美國應對空間天氣事件影響發展動向與思考

● 文 |中國國防科技信息中心 劉映國 孫 龍

美國應對空間天氣事件影響發展動向與思考

● 文 |中國國防科技信息中心 劉映國 孫 龍

為應對空間天氣事件對經濟社會發展和國家安全的影響，美國發布《國家空間天氣戰略》與《國家空間天氣行動計劃》文件，對聯邦政府觀測、研究、預報極端空間天氣事件及響應與恢復做出戰略部署。空間天氣事件對現代信息化社會基礎設施的影響是致命性的，美國把應對這一自然災害上升到國家戰略高度，要求調動全社會力量做好空間天氣研究、預報和預警服務，全面增強應對關鍵基礎設施響應與恢復能力。面對空間天氣災害的不確定性和潛在災難性后果，本文建議加強空間天氣危害知識普及，拓寬與政府防災減災部門溝通渠道，提高空間天氣事件觀測、研究與服務水平。

隨著信息化社會的迅猛發展和航天系統在經濟社會建設中作用的發揮，空間環境對現代社會關鍵基礎設施的干擾越來越突出，已經成為影響國家安全與社會穩定的一個重要潛在因素。2014年11月，由美國“國家科學技術委員會”組織跨部門“空間天氣觀測、研究與減緩小組”，對國家應對空間天氣事件的戰略與行動計劃進行研究，并于2015年10月發布《國家空間天氣戰略》（簡稱《戰略》）與《國家空間天氣行動計劃》（簡稱《行動計劃》）。兩份文件就極端空間天氣事件對國家關鍵基礎設施的潛在危害，以及空間環境探測研究、產品服務與影響應對等提出戰略目標與行動計劃。兩份文件同時發布，將國家應對空間天氣事件的戰略目標與具體行動計劃有機結合，反映了美國政府對空間環境潛在危害的高度重視，并將對美國及世界空間天氣影響研究、探測、產品制作服務與危害應對等方面產生深遠影響。

一、《戰略》與《行動計劃》內容概要

美國政府認為，空間天氣作為一種規律性太陽爆發事件的自然現象，具有擾亂電力系統、衛星與航空運行、無線通信、導航定位與授時服務，以及破壞其他技術系統與國家重要基礎設施的潛在危害，需要從國家層面采取應對措施，為天基資產和電力系統等關鍵基礎設施提供極端空間天氣事件災害的保護、減緩、響應與恢復能力。《戰略》提出了6大應對空間天氣事件的目標，并在《行動計劃》中對聯邦政府當前與未來研究發展工作做出明確規劃與部署。

目標1：建立空間天氣事件基準。《戰略》提出應對空間天氣事件影響并采取恰當措施，需要對這類事件的重要性與發生頻率有一個準確的認識。空間天氣事件基準能夠幫助政府和工業界評估關鍵基礎設施的脆弱性，建立決策點與行動閾值，確認風險，為減緩危害的措施與實踐提供參考，并制定災害響應與恢復計劃。

目標1要求具體制定以下基準：地球電感應場、電離輻射、電離層擾動、太陽電磁爆發、上層大氣膨脹等。

目標2：增強響應與恢復能力。《戰略》要求制定出支持和提高管理空間天氣事件響應與恢復能力的綜合指導意見，包括聯邦政府、各州與當地政府以及私營部門應對空間天氣極端事件的響應與恢復能力。

目標2的具體行動計劃包括六個領域：一是制定所有危害電力系統中斷的響應與恢復計劃；二是支持政府與私營部門應對極端空間天氣事件的計劃與管理；三是為在極端空間天氣影響時保證基本的政府與工業服務制定應急計劃提供指導；四是在極端空間天氣事件過程中，增強通信系統的能力與互操作性；五是鼓勵基礎設施與技術資產的所有者與運行者，協同研發實際電力恢復優先能力與預期能力；六是制定與實施演練計劃，提高和演練政府與工業界有關空間天氣事件響應與恢復計劃。

目標3：加強防護與減緩工作。《戰略》提出，改進國家應對空間天氣事件的準備，需要加強防護與減緩措施。防護重點是開發保護國家免受空間天氣事件影響的能力與措施，包括降低國家關鍵基礎設施的脆弱性。減緩重點是使風險最小化，應對效應影響，提高災害恢復能力。這些準備工作的落實需要公眾與私營主的聯合行動，在國家基礎設施體系內共享經驗共擔責任。

