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「技术·航天」空间天气预报(上)

说到天气预报,大家再熟悉不过了。不管是十几年前一家人围着电视等新闻联播播完后的天气预报,还是现在手机上查看方便及时的天气预报APP,都说明天气对人们生活的影响已深入到方方面面,人们对于天气状况非常关心。航天活动中,也是一样,在航天活动中有一类天气预报叫做空间天气预报。

空间天气预报,顾名思义,是关于空间天气的预报。那么什么是空间天气呢?根据美国《国家空间天气战略计划》的定义:空间天气指的是太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中可影响天基和地基技术系统的正常运行和可靠性,危及人类健康和生命的条件或状态。是不是有点绕?空间天气可以简单理解为,整个日地空间环境状态的变化。而空间天气预报就是对这个环境中的关键要素的监测预警预报。

大家可能会想,空间天气是整个日地空间环境的变化,我们就生活在地面上,占整个空间很小的一部分,那么空间天气对我们有什么影响吗?

虽然我们生活的范围在整个日地空间中所占的比例并不大,但是空间天气却真实影响着我们生活的方方面面。

空间天气是国家重要的基础设施安全运行的保障,和我们生活有关的很多重要的基础设施都会受到空间天气的影响。比如:通信系统、导航及定位系统、航空航天安全、地质勘探、电力石油等长距离管道系统、生物系统及其他的一些国民经济领域。

如果在灾害性空间天气事件期间,可能我们平常的通信、定位、上网、生活用电、用天然气等与日常生活息息相关的活动都会受到影响。比如,1989年3月13日凌晨,为整个魁北克省600万居民供电的蒙特利尔魁北克电力公司电网北端发生故障,全省断电事故接连发生,整个电网崩溃不到90秒。电力公司损失1000万美元,用户损失则达几千万甚至数亿美元。同时,美国新泽西州的一座核电站的巨型变压器被烧毁,北美其他电力系统也受到不同程度影响,瑞典南部和中部的5条130KV输电线路跳闸,东京电力公司变压器被毁。而整个事件起因是同月10日爆发的太阳耀斑,伴随该耀斑爆发的日冕物质抛射事件驱动的激波在13日01:27UT到达地球磁层,引发了超级磁暴,从而损坏了输电系统。

除此之外,空间天气还与国家安全息息相关。因为灾害性空间天气会影响卫星工作、通信、导弹预警系统等,在现代化信息化战场中,整体作战效能会受到严重影响。

根据日地空间区域的划分,空间天气预报可分为:太阳活动预报、行星际空间天气预报、磁层天气预报、电离层天气预报和中高层大气天气预报。完整的空间天气事件一般从太阳表面开始,在行星际空间传播演化,最后在磁层、电离层和中高层大气产生影响。

空间天气的源头是太阳,对于太阳活动的预报就显得尤为重要。对太阳活动的预报包括太阳黑子数的长期变化(特别是太阳周边化)、太阳耀斑、F10.7(2800MHz的流量密度)等。

行星际空间是连接日地的重要纽带,是空间天气传播和演化的区域,会将太阳活动信息带到地球附近,引起地球空间天气的变化,对于近地空间天气预报、预警具有重要意义。行星际天气预报内容主要包括背景太阳风状态、行星际扰动、太阳高能粒子事件等。

磁层作为抵御外空间不良环境状况的屏障,也是人类活动最频繁的场所之一。磁层天气预报主要是对地磁暴、地磁扰动、高能质子注入等的预报。

电离层作为空间天气的地球响应区域之一,影响着卫星通信等,跟我日常生活息息相关。电离层天气预报主要包括电离层暴,各种电离层模型建模、预报电离层参数等。

中高层大气是日地耦合系统的重要一环,与人类生存环境、航空航天活动及军事活动等关系密切。中高层大气天气预报内容主要包括温度、密度、风场和大气成分等中高层大气参量的结构分布和扰动等。

空间天气模型是现代空间天气预报的基础,其揭示的空间天气现象的物理本质对于提高空间天气预报技术水平非常重要。全球科学家针对日地空间的多种天气过程建立了多种空间天气模型。比如,共同协调建模中心。该中心由美国国家航空航天局支持,为全世界提供数值模拟、模型测试、教学等服务(https://ccmc.gsfc.nasa.gov/)。除此之外,还有美国密歇根大学牵头的空间环境建模中心、美国宾夕法尼亚大学/国家大气研究中心等。国内空间天气预报研究主要由分布于多家研究所和高校的太阳物理、空间物理的研究人员实施。目前从事该领域基础研究的主要包括中国科学院国家空间科学中心、国家天文台、中国极地中心、北京大学、中国科学技术大学、武汉大学等多家单位。

各空间大国的空间环境服务很早就从针对单一的计划、型号任务发展过渡到面向所有的空间计划、型号任务及技术系统,并成立了专门的机构和队伍来进行预报服务,如美国、俄罗斯等国家的空间环境预报中心。这种机构相比基础研究,更重视应用服务,主要业务为航天和军事应用所需的环境要素预报,如美国空间天气预报中心(SWPC)、美国空军第50气象中队(SOWS)等。国内空间天气业务发展较晚,在监测、预报、研究和服务方面还不完善,主要针对日地空间因果链上的关键区域和要素,以及灾害性空间天气事件的应用建模,是定量化空间天气应用预报技术的初步集成。

为了促进国际合作,各国的空间环境预报机构联合组成了国际空间环境服务组织。该组织目前共有来自14个国家和欧洲空间局等15个成员,中国区域警报中心是该组织成员之一。

预测空间天气事件离不开对日地空间物理过程的监测,根据探测平台分类,空间天气监测一般分为地基和天基两种空间天气监测。空间天气预报技术研究主要是提升建模水平。如何将驱动源及物理过程复杂性和不确定性融入模式、如何将大量地基和天基的实测数据、预报方法与物理模式有机融合和同化是目前面临的两大挑战,最终目标是发展基于物理的太阳—行星际—磁层—电离层/热层大气的空间天气集成数值模式。

(1)建立包括空间天气日地系统“全链路”和地球空间系统“全景图”预报的监测体系关系空间安全、应用与开发竞争,具有重要战略意义。

(2)提升空间天气不同时间、空间尺度的耦合和空间气候涉及的中长期变化过程的认知创新能力是提升空间天气预报水平的新挑战。

(3)局域化、精细化和智能化的空间天气预报将成为拓展应用与开发空间能力的一种标尺。

“预报客观化,流程标准化,产品自动化”是我国目前空间天气预报业务的发展模式,其未来主要趋势为:

3国家自然科学基金委员会,中国科学院 编. 空间天气预报前沿[M]. 北京:科学出版社, 2018

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