A dvances in Met s&T 中国气象局的空间天气业务 王劲松 (国家卫星气象中心/国家空问天气监测预警中心,中国气象局,北京100081) 摘要:“空间天气”概念的缘起与演变表明,空间天气业务必然会出现,且与其他气象业务存在天然的联系。作为中国 气象事业的有机组成部分,中国气象局的空间天气业务在监测、预报、服务和科研开发等方面取得了显著的成绩。分析 表明,空间天气业务要取得突破性进展,应首先在应用服务方面着力 关键词:空间天气,空间天气业务 Space Weather Operations in CMA Wang Jingsong (National Satellite Meteorological Center /National Center for Space Weather, China Meteorological Administration, Beijing 100081) Abstract: The appearance and evolution of the term Space Weather suggest the inevitability of the initiation of space weather operation and the natural connections between space weather operation and other meteorological operations. As an essential part of the Chinese meteorological operation system, the CMA space weather operation is achieving significant successes in observation, forecast, service as well as r& D. Nevertheless, space weather operation is still far from maturity and the possible breakthrough should be made in productive services Key words: space weather, space weather operation 1“空间天气”的出现 作为‘空间天气’指示器……”。而使这一概念得到 在“空间天气”一词出现以前,研究太阳与地球更多同行认可的是美国国家大气海洋局(NOAA)空 之间的空间中(包括太阳表面、太阳风、磁层、电离间环境中心的 McIntosh和 Dryer博士,他们1970年在 层和热层等)自然现象及其内在规律的学科叫做“日一本书的序言中写道:“确实很必要去精确预报空间 地空间物理学”2,或称“空间物理学”(图1) 据文献记载,类似“空间天气”的说法应该 这些提法只是从科学上将日地空间中的自然现象 是始于1959年哈佛学院天文台的Gold的一篇文章 和地球低层大气上的自然现象进行类比(表1),虽 “我将讨论……(太空中)和地球气象对应的概念 然有助于科学家采用比较研究法研究日地空间,也有 ……,(在太空中)什么参量和气象中的温度、压强助于大众理解一些艰深的科学概念,但并不产生新的 和风速对应”。1967年, Georges在一篇报告里首外延和内涵,因此没有成为学界普遍使用的术语 次完整使用“ space weather”一词:“电离层最近作 就在同一时期,由于人类航天事业的发展,科技 为其他地球物理活动的传感器而变得重要起来,例如 人员注意到进入太空的航天器会受到其所处环境的影 响,这种环境被称为“空间环境”,该术语被广泛使 用。需要注意的是,空间环境虽然受到日地空间中 自然过程的影响,但它更加注重与在轨航天器的相互 作用,因此像空间碎片这样的非自然因素也是空间环 境所关注的重要对象。 “空间天气”一词的密集出现并吸引学术界广泛 关注是在20世纪90年代,美国的科学家率先系统地将 日地空间中发生的自然现象与人类技术系统(特别是 图1日地空间:太阳上喷发的物质和能量经过行星际空间卫星系统)的故障联系起来,并借用“天气”对人类活 后和地球的磁场相互作用,井进一步扰动地球的高层大 电离层等 动的影响来说明日地空间状态对技术的影响。与“空 间环境”主要关注航天系统不同,“空间天气”关注所 收稿日期:2011年9月7日;修回日期:2011年10月27日 有可能受到日地空间自然过程影响的技术系统,目 第一作者:王劲松(1970-), Email: wangs(@cma. gov前可以肯定的受影响的系统或领域包括在轨航天器与 资助信息:国家自然科学基金(40931056) 6 Advances in Meteorological Science and Technology气象科技进展1(4)-2011