目標3的具體行動計劃包括：一是鼓勵制定危害減緩計劃，降低空間天氣影響的脆弱性，管理來自空間天氣影響的風險，對空間天氣影響響應提供幫助；二是與工業界協同工作，在最易受空間天氣影響領域采取措施，以實現長期降低空間天氣事件中的脆弱性；三是加強公眾與私營部門協作，為降低空間天氣事件中脆弱性行動提供支持。

目標4：完善對關鍵基礎設施影響的評估、建模與預測。《戰略》要求在空間天氣事件過程中，提供及時、可靠、可控與準確的決策支持服務，對改進國家準備狀態至關重要。因此，必須充分認識在極端空間天氣事件中，告知按要求采取行動所產生的社會影響，并鼓勵在事件發生之前采取適當減緩與防護措施。

目標4的具體行動計劃包括：一是評估關鍵基礎設施在空間天氣事件中的脆弱性；二是開發基礎設施實時評估與報告能力；三是開發與細化預報空間天氣對關鍵基礎設施影響的運行模型；四是改進對預報和通信工作的運行影響；五是開展空間天氣對工業、運行環境與基礎設施影響的研究。

目標5：通過提高認識與預測水平來改進空間天氣服務。《戰略》認為，提高對空間天氣的基本認識仍有很大潛力，并要求進一步提高對空間天氣觀測與預報（相關產品與服務）的準確性、可靠性與適時性。基礎科學與觀測將有助于建模能力的提升，并改進空間天氣產品與服務的質量。同時，也需要研發最新的科學技術，并提高將其運用到空間天氣運行中心的能力。

目標5的具體行動計劃包括以下幾個領域：一是提高用戶對空間天氣預報要求的認識，建立前導時間與準確性標準；二是確保空間天氣產品易懂，并可用于決策制定；三是建立和維持空間天氣活動的基礎觀測能力；四是改進預報的前置時間與準確性；五是提高對空間天氣重要性認識，推動開發和不斷改進預測模型；六是提高從研究向運用轉化過程的有效性與時效性。

目標6：加強國際合作。《戰略》提出，針對空間天氣事件的危害，必須在世界范圍內采取相互依賴、全球應對與國際上協調響應的措施。美國不僅要成為全球應對空間天氣影響的主力軍，而且還要通過現有國際協議和建立新的國際協議與政策進行廣泛動員以獲得全球支持。

目標6的具體行動計劃包括：一是將空間天氣作為全球性挑戰，建立國際協議與政策；二是與國際團體在觀測基礎設施、數據共享、數字建模與科學研究領域開展合作；三是強化在空間天氣產品與服務領域的國際協調與合作；四是改進應對極端空間天氣事件的國際合作途徑。

二、美國應對空間天氣事件的主要動向

美國是對空間進行探索、開發與利用最早，也是目前規模最大的國家。其對空間天氣的監視、研究、預測、風險規避與危害防護，在人力與財力投入上規模較大，在研究水平和避險技術等方面處于世界前列。此次發布《戰略》與相配套的《行動計劃》，旨在國家戰略層面提高對空間天氣危害的認識，進一步采取強有力措施推動基礎研究，觀測網絡建設，形成全國聯動防護體系，切實提升國家應對極端空間天氣災害與關鍵基礎設施恢復能力。

1．將應對空間天氣事件災害提升到國家安全戰略地位

長期以來，美國政府都將防災減災作為政府履行管理職能的重要內容，調動各類機構積極投入，并利用不斷發展的現代科學技術，增強國家在預防與抵抗自然災害方面的能力。

美國政府認為，空間天氣事件對信息化社會和航天資產帶來的危害，將可能對美國經濟社會和國家安全產生災難性影響。《國家空間天氣戰略》就是為應對極端空間天氣事件而制定的戰略性指導文件。早在2011年3月30日和2013年2月12日，奧巴馬政府先后發布了“國家應對”總統政策指令（PPD-8）和“關鍵基礎設施安全與恢復”總統政策指令（PPD-21）。

“國家應對”總統政策指令要求建立一體化、基于國家整體能力的體系，并制定一系列“國家計劃框架”以應對所有災害。根據這一要求，國土安全部協調相關部門制定了“國家風險評估戰略”，其中空間天氣被確認為九個對國家安全有著潛在重要影響的自然災害之一。“關鍵基礎設施安全與恢復”總統政策指令確認了3個戰略應急領域，要求聯邦政府采取措施增強關鍵基礎設施安全與恢復能力。該指令強調，能源與通信系統是確保關鍵基礎設施功能的重中之重，要求聯邦政府調動國內工業界與國際合作者共同采取措施，提高國家賴以生存的關鍵基礎設施的安全與恢復能力。

