空間天氣預報在中國

文/ 李會超

新中國成立后，在趙九章等老一輩科學家的組織領導下，我國從上世紀五十年代就開始了太陽風、磁層物理等與空間天氣有關現象的研究。1957年，我國參與到了第一次國際物理年的全球聯合觀測中，建立了一批地磁臺、宇宙線臺等觀測臺站，奠定了我國空間天氣與空間物理觀測的基礎。近年來，隨著我國綜合國力的提升和科技事業的整體發展，空間天氣領域的基礎研究與業務應用也取得了長足的進步。本文謹選取我國空間天氣事業中的一些標志性成就予以介紹，希望能夠使讀者對我國空間天氣事業的發展有一個概略的認識。

子午工程構建空間天氣監測網

1993年，中科院魏奉思院士在起草《中國空間發展戰略規劃建議書》時，率先提出了建立空間天氣監測子午鏈的科學構想。在這個構想中，分布在東經120度子午線、北緯30度緯度線上的若干空間天氣觀測臺站，將綜合運用地磁（電）、無線電、光學和探空火箭等多種手段，連續對于空間天氣有關的圈層進行聯合探測，形成一個大型空間環境地基監測系統。

▲子午工程甚高頻雷達

由于空間天氣現象的“因”是太陽活動，“果”是地球附近各圈層的空間環境變化，因此與空間天氣相關的地球各圈層的狀態在地球朝向太陽的一側（日側）和背離太陽的一側（夜側）有較大的不同。以地球磁層為例，在日側，磁力線被太陽風壓縮，形成磁層頂。而在夜側，磁力線則被太陽風向外拖拽，形成長長的磁尾。在磁暴發生的過程中，磁層頂的磁重聯和磁尾的磁重聯是太陽風暴能量進入地球系統相繼發生的關鍵過程，但這兩個過程的發生的位置和產生的效應，則有著比較大的差異。利用地球的自轉，部署在子午線上的臺站能夠對日側和夜側的空間天氣現象進行全球掃描，從而使科學家們了解地球附近空間天氣有關現象的全球時空變化。

在項目設想提出早期，子午工程受到了科學界一部分人的非議，認為這個設想是天方夜譚，根本不可能實現。然而，在魏奉思院士和有關科學家的不懈努力下，子午工程由國家批準立項，并于2008年1月正式開工建設。這個工程由中科院牽頭，打破了部門間的藩籬，由七個部委所屬的十二家單位共同建設并運行。2012年，工程竣工并通過國家驗收。除了在15個觀測站部署了87臺觀測設備外，子午工程的數據與通信系統將這些臺站真正連接成了一個整體，觀測臺站獲取的科學數據能夠自動化的匯集、處理并在互聯網上發布。而研究與預報系統則將觀測數據的科學產出與預報效益最大化。

▲子午工程一期臺網

▲國家空間天氣監測預警中心發布的空間天氣預報

▲子午工程二期臺網布置圖

2018年1月，子午工程二期正式獲得立項，二期工程將在一期工程的基礎上，在東經100度、北緯40度附近布置監測臺站，并對原有監測臺站進行升級、加密，形成兩縱兩橫的“井”字形空間天氣監測網絡，通過從太陽大氣到近地空間全鏈條、全國覆蓋、高時空分辨的監測，描繪空間天氣事件的傳播、演化和影響我國空間環境的路徑。

以子午工程建設為契機，中國科學家還提出了國際子午圈計劃，通過國際合作實現協調全球空間天氣聯測及共同研究，推動國際空間研究的發展，促進我國和平利用外層空間，實質性地提升我國的科技創新能力和中國對人類科學發展的貢獻度。

“雙星計劃”

