[科普中国]-空间天气预报

日常生活中，我们每天都会接触到不同的天气情况。通常所讲的天气实际上是指地球大气层的气候，一般包括阴睛、降水(雨、雪等)、冷暖、干湿和风向、风级等指标。但是在宇宙空间，天气状况及其指标则与地球天气几乎完全不同。例如，空间天气所指的风是太阳风，它是一种来自太阳表面的高速运动的等离子体流；空间天气中的“雨”是来自太阳的带电粒子流；另外，空间天气没有“冷暧”之分，只有太阳的紫外线和X射线辐射的变化。

空间天气和地球天气都有好、差、劣之分，但含义又完全不同。在地球天气中，晴朗、温度和湿度适中、有些微风一般被视作理想的好天气。而在宇宙空间，“好”天气是指太阳、星际空间磁层、电离层、高层大气处于平静的状态，有利于运载火箭正常发射、卫星正常运行等，如果出现强的日冕抛射、高速太阳风、磁暴、电离层的骚扰，则属于典型的恶劣空间天气了。可见，空间天气主要是指太阳表面太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态和变化。

恶劣的空间天气会引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的损害，甚至造成瞬间崩溃，所以需要尽可能进行预报并及时避免。空间天气预报的主要内容：一是太阳活动，如太阳黑子数、耀斑、高速太阳风等；二是行星际空间天气，如太阳风状态、行星际磁场的大小和方向等；三是地球空间天气，如磁暴、高能电子暴、地磁
　　活动、极光现象、电离层闪烁等。

即便是我们日常生活中的天气预报，也难以做到百分之百的准确，所以进行空间天气预报就更不容易了。空间天气预报最基本的方法有：经验预报法，即以统计关系和经验为主的传统预报方法；人工神经网络法，通过模拟神经系统对外界的反应过程来预测空间天气；物理方法，即通过建立被预报内容的变化动态模式来进行预测。

空间天气预报的具体作用体现在以下几个方面：

假如把太阳比喻成一个原子弹，那么在它周边所有的行星也好，物体也好，每时每刻都会遭到高能粒子放射性的辐射。当然，我们的飞船船舱和航天员的宇航服是有抗辐射能力的，但是太阳活动活跃的时候，高能辐射要比不活跃时高好儿个数量级。因此选择太阳活动较弱的情况下发射航天器对航天员，特别是对进行太空行走的航天员是最好的保护。2004年，美国国际空间站的航天员在一次准备出舱作业时，得知太阳活动频繁，就取消了计划。此外，较小的高能辐射对于飞船等设备也是一种有效的保护。

太阳喷出的粒子流形成一种像风的流体，被称为“太阳风”。太阳风把地球磁场吹成像一滴水一样，水滴冲着太阳，尾巴很长——这就是地球磁场形状。通常情况下，地球磁场在太阳磁场和其他太阳能量作用下，保持着相对平静的状态。但是太阳如果爆发，地球磁场会被干扰而紊乱，这时候地球磁场就会发生大的变化。航天器在这样变化的磁场中，其姿态也会受到影响，导致运动方向、角度姿态等问题出现。所以选择太阳比较平静，地磁场变化较小的时候进行飞船发射是相当必要的。

通常大家认为太空是真空的，其实只有到达一定高度以上才能称为真空。大气一直延伸到几百千米以上，高度越高，密度越低。而实际上在六七百千米以下的高度，大气对于航天器都是有影响的。“神舟七号”的飞行高度是314千米，在这样的高度下，大气是会产生一定阻力的。由于阻力作用，轨道每天都会下降几米到几十米，所以在设计中飞船每过一段时间都必须进行维护。而一次大的太阳活动会使大气密度聚集上升几个数量级，这样飞船受到的阻力也有几个数量级的增加，这就导致飞船轨道下降速度加快，而原本设计的每天维护的高度不能满足这个变化。美围的国际空间站，有一次遭遇这种空问变化以后，每天下降300米，以至于不得不专门发射一个飞船上去补充飞船燃料。