2．由強權部門協調國家主要機構聯合應對

《戰略》與《行動計劃》由“空間天氣運行、研究與減緩”任務小組研究擬制，總統“科學技術政策辦公室”審定發布。2014年11月，“國家科學技術委員會”組建了跨部門“空間天氣觀測、研究與減緩”任務小組，參加該小組的成員單位包括商務部、國土安全部、國防部等8個政府行政部門，以及聯邦航空管理局、聯邦通信委員會、國家情報局長辦公室與空軍等13個職能業務部門與服務機構，國家安全委員會、管理與預算辦公室、科學技術政策辦公室與白宮軍事辦公室等4個總統執行機構也參加了該項研究工作。

這兩份文件特別強調，《戰略》與《行動計劃》超越了一個部門或單獨領域的任務，是整個聯邦政府協調應對空間天氣事件，要求聯邦政府調動各級政府機構、公共部門、私營企業和學術界共同應對。兩份文件協調配套，《戰略》提出了國家應對空間天氣事件的頂層目標，《行動計劃》細化了每個目標涉及的任務領域和要完成的具體任務與時間要求，并明確了每項具體任務涉及的聯邦政府部門及該部門在此項任務中的具體職責。

《戰略》還提出由總統執行辦公室協調和監督政府各部門在《行動計劃》中所承擔任務的落實情況，并每3年或根據需要對《戰略》與《行動計劃》進行重新評估與更新。總的來看，兩份文件將國家應對空間天氣事件的整體目標與聯邦政府各部門的具體任務有機結合，是一份操作性很強的戰略指導文件。

3．著力提升空間天氣預報的服務水平與能力

針對極端空間天氣事件及可能對人員和財產造成的災害，《戰略》確立了“建立空間天氣事件基準”與“通過提高認識與預測水平改進空間天氣服務”的兩個戰略目標。空間天氣基準描述了極端空間天氣事件的特征與強度，為提高空間天氣影響認識提供了參考數據，是建立工程標準、開展脆弱性評估、識別風險、采取行動措施與制定高效減緩影響的基礎。因此，要基于現有科學認識與歷史記錄，對空間天氣事件制定清晰的、連續的描述標準。

同時，《行動計劃》強調提供準確、可理解與及時的空間天氣信息，能夠有效降低國家關鍵基礎設施的脆弱性。因此，認識、預測和管理極端空間天氣事件，面臨的挑戰就是要不斷加強觀測、建模與預報工作。觀測是提高預報與預警能力的基礎，為實施強大的空間天氣觀測計劃，美國提出了6項觀測任務；強調要加強應用與基礎研究，應用研究要進一步聚焦服務技術開發，基礎研究要著重于探索太陽及太陽與地球關系的動態變化，從而在根本上提高空間天氣服務水平；及時、準確制作空間天氣信息產品，為應急管理人員、第一響應人員、政府官員、企業和公眾快速靈活制定應對措施提供支持。

在提高空間天氣服務能力戰略目標下，《行動計劃》對所涉及的6個領域確定了24項具體的工作任務。強調這些工作任務必須緊密協作，相互支持，通過聯邦政府、私營企業、工業與學術界等各方的通力合作，以形成有效滿足不斷增長的對空間天氣信息與服務的需求。可見，《戰略》與《行動計劃》的重心仍是加強對太陽物理特性的觀測研究，提高對空間天氣動態變化特征的認識，形成有效滿足關鍵基礎設施規避極端空間天氣事件影響要求的信息產品與服務能力。

4．大力加強應對空間天氣事件的國際合作

美國政府認為，空間天氣事件將給全球帶來安全威脅，應引起世界各國共同關注。空間天氣事件影響不會受到國界的限制，且對全球眾多領域帶來潛在災難，需要各國共同應對這一全球挑戰。因此，美國在應對空間天氣事件影響時，必須加強與國際社會的合作。

長期以來，空間天氣領域許多重要的國際倡議正在按部就班進行著，美國既是這些國際倡議的提出者，又是參與者。《戰略》與《行動計劃》提出，要根據現有總統指令授權與國際協議，推動現有倡議的繼續實施，并鼓勵加強與其它國家的合作。在此基礎上，美國還考慮通過國際協商提出新的倡議，以進一步增強對空間天氣事件危害的認識。同時，“行動計劃”強調要強化美國在與國際團體合作中的統一性，形成在空間天氣事件過程中增進安全和經濟穩定的雙邊與多邊合作機制。