气象科技 进展 6 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011 中国气象局的空间天气业务 收稿日期：2011年9月7日；修回日期：2011年10月27日 第一作者：王劲松（1970—），Email: wangjs@cma.gov.cn 资助信息：国家自然科学基金（40931056） 王劲松 （国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，中国气象局，北京 100081） 摘要：“空间天气”概念的缘起与演变表明，空间天气业务必然会出现，且与其他气象业务存在天然的联系。作为中国 气象事业的有机组成部分，中国气象局的空间天气业务在监测、预报、服务和科研开发等方面取得了显著的成绩。分析 表明，空间天气业务要取得突破性进展，应首先在应用服务方面着力。 关键词：空间天气，空间天气业务 Space Weather Operations in CMA Wang Jingsong (National Satellite Meteorological Center /National Center for Space Weather, China Meteorological Administration, Beijing 100081) Abstract: The appearance and evolution of the term 'Space Weather' suggest the inevitability of the initiation of space weather operation and the natural connections between space weather operation and other meteorological operations. As an essential part of the Chinese meteorological operation system, the CMA space weather operation is achieving significant successes in observation, forecast, service as well as R & D. Nevertheless, space weather operation is still far from maturity and the possible breakthrough should be made in productive services. Key words: space weather, space weather operation 1 “空间天气”的出现 在“空间天气”一词出现以前，研究太阳与地球 之间的空间中（包括太阳表面、太阳风、磁层、电离 层和热层等）自然现象及其内在规律的学科叫做“日 地空间物理学”[1，2] ，或称“空间物理学”（图1）。 据文献记载[3] ，类似“空间天气”的说法应该 是始于1959年哈佛学院天文台的Gold的一篇文章： “我将讨论……（太空中）和地球气象对应的概念， ……，（在太空中）什么参量和气象中的温度、压强 和风速对应”[4] 。1967年，Georges [5] 在一篇报告里首 次完整使用“space weather”一词：“电离层最近作 为其他地球物理活动的传感器而变得重要起来，例如 作为‘空间天气’指示器……”。而使这一概念得到 更多同行认可的是美国国家大气海洋局（NOAA）空 间环境中心的McIntosh和Dryer博士，他们1970年在 一本书的序言中写道：“确实很必要去精确预报空间 ‘天气’”[6] 。 这些提法只是从科学上将日地空间中的自然现象 和地球低层大气上的自然现象进行类比（表1），虽 然有助于科学家采用比较研究法研究日地空间，也有 助于大众理解一些艰深的科学概念，但并不产生新的 外延和内涵，因此没有成为学界普遍使用的术语。 