重新認識太陽（六） 未來的天氣預報：空間天氣預報

◆韓大洋

“我們的征途是星辰大海”，這是面對未知且浩瀚的宇宙時，人類發自內心深處的呼喊，更是努力前進的方向。隨著人類進入太空時代，越來越多空間活動得以開展，新的問題不斷出現。經過近幾十年的高速發展，在面對太陽爆發活動帶來的巨大影響時，人類已經從最初的不知所措變得應對自如了。

一起看太陽“直播”

空間天氣預報就是通過預判太陽可能出現的活動，從而對地球周圍的空間環境變化進行預測。與傳統的天氣預報一樣，要想預測太陽活動，首先要解決的就是“看得見”的問題。

為此，人們想到了望遠鏡，通過架設在地面臺站的大口徑望遠鏡，對太陽的光球、色球層進行觀測，從而獲取太陽黑子活動區、磁場形態結構、太陽射電強度等關鍵信息。位于山東省石島氣象臺的空間天氣太陽監測站，分別架設了太陽光球色球望遠鏡與太陽射電望遠鏡，它們協同工作，共同為預報員提供監測資料。

圖1 圓環陣太陽射電成像望遠鏡（圖/中國科學院國家空間科學中心 供）

但在地球自轉的影響下，單個臺站只能在一段時間內對太陽進行監測，隨著太陽的西落，監測工作就會暫停。為了滿足業務需要，提供盡量長的監測時間，在石島氣象臺西邊約3500 千米的新疆溫泉縣氣象局，也建立了太陽監測站，將太陽的監測時間延長了約3 個小時。

盡管如此，望遠鏡在地面開展太陽監測仍然會受到天氣、大氣視寧度等眾多條件的限制，于是，科學家想到了利用衛星。2021 年7 月5 日，我國第二代極軌氣象衛星風云三號E 星成功發射，它攜帶的X射線與極紫外波段太陽望遠鏡按計劃順利開機，并成功拍攝了我國首幅太空中太陽的圖像，一方面填補了我國空間太陽監測的空白，同時也解決了以往關鍵資料數據“卡脖子”的問題。

現在，國家空間天氣監測預警中心的預報員每天都要使用風云三號E 星拍攝的太陽極紫外圖像，以掌握太陽黑子活動區、冕洞區域的最新動向，甚至包括耀斑的爆發過程。通過對太陽不間斷地觀測，再對分鐘級的圖像資料進行加工處理，就可以制作出太陽活動的視頻，當通過數據系統查看太陽監測視頻時，就如同是觀看太陽“直播”一般。

摸清太陽“脾氣”，把脈空間天氣

與地面大氣活動不同，空間天氣幾乎都是看不見又摸不著的，就像《西游記》中孫悟空懸絲診脈一般，需要在變化莫測的空間環境中尋找現象背后的本質。然而，獲取太陽的活動圖像只是第一步，還需要借助科學的預報方法。

圖2 空間天氣態勢圖（圖/國家空間天氣監測預警中心 供）

太陽活動的爆發位置、活動類型、傳播特點以及影響效應不同，預報、預警也會有所側重，對于發生即“命中”地球的耀斑，預報顯得至關重要。在一個以11 年為周期的太陽活動周里，存在太陽活動的低谷期，此時黑子數量少，甚至一個黑子都看不到，這對以黑子能量為爆發基礎的耀斑而言就是釜底抽薪，預報員會通過黑子數量從宏觀角度整體判斷耀斑發生的可能性。而在太陽活動頻發的峰值年，黑子數量多、面積大，此時就要針對太陽黑子的外形、面積、內部磁場結構與類型的連續變化，判斷其內部磁場能量積蓄的情況，從而預判耀斑活動發生的可能性。

對于日冕物質拋射活動，在監測到其爆發后，它能否到達地球、何時到達以及能夠產生多大的影響成為預報的重點。日冕物質拋射的爆發位置很重要，當它出現在背對地球一面時可以不用擔心，反之，就要根據其噴發強度、角度、速度等關鍵參數，以及是否結合其他活動比如冕洞高速太陽風，對可能造成的影響做出判斷。極端情況下，甚至會發生連續多次日冕物質拋射“重疊”轟擊地球的事件，如此一來，遭遇一場大地磁暴甚至是特大地磁暴就在所難免了。這些預報方法屬于經驗預報，通過歷史數據比對、監測資料分析、會商研判，最終做出判斷的是預報員本身。

圖3 太陽爆發活動前磁繩結構的形成（圖/中國科學技術大學 供）

現在，空間天氣預報業務即將進入數值預報階段。以觀測數據和科學理論為基礎，通過太陽表面物理參數預測爆發發生的概率、通過數值模型計算太陽風參數等方法在不斷發展，我國的第一代空間天氣“全鏈路”數值預報業務系統正在建設之中。

空間天氣預報關系你我

現如今，以航天領域為例，空間天氣預報已經服務于發射窗口選擇、航天器在軌運行、航天員出艙、載人飛船返回等任務，幾乎陪伴在每一次航天任務保障周期。

國家空間天氣監測預警中心是世界民航組織四大全球空間天氣中心之一，已完成7 次14 天×24 小時的當值挑戰，向世界民航組織發布7 類咨詢預報服務。內容涉及短波吸收、最大可用頻率下降、極光吸收等領域，為每天在世界不同航線上的近11 萬架次航班以及千萬名乘客提供空間天氣服務。

從交通出行到維持社會基礎的能源供給，從衛星導航定位到信鴿千里歸巢，甚至是來一場說走就走的極光之旅……未來，越來越多的人類活動都離不開空間天氣預報和服務的助力。

從上古時期的太陽崇拜到神話傳說與宗教崇拜，從兩千年前的《漢書·五行志》，再到現在同學們手中的《發明與創新》“重新認識太陽”系列科普文章，人類在短短數千年間，實現了對太陽認知的跨越，從前困擾人類數百年的科學難題已經成為同學間討論的有趣科普故事。但我們對太陽仍要心存敬意，無論是在科學還是科幻層面上，太陽都將是人類永恒的研究對象與靈感源泉，所有的關于人類和宇宙的秘密，都隱藏在這顆溫暖我們的母星中，等待著你們繼續探索！“重新認識太陽”系列暫時要與大家道一聲再見了。

我是你們的大洋老師，期待與你們再次見面！