飞船要上传、下传数据，执行软件程序，包括航天员与地面的联系，都离不开通讯。磁暴、电离层暴等都会影响电磁波的波动和传播方向，从而导致通讯不畅或中断。因此一个稳定的传播介质是通讯正常的重要保障。2

针对载人航天任务特点及对空间天气保障的需求，空间天气预报有5个方面的关键技术。

太阳质子事件指在地球轨道附件能量大于10MeV、质子流量超过10cm2/(s·sr)的事件，是太阳高能粒子事件的一种，也是太阳宇宙线的重要成分，通常伴随太阳大耀斑出现。按照质子能量大小，太阳质子事件分为两类，能量大于500MeV的称为相对论事件，小于500MeV的非相对论事件；按照质子流量的峰值大小，太阳质子事件又分为弱(峰值流量小于100cm2/(s·sr))、中等（介于两者直接）和强(峰值流量大于1000cm2/(s·sr))太阳质子事件。在强太阳质子事件中，质子瞬时最大强度可超过正常银河宇宙线3～4个数量级，当这种高能质子到达地球附件并轰击卫星时，可导致星载仪器设备工作性能的严重损害；同时，太阳质子事件对载人航天活动存在很大危害，特别是对出舱执行任务的航天员，因为当人体受到的辐射剂量超过300~ 500tera( 1tera=100erg/g)时，就有致命的危险，而一次强质子事件的辐射剂量，在1 g/cm2的防护层下可达1000tera以上。

作为灾害性空间天气的“源”，对太阳质子事件的预报是高影响天气专项保障的基础。在太阳质子事件预报保障中，首先依据太阳黑子群特征、冕洞的重现性等，预报太阳耀斑爆发概率和日冕物质抛射发生概率，进而根据黑子群所处太阳表面上的位置，预报太阳质子事件发生概率。主要提供一个月、一周以及一天的太阳质子事件发生概率预报。

对太阳质子事件的预报首要考虑的是太阳耀斑爆发。太阳耀斑爆发时，从耀斑区域辐射出大量的高能带电粒子，或者伴随日冕物质抛射辐射出大量的高能粒子，如果这些高能粒子的运动方向朝向地球，那么在耀斑爆发或日冕物质抛射爆发后不到1小时，地球轨道附近就可观测到高能质子通量的突然增加。与太阳耀斑相关的太阳质子事件常常是在耀斑发生几十分钟后开始的，很短时间内质子通量就可以达到最大值。还有一些太阳质子事件与太阳耀斑爆发无关，而是由日冕物质抛射事件(CME)引发，虽然此类事件中有的质子通量激增的时间较短，但也有些质子事件峰值通量较高，而且因其突发性，对出舱航天员的威胁很大。观测和研究发现，太阳质子事件发生后，一般会发生大地磁暴，受到地磁暴影响的磁层带电粒子分布会发生重大变化，而大的地磁暴几乎总是伴有电离层暴。因此太阳耀斑爆发是预报预警太阳质子事件及地磁暴、电离层暴等空间天气事件的先兆。

在外空间，对航天员威胁最大的是空间辐射，尤其对于出舱活动的航天员。

因此，在空间辐射的保障中，需要选择辐射通量较低的空间，避开低轨道航天器都要遭遇的辐射通量较高的辐射带（南大西洋）异常区；同时，还要选择没有太阳爆发活动的时段；这些都需要准确的辐射环境预报，其中最重要的是航天员出舱时机的辐射剂量预报。

通过对航天员辐射剂量的定量计算，为选择航天员出舱时机提供保障。航天员辐射剂量定量预报的计算，首先根据卫星实测的辐射环境分布，实时推算并预报飞船轨道上辐射带异常区的高能粒子通量；进而根据飞船和航天服的结构，推算舱内和航天服内部的高能粒子环境；最后计算和预测航天员遭受的辐射剂量，计算航天员重要器官中的吸收剂量，并评估可能对航天员健康导致的影响。在航天员出舱期间实时分析航天员可能遭受的辐射损伤，为出舱活动提供实时辐射安全保障。