根據《行動計劃》確定的具體任務來看，國際合作的內容重點主要集中在“觀測基本設施使用、數據共享、數字建模與科學研究”與“空間天氣產品與服務”等領域。《行動計劃》為這兩個領域確定了12項具體任務，目的是提高使用政府、民用與商用空間天氣觀測基本設施與數據共享效益，及時提供高質量的空間天氣信息產品與服務，為聯合應對極端空間天氣事件影響奠定基礎。

三、思考與建議

空間天氣事件給國家安全穩定與經濟社會發展帶來的危害，已經成為當前必須高度重視的一種自然災害現象。針對我國國家關鍵基礎設施防護措施有限、空間資產大量增加的情況，如何應對極端空間天氣影響既是各級政府的職責，也是學術界和各社會團體的基本義務，必須做到未雨綢繆。

一是加強空間天氣事件知識普及，提高對其潛在危害性的認識。我國對空間天氣事件觀測、預報、產品制作與服務起步較晚，目前仍局限在部分業務領域，主要集中在對空間資產的影響及防護。我國關鍵基礎設施規模大、技術落后、防護措施不到位，大部分國家關鍵基礎設施管理與運行系統對空間天氣事件影響缺乏基本認識。因此，首先應大力推進空間天氣事件及影響知識的普及，提高對極端空間天氣事件影響危害的認識。特別是空間天氣業務部門與專業學術團體，需要進一步加大有關太陽、太陽與地球空間、空間天氣事件、空間環境及影響等知識普及產品制作，分層次按不同受眾需求進行傳播。同時，根據現代信息傳播手段的特點，制作形式多樣且容易被受眾接受的信息產品。鼓勵專家學者到一些國家關鍵基礎設施研制、管理、運行維護單位開展學術講座，并從專業角度共同探討防護與緊急應對等方面的措施。

二是加強與國家相關部門溝通協調，逐步建立預警聯防機制。目前，我國構建有“國家減災委員會”、各級政府“應急響應辦公室”和具有業務職能的防災減災辦公室，以及各職能部門的應急響應與防護措施實施機構，并設有以“國家減災網”和“防災減災日”為代表的宣傳平臺與窗口。客觀來看，我國的防災減災目標主要以應對地球上的自然災害，災害發生后的救助與重建，像極端空間天氣事件的潛在災難性影響，還沒有引起應有重視。信息化時代經濟社會發展與社會穩定對電力供應、通信系統和空間資產依賴越來越重，需要對國計民生有重要支撐作用的關鍵基礎設施采取應急防護措施，規避空間天氣事件帶來的嚴重影響。因此，建議從事空間天氣研究的專業機構，與“國家減災委員會”等職能部門加強聯系與溝通，逐步將空間天氣事件影響納入防災減災體系，建立信息預報與預警通道，并通過適時舉行災害防護演練等形式，提高應急響應聯合防護與災后快速恢復能力。

三是大力構建空間環境研究與觀測網，提高空間天氣產品服務水平。空間天氣變化與太陽活動直接相關，既有一定的變化特征和規律，又有很大隨機性與突發性。因此，空間天氣事件預報和預警必須建立在持續太陽觀測，以及長期歷史積累資料分析研究基礎上。首先，要建立以地面觀測系統為主，地面與空間觀測相結合的太陽觀測網，進一步做好觀測數據積累、處理與應用工作。其次，要加強基礎研究，針對太陽活動變化的規律及對地球空間環境影響的特征，研究制定相應的標準體系。第三，不斷提高空間天氣信息產品制作與服務水平，疏通信息產品提交服務渠道，增強極端空間天氣事件的預報預警能力。

四是積極參加國際空間環境領域合作，不斷提升應對空間天氣能力。空間天氣事件影響作為一種全球安全威脅，受到越來越多國家政府的重視，正在成為各國政府聯合應對的全球挑戰。長期以來，由國際機構聯合開展的太陽觀測、研究等活動，在空間環境研究、空間天氣事件預測等方面發揮了積極作用。我國作為一個世界性大國，在空間研究開發利用等方面有能力和義務走在前列。在積極參加空間天氣與空間環境觀測研究領域國際合作的同時，也有責任牽頭和倡導國際合作的項目，吸引國際空間天氣研究領域高端人才，共享國際團隊研究成果，為政府儲備相應能力夯實基礎。