理过程的研究，对于空间天气科学的发展有着重要意义。上世纪80年代，中科院刘振兴院士提出了关于磁层中磁场重联现象的一个新理论，引起了国际学术界的广泛关注。此时，恰逢欧空局准备实施进行磁层探测的“星簇”（Cluster）卫星计划。为了使Cluster的科学产出最大化，欧空局广邀各国同行一同提出利用“星簇”数据进行研究的计划。刘振兴院士团队的计划书以其独特新颖的思路而被欧空局的同行们看中。

▲子午工程通过国家验收

▲双星计划的两颗卫星

然而，阿里安火箭首飞失利，星簇计划首次发射以失败告终，但这并没有动摇欧空局继续实施这一计划的决心。同时，刘院士也发现星簇计划和当时国际上的其他卫星计划对地球磁层的探测存在盲区，如果能在环绕地球极区和赤道的轨道上各布置一颗卫星，则将能够更全面的探测磁层的变化。这个想法得到了欧洲同行的支持，决定与中国科学家的卫星计划开展联合探测。由于刘院士的探测设想由两颗卫星实现，因此这个卫星项目被称为“双星计划”。在两颗卫星分别于2003和2004年发射后，双星计划也成为我国首个纯科学目的的航天项目。组成双星计划的两颗卫星“探测一号”“探测二号”由中欧合作研制，中方负责卫星平台和部分科学载荷，欧方负责另一部分科学载荷，并在卫星研制过程中的一些关键技术问题上提供帮助。卫星由中国火箭发射，欧空局提供测控支持。与此同时，重新制造的四颗星簇卫星也被成功发射升空，双星和星簇的探测按照双方科学家的设想紧密配合，形成了“双星-星簇”计划，完成了人类历史上第一次对地球空间的六点探测，并因其取得的丰硕成果而获得国际宇航科学院“2010年度杰出团队成就奖”。

▲SMILE卫星的运行位置

“双星-星簇”计划的成功给中欧空间合作打下了良好的基础。在空间科学领域，中国和欧洲的科学家又提出了对地球磁层进行全景式成像观测的“微笑”（SMILE）卫星计划。中国科学院和欧空局分别于2016年和2019年批准了“微笑”计划，卫星于2019年3月正式进入工程研制阶段。

预报平台不断发展完善

当我们每天准备上班上学时，一般都会通过手机、电视等渠道查看当天的天气预报，决定穿衣的多少。如果收到暴雨、大风等天气预警，则会在之后的活动中留心防范。而对于航天、通信、供电、民航等部门，也需要及时准确的空间天气预警和预报，来有效应对可能的空间天气效应。

目前，中国气象局和中国科学院所属的有关单位，都在开展空间天气的监测预警与预报工作。他们将卫星和地面台站的原始观测数据汇总后进行分析，形成空间天气各圈层关键物理参数的监测产品，使我们能够掌握当前的空间天气状况。同时，基于当前数据和历史数据，相关工作人员还会借助自身经验或数值模型，对空间天气的关键要素作出长期、中期和短期的预报。在载人航天飞行、探月飞行等重大任务进行期间，他们会针对任务情况开展定制化的加密预报。此外，他们针对用户的实际需求，不断开发新的预报产品，将空间天气的探测与预报数据加工为用户能够直观理解、直接使用的预报信息。例如，中国气象局所属的国家空间天气监测预警中心，曾经利用“风云三号”的高能粒子探测资料，准确预报了航天员安全的出舱起始时间。而利用电离层的有关监测与预报数据，能够为探月任务的测控提供支持。他们甚至还为信鸽协会量身定制了“信鸽飞行指数”，在地磁活动比较强烈的时期提示鸽协不要进行放飞活动，以免让需要地磁场来确定飞行方向的信鸽迷路。