通过计算飞船轨道高度上的粒子分布区域，详细分析如下辐射环境信息：

(1)飞船所在位置不同能段的粒子通量；

(2)飞船当前所受辐射通量；

(3)飞船是否处于南大西洋异常区中；

(4)未来一段时间内舱内航天员的晶状体和造血器官所受辐射和吸收剂量；

(5)航天员出舱是否安全；

(6)当天飞船进出辐射带的时间及所受最大辐射通量预报；

其中，针对航天员出舱活动这一保障关键节点，需研发辐射带异常区环境推算模式、太阳高能粒子分布模式、卫星三维屏蔽快速分析模式、高能粒子传输模式、总剂量计算模式、吸收剂量告警模式等，对航天员在舱内和舱外所遭受的辐射剂量、吸收剂量进行精确的定量计算。在设定航天员辐射标准时，主要计算航天员未来一段时间内（时间段长度主要由出舱活动持续的时间确定）晶状体和造血器官所遭受的辐射剂量和吸收剂量，然后参考国际辐射医学标准，对可能造成危害的剂量进行告警；并通过对辐射剂量和吸收剂量的预报及时更新，从空间辐射安全的角度进行探讨，对航天员每日可出舱窗口时间做出定量预报。电离层扰动预报

主要包括对突然电离层骚扰(SID)和电离层暴的预报。

突然电离层骚扰 SID)预报是针对测控通信条件而进行的，由于突然电离层骚扰由太阳耀斑引起，因此其预报主要基于对太阳活动的预报结果而开展。

电离层暴通常指发生在电离层F层的全球扰动事件，目前对其预报主要包括：

(1)月出现概率预报。主要基于一部分地磁暴存在有大约27天的重现性，而大的地磁暴通常会引起电离层暴的统计规律，因此可提前约1个月预测该类电离层暴出现概率。

(2)提前2~3天电离层暴出现概率、影响效应的预报。

(3)地磁暴发生后半日至数日，电离层暴特征的短期预报和实时预警。

由于所有的地球低轨道飞行器( LEO)都运行在地球高层大气范围内，高层大气密度的扰动造成飞行器迎风阻力的变化，对其轨道及寿命有显著影响。太阳剧烈活动期间，会引起大气温度和成分的综合效应，进而导致高层大气密度发生数量级的变化。此外在大地磁暴期间，通过高能带电粒子沉降引起的动力学加热和源于磁层的电场耗散引起的焦耳加热，会造成大气极盖区和极光带高层大气强增温，并驱动大尺度风体系，通过风场进行热传输，形成全球范围的高层大气温度增加，进而在短时间内引起高层大气密度和成分的剧烈扰动。

对飞行器而言，高层大气密度增大的直接影响是导致其风阻呈指数量级增加。神舟飞船的轨道高度为350km左右，这里的大气密度大约是风云三号A星高度( 870km)上的3000倍，因而大气密度变化对飞船的影响要比卫星大得多，尤其在有大地磁暴的情况下，飞船轨道可能会发生突降，导致跟踪系统丢失目标等严重后果。

以空间站为代表的载人航天轨道航天器，轨道预报精度主要受大气阻力的影响，而大气密度模型不准确是影响轨道预报精度的首要误差源。我国自1992年启动载人航天这一重大工程以来，测定轨中一直使用的是国外公开发布的大气密度模型，有的模型公布的时间已超过三十年。这些模型的误差在平静期始终保持在15 010左右，磁暴期甚至超过100%。在太阳活动相对平静的背景下，目前我国近地轨道航天器轨道预报精度满足工程要求。但是，空间交会对接及载人航天空间站对测定轨精度提出了更高要求，而这些空间活动的时间可能会与太阳活动峰值年份相遇，相对于目前国际领先的定轨精度水平，提高载人航天轨道的大气密度模型精度成为提高轨道预报精度的关键科学问题。因此，逐步建立载人航天空域高精度大气密度模型是空间天气保障技术的关键一环。