地球磁層是太陽風暴所攜帶的能量進入地球系統的媒介，地磁暴這一地球磁層的劇烈變化會引發一系列的空間天氣效應，因而對地球磁層中發生的物理過程的研究，對于空間天氣科學的發展有著重要意義。上世紀80年代，中科院劉振興院士提出了關于磁層中磁場重聯現象的一個新理論，引起了國際學術界的廣泛關注。此時，恰逢歐空局準備實施進行磁層探測的“星簇”（Cluster）衛星計劃。為了使Cluster的科學產出最大化，歐空局廣邀各國同行一同提出利用“星簇”數據進行研究的計劃。劉振興院士團隊的計劃書以其獨特新穎的思路而被歐空局的同行們看中。

▲子午工程通過國家驗收

▲雙星計劃的兩顆衛星

然而，阿里安火箭首飛失利，星簇計劃首次發射以失敗告終，但這并沒有動搖歐空局繼續實施這一計劃的決心。同時，劉院士也發現星簇計劃和當時國際上的其他衛星計劃對地球磁層的探測存在盲區，如果能在環繞地球極區和赤道的軌道上各布置一顆衛星，則將能夠更全面的探測磁層的變化。這個想法得到了歐洲同行的支持，決定與中國科學家的衛星計劃開展聯合探測。由于劉院士的探測設想由兩顆衛星實現，因此這個衛星項目被稱為“雙星計劃”。在兩顆衛星分別于2003和2004年發射后，雙星計劃也成為我國首個純科學目的的航天項目。組成雙星計劃的兩顆衛星“探測一號”“探測二號”由中歐合作研制，中方負責衛星平臺和部分科學載荷，歐方負責另一部分科學載荷，并在衛星研制過程中的一些關鍵技術問題上提供幫助。衛星由中國火箭發射，歐空局提供測控支持。與此同時，重新制造的四顆星簇衛星也被成功發射升空，雙星和星簇的探測按照雙方科學家的設想緊密配合，形成了“雙星-星簇”計劃，完成了人類歷史上第一次對地球空間的六點探測，并因其取得的豐碩成果而獲得國際宇航科學院“2010年度杰出團隊成就獎”。

▲SMILE衛星的運行位置

“雙星-星簇”計劃的成功給中歐空間合作打下了良好的基礎。在空間科學領域，中國和歐洲的科學家又提出了對地球磁層進行全景式成像觀測的“微笑”（SMILE）衛星計劃。中國科學院和歐空局分別于2016年和2019年批準了“微笑”計劃，衛星于2019年3月正式進入工程研制階段。

預報平臺不斷發展完善

當我們每天準備上班上學時，一般都會通過手機、電視等渠道查看當天的天氣預報，決定穿衣的多少。如果收到暴雨、大風等天氣預警，則會在之后的活動中留心防范。而對于航天、通信、供電、民航等部門，也需要及時準確的空間天氣預警和預報，來有效應對可能的空間天氣效應。

目前，中國氣象局和中國科學院所屬的有關單位，都在開展空間天氣的監測預警與預報工作。他們將衛星和地面臺站的原始觀測數據匯總后進行分析，形成空間天氣各圈層關鍵物理參數的監測產品，使我們能夠掌握當前的空間天氣狀況。同時，基于當前數據和歷史數據，相關工作人員還會借助自身經驗或數值模型，對空間天氣的關鍵要素作出長期、中期和短期的預報。在載人航天飛行、探月飛行等重大任務進行期間，他們會針對任務情況開展定制化的加密預報。此外，他們針對用戶的實際需求，不斷開發新的預報產品，將空間天氣的探測與預報數據加工為用戶能夠直觀理解、直接使用的預報信息。例如，中國氣象局所屬的國家空間天氣監測預警中心，曾經利用“風云三號”的高能粒子探測資料，準確預報了航天員安全的出艙起始時間。而利用電離層的有關監測與預報數據，能夠為探月任務的測控提供支持。他們甚至還為信鴿協會量身定制了“信鴿飛行指數”，在地磁活動比較強烈的時期提示鴿協不要進行放飛活動，以免讓需要地磁場來確定飛行方向的信鴿迷路。