就在同一时期，由于人类航天事业的发展，科技 人员注意到进入太空的航天器会受到其所处环境的影 响，这种环境被称为“空间环境”，该术语被广泛使 用[7] 。需要注意的是，空间环境虽然受到日地空间中 自然过程的影响，但它更加注重与在轨航天器的相互 作用，因此像空间碎片这样的非自然因素也是空间环 境所关注的重要对象。 “空间天气”一词的密集出现并吸引学术界广泛 关注是在20世纪90年代，美国的科学家率先系统地将 日地空间中发生的自然现象与人类技术系统（特别是 卫星系统）的故障联系起来，并借用“天气”对人类活 动的影响来说明日地空间状态对技术的影响。与“空 间环境”主要关注航天系统不同，“空间天气”关注所 有可能受到日地空间自然过程影响的技术系统[8, 9] ，目 前可以肯定的受影响的系统或领域包括在轨航天器与 图1 日地空间：太阳上喷发的物质和能量经过行星际空间 后和地球的磁场相互作用，并进一步扰动地球的高层大 气、电离层等[2]
Review评述 表1空间天气与传统气象概念的类比 念。尽管也存在一些质疑的声音,但这种新的提法还 对象气象类比业务监测仪基业务重要性是迅速得到多个部门特别是国家自然科学基金委员会 的认可,我国的空间天气研究开始迅速发展,无论 高 XENV射线成像仅★★★★ 是资金投入、队伍规模还是科研成果都显著增加。而 CME 台风 ★★★★★ 且,我国学者还在国际上首次提出并使用一个新的 黑子 强对流区光球色球望远镜 斑雷电球色球望远镜★★★★ 学科名称—“空间天气学”121,该名词在英文中 电流量红外辑射太阳射电望远镜★★★还没有确切对应,大致可以翻译为“ Space Weather 太阳磁场 太阳磁场望远镜★★★★ Science”。 行星际/行星际磁场温度 ★★★★★ 事实上,到目前为止国际学术界还没有“空间 日地空间 太阳风 粒子探测器 天气”的严格定义,通常都引用美国“国家空间天 空磁场 磁强计 ★★★★ 粒子探测器 气战略计划”的说法,指“太阳上和太阳风、磁 磁层(地磁) 冰雹 粒子探测器 ★★★ 层、电离层和热层中可影响天基和地基技术系统的正 场地温地磁仅*★★★★常运行和可靠性,危及人类健康和生命的条件或状 极光闪电极光相机*★*态”。从这种提法可以清楚地看出,“空间天气” 电子浓度大气密度调高仅★★★这一概念不再像它刚出现时那样只是与地面天气的简 电离层 EC水汽柱含量 单类比,而是更加注重自然环境和人类活动的相互关 TEC水汽柱含量电离层光度计★★★ 系,其内涵与外延已大大超出以往的“日地空间物理 闪烁监测仅★★★★(学)”。因此关注空间天气的群体不再仅仅是以 密度密度激光雷达,卫星*★★★前的空间物理学家,而是开始不断扩大,航天、航 温度 空、通信、能源、军事等应用行业的科技人员开始关 中高层大气 (临近空间) 流星需达 ★★★★ 注空间天气。特别是1989年3月太阳爆发引发的魁北 中频雷达,FPI 克大停电,使地球居民真实地感受到“空间天气”的 宇航员、航空、无线电通信、长距离输油与输电网存在,从此普通公众与科技人员一起像接受“天气” 络、天气与气候、生物等1(图2)。 概念一样接受“空间天气”概念,最终导致空间天气 有一些学者对这种新的提法不以为然。他们认业务的出现。 为,由于在冷战期间美国在空间物理上的投入过2空间天气业务历程 多,研究机构和人员过度膨胀。而冷战结束后这方面 间天气业务是指与空间天气有关的业务技术活 的投入迅速减少,许多从事空间物理学研究的科学家动,包括空间天气监测、预警预报、应用服务、研发 失去经费支持。“空间天气”这一概念强调空间物理以及相关的基础设施建设等(图3)。由于日地空 和现代技术的关联,无非是为了获得政府的继续支间(从太阳外层大气到地球中高层大气)是传统气象 持,而本质上与“日地空间物理”没有差别。这种看关注的地球低层大气在空间上的自然延伸,空间天气 法的影响迄今还偶有体现 业务与传统天气和气候业务一起成为气象业务的一部 我国学界不久也开始使用“空间天气”这一概分也就是很自然的事情了。 国天对人要的 人类对空间天气现象的关注始于对太阳黑子、耀 斑、极光等的目视观测,在现代科学意义上系统的空 间天气活动可以从二战前后雷达与短波通信的预报 和保障算起,1940年代美国国家标准局专门成立了 为盟军提供高频电波服务的“军种间电波传播实验 (((.充的工作随之展开。前苏联、美国、中国等均开始关 室”。1957年人类发射第一颗人造卫星之后,更加系 注太阳对人造卫星的影响,涉及的自然现象包括太阳 活动、宇宙线、高层大气与电离层状态等。 1965年,美国的“军种间电波传播实验室”经历 数次变化后成为“空间环境实验室(SEL)”,SEL 图2空间天气对人类的影响 于1995年又更名为“空间环境中心(SEC)”,成 Advances in Meteorological Science and Technology气象科技进展1(4)-20117
Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011 7 Review 评述 宇航员、航空、无线电通信、长距离输油与输电网 络、天气与气候、生物等[10] （图2）。 有一些学者对这种新的提法不以为然。他们认 为，由于在冷战期间美国在空间物理上的投入过 多，研究机构和人员过度膨胀。而冷战结束后这方面 的投入迅速减少，许多从事空间物理学研究的科学家 失去经费支持。“空间天气”这一概念强调空间物理 和现代技术的关联，无非是为了获得政府的继续支 持，而本质上与“日地空间物理”没有差别。这种看 法的影响迄今还偶有体现。 我国学界不久也开始使用“空间天气”这一概 念。尽管也存在一些质疑的声音，但这种新的提法还 是迅速得到多个部门特别是国家自然科学基金委员会 的认可[11] ，我国的空间天气研究开始迅速发展，无论 是资金投入、队伍规模还是科研成果都显著增加。而 且，我国学者还在国际上首次提出并使用一个新的 学科名称——“空间天气学”[12-14] ，该名词在英文中 还没有确切对应，大致可以翻译为“Space Weather Science”。 事实上，到目前为止国际学术界还没有“空间 天气”的严格定义，通常都引用美国“国家空间天 气战略计划”的说法，指“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”[15] 。从这种提法可以清楚地看出，“空间天气” 这一概念不再像它刚出现时那样只是与地面天气的简 单类比，而是更加注重自然环境和人类活动的相互关 系，其内涵与外延已大大超出以往的“日地空间物理 （学）”。因此关注空间天气的群体不再仅仅是以 前的空间物理学家，而是开始不断扩大，航天、航 空、通信、能源、军事等应用行业的科技人员开始关 注空间天气。特别是1989年3月太阳爆发引发的魁北 克大停电，使地球居民真实地感受到“空间天气”的 存在，从此普通公众与科技人员一起像接受“天气” 概念一样接受“空间天气”概念，最终导致空间天气 业务的出现[16] 。 2 空间天气业务历程 空间天气业务是指与空间天气有关的业务技术活 动，包括空间天气监测、预警预报、应用服务、研发 以及相关的基础设施建设等[16] （图3）。由于日地空 间（从太阳外层大气到地球中高层大气）是传统气象 关注的地球低层大气在空间上的自然延伸，空间天气 业务与传统天气和气候业务一起成为气象业务的一部 分也就是很自然的事情了。 人类对空间天气现象的关注始于对太阳黑子、耀 斑、极光等的目视观测，在现代科学意义上系统的空 间天气活动可以从二战前后雷达与短波通信的预报 和保障算起，1940年代美国国家标准局专门成立了 为盟军提供高频电波服务的“军种间电波传播实验 室”。1957年人类发射第一颗人造卫星之后，更加系 统的工作随之展开。前苏联、美国、中国等均开始关 注太阳对人造卫星的影响，涉及的自然现象包括太阳 活动、宇宙线、高层大气与电离层状态等。 1965年，美国的“军种间电波传播实验室”经历 数次变化后成为“空间环境实验室（SEL）”，SEL 图2 空间天气对人类的影响 于1995年又更名为“空间环境中心（SEC）”，成 表1 空间天气与传统气象概念的类比 区 域 对 象 气象类比 业务监测仪器 业务重要性 太 阳 冕洞 高压 X-EUV射线成像仪 CME 台风 日冕仪 黑子 强对流区 光球色球望远镜 耀斑 雷电 光球色球望远镜 射电流量 红外辐射 太阳射电望远镜 太阳磁场 — 太阳磁场望远镜 行星际/ 日地空间 行星际磁场 温度 磁强计 太阳风 风 粒子探测器 磁层（地磁） 空间磁场 气温 磁强计 辐射带 — 粒子探测器 能量粒子 冰雹 粒子探测器 地磁场 地温 地磁仪 电离层 极光 闪电 极光相机 电子浓度 大气密度 测高仪 TEC 水汽柱含量 GPS TEC 水汽柱含量 电离层光度计 闪烁 云 闪烁监测仪 中高层大气 （临近空间） 密度 密度 激光雷达，卫星 温度 温度 FPI 温度 温度 流星雷达 成分 成分 质谱仪 风场 风场 中频雷达，FPI
A dvances in Met s&T 以及监测、服务和科技创新等分系 太阳何时 太阳爆发的太阳爆发的特 样预报太 性怎样描述 统的构建则更多地借鉴了中国气象 局其他气象业务的经验。三年后的 2005年,NOAA才将SEC从研究系列 扰动和地球 的OAR中划转到业务系列的国家天 扰动特征如 何相互作用 气局(NWS)。同时,NOAA也意 识到“空间天气”一词能够更全面 地反映其关注的重点,并有利于在 气象业务框架下的协调工作,遂于 2007年将SEC更名为“空间天气预报 中心(SWPC)”,同时对其内部结 产生什么近地空间变化近地空间有近地空 构进行了很大的调整1。值得注意的 天气效应? 如何描述? 什么变化?何响应 是,这次调整中似乎存在中国气象局 监测系统如何构建? 预报系统如何构建? 服务系统如何构建 与NOAA空间天气/空间环境业务交 流的痕迹,例如NOAA成为国际上自 图3空间天气业务涉及的主要问题 中国气象局之后第二个成立空间天气 为NOAA海洋与大气研究办公室(OAR)下属的服务科的相关机构 一个有浓重业务色彩的研究单位。虽然NOAA的 欧洲空间局于2000年成立空间天气工作组,2003 GOES、POSE系列卫星均是空间环境最基本的数据年制定相关计划并启动一个综合的空间天气网站 源,但SEC本身并不开展监测工作,因此它的主要 SWENET。但欧洲的空间天气事务主要采用商务形 任务侧重于空间环境预报及其研究,其运行模式成式,至今没有成立专门的空间天气业务机构吗。 为其他国家有关单位模仿的范本1。1996年,在国 2008年6月,世界气象组织(WMO)通过了ISES 际科联的支持下,在一个始于1928年的国际组织的提交的《世界气象组织在空间天气领域的潜在作用》 基础上,以 NOAA/SEC等为核心成立了一个准业务报告,开始涉足空间天气事务,并于2010年5月3日正 性的国际科学合作机构——国际空间环境服务机构式成立空间天气计划协调组( ICTS),以NOAA和 所测和报,师助用户降低空间天气A人类动的为合主单位,开始国际空间气业务 实 的冲击”。其成员是13个区域预警中心(RWC),其 从总体发展趋势来看,各国空间天气机构无论是 中北京RWC设在中国科学院国家天文台(hp/w否自主进行观测能力建设,都注重全方位、多要素综 Ises-spaceweather. org) 合、天地配合、立体的空间天气观测数据获取,并据 国家天文台最早在我国开展具有带有业务性质的此建立大型空间天气数据库,特别是具有在线数据发 太阳监测和预报工作,其最早的服务目标是“东方红布能力的空间天气数据库及其共享服务系统,开发空 一号”卫星:成立于1963年的中国电波传播研究所则间天气预报模式和加强空间天气效应分析。 在电离层监测和预报方面形成了系统的能力,主要服 但值得指出的是,由于前述的一些原因,空间天 务于短波通信等信息系统。以中国科学院空间科学与气业务并不是在公众对空间天气有了深刻认识的基础 应用研究中心的空间环境室为载体,2003年中国科学上产生的,特别是其应用基础并不十分扎实,因此其 院成立了一个非法人联合机构——中国科学院空间环 发展遇到了不少的困难 境预报研究中心,系统开展空间环境和空间天气预报3我国空间天气业务现状 研究,并承担一些重大航天活动的保障任务。 2004年,中国气象局正式开始国家级空间天气业 有意思的是,第一个真正将“空间天气”列入务运行。空间天气业务体系按照气象业务体系结构进 业务系列的不是NOAA,而是中国气象局。经国务行设计,是一个相对独立而完整的体系,完整地包括 院批准,2002年中国气象局成立“国家空间天气监监测、预报和服务等三个方面,并开展科研工作。其 测预警中心”,并于2004年开始正式开展国家级业目的是构建天地一体化的空间天气监测系统、统计预 务工作。其预报框架主要参照了 NOAA/SEC的架构报和数值预报相结合的空间天气预报系统、面向经济 (也即目前SWPC架构),但其总体的业务体系设计社会和国家安全的空间天气服务系统,同时也着力于 Advances in Meteorological Science and Technology气象科技进展1(4)-2011
气象科技 进展 8 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011 为NOAA海洋与大气研究