载人航天和空间碎片问题有着密切的关系，是空间碎片研究的主要推动力之一。航天员作为载人航天活动的灵魂，也受到了空间碎片的威胁。速度仅为10km/s的0.5mm大小的碎片就可以穿透标准的航天服，造成人员伤亡，是出舱活动的重要威胁。

对空间碎片的预报，是根据飞行体的轨道运动理论，综合碎片探测数据可建立碎片模式，用以计算碎片通量和密度的分布，及其与航天器碰撞的概率，预报碎片的轨道及寿命。3

成立于1996年的国际空间环境服务组织( ISES)是最早开展空间天气业务的全球性非官方机构，其前身是国际无线电计划和世界日服务组织。1962年，由国际无线电科学联盟计划(IU)和世界日服务组织(WDS)合并成立了IUWDS。其中国际无线电科学联盟计划(IU)早在1928年就发起了电离层探测数据的国际快速交换服务。世界日服务组织( WDS)作为国际地球物理年计划的组成部分成立于1959年。

国际空间环境服务组织的使命是，鼓励并促进国际近实时空间环境监测和预报，以便降低或减缓空间天气对人类活动的危害。

国际空间环境服务组织总部设在美国，下辖多个区域预警中心( RWC)，如北京、莫斯科、新德里、渥太华、悉尼、东京等。各区域中心通过数据交换形成了一个全球性的网络，提高了空间灾害性天气的警报预报水平。服务功能较为完备的主要是美国的空间天气预报中心( SWPC)、澳大利亚和日本的警报中心。各中心对获得的数据进行系统整理，建立起各具特色的数据库，同时还利用所掌握的数据资料独立或与其他研究机构合作，进行预报方法研究和预报结果评估。研究领域涉及太阳活动、行星际空间和太阳风、地磁活动、电离层及高层大气等。该组织定期召开工作会议。

美国国家空间天气预报中心( SWPC)位于科罗拉多州的博尔德，是美国商务部( DOC)、大气和海洋局( NOAA)、国家天气服务处(NWS)下辖的9大环境预报中心之一。其前身是成立于1965年的空间环境实验室( SEL)，1995年更名为空间环境中心(SEC)，2007年10月又更名为空间天气预报中心。美国国家空间天气预报中心还是国际空间环境服务组织(ISES)的积极推动者，并且是国际空间环境服务组织的全球警报中，心，同时也是北美区域的预警中心。

基于国家现代化发展的需求，为保障国家空间开发和高技术系统安全，2002年中国国家空间天气监测预警中心挂牌成立，并启动业务试验，这标志着中国空间天气业务从科学研究逐渐走向日常社会公益服务的前台。2004年7月1日起，正式开始业务运行，向有关部门和社会公众发布产品。

国家空间天气监测预警中心是国家级、科技型、公益性业务单位，主要任务是规划中国气象局地基空间天气监测台站和天基空间天气监测布局，提出监测设备应该满足的技术指标；建立监测数据的实时收集与处理系统和空间天气数据库系统；为我国航天活动安全、地面技术系统安全以及国家安全服务，为导航、通讯、电力等应用部门服务；为科学研究部门提供科学的观测数据；开展空间天气监测、预报、服务等方面的研究工作，并进行相应的产品开发。

国家空间天气监测预警中心的组织架构和业务运作很大程度上借鉴了美国国家空间天气预报中心( SWPC)的成功经验。通过空间天气业务建设计划和行业专项建设计划，积极推动与国内相关大学和研究机构的合作。

国家空间天气监测预警中心建设的近期目标是，到2010年，完成地基太阳光球色球望远镜、厦门和喀什地基电离层垂直探测系统、酒泉中频雷达系统和珠三角电离层闪烁监测网建设；开展“风云三号”和“风云二号”后续星的空间天气监测系统建设；建立初步的信息和技术保障系统；建立包括长期预报、中期预报、短期预报、警报、现报在内的完整预报体系，根据用户的需求丰富产品类型，初步建立起空间天气服务体系。面向航天、卫星、通信、广电、电力、石油等重点部门或行业，建立空间天气专业服务平台。

除上述机构外，日本、俄罗斯、法国、澳大利亚等国家，也作为国际空间环境服务组织的区域预警中心，开展了空间天气预测预警工作，但大多依托空间物理或气象相关研究机构，没有建立专门的业务机构。

欧洲空间局( ESA)根据航天活动的需要，较早开展空间天气业务。1996年欧洲空间局就召开了专门的空间天气圆桌会议，1999至2001年开展了空间天气计划可行性研究，2000年成立了空间天气工作组( SWWT)，2003年正式制订了空间天气应用示范计划( SWAPP)，建设了专门的空间天气门户网站一欧洲空间天气网络( SWNET)。但欧洲空间局的空间天气业务建设采用商业招标方式实施，至今没有成立专业的空间天气业务机构。

中国科学院空间科学与应用研究中心、国家天文台、中国电子科技集团22研究所和中国科学院地质与地球物理研究所于1992年联合加入了国际空间环境服务组织( ISES)，成为其下属的10个区域警报中心之一，即北京区域警报中心。这些单位已积累了一些业务保障经验，制订了一些业务保障规范，形成了一定规模的业务保障队伍。

中国科学院空间科学与应用研究中心空间环境预报研究室在中国载人航天工程的支持下，率先成立了中国的业务型空间环境预报机构，开展了多年的空间环境预报和效应分析服务，为“神舟”飞船航天飞行提供了空间环境预报保障。

2003年底，中国科学院整合院属空间天气科研力量，成立了非法人单位——中国科学院空间环境研究预报中心。1

我国的空间天气预报是伴随我国人造卫星的发射而逐步发展起来的。发射第一颗人造卫星“东方红”时，中国科学院国家天文台利用太阳光球观测到的黑子资料和早期的射电观测资料发布太阳活动预报。在随后的我国卫星发射期间，太阳活动预报主要依赖国家天文台，空间环境预报则主要是由中国科学院空间科学与应用研究中心来承担的。

1992年我国开始实施载人航天计划。载人航天计划带动了我国空间天气预报和空间天气研究的发展。近几年，空间环境预报中心、国家天文台、南京大学天文系等单位相继开展了大量的研究，并取得了一系列的成果。1993年春天中国科学院空间科学与应用研究中心组建了空间环境研究室，随后在该研究室的基础上组建并成立了中国科学院空间环境预报研究中心，主要承担载人航天的空问环境预报工作。

20世纪90年代后期，中国气象局提出了开展空间天气监测预警的业务计划，2002年初设立了“空间天气监测预警示范项目”。2002年中央机构编制委员会办公室批示同意中国气象局组建国家空间天气监测预警中心。2004年7月1日，中国气象局国家空间天气监测预警中心投入业务运行，正式开始发布空间天气预报。预报的内容包括太阳活动预报、地磁活动预报、电离层预报和中高层大气预报。目前，国家空间天气监测预警中心已建立了空间天气监测预警业务流程，建立了空间天气监测预警服务系统，初步具备了根据各种空间环境探测数据监测和预警空间天气的业务能力。

近几年，国家空间天气监测预警中心正在逐步建立地基和天基空间天气观测体系和完善空间天气预警服务系统，并为多颗气象卫星的发射、鑫诺卫星的发射、神舟六号、神舟七号载人飞船从发射到返回的全程，提供了准确的空间天气监测预警服务。国家空间天气监测预警中心还开展了卫星故障分析方面的业务，并开始为我国卫星用户提供卫星故障的空间天气起因分析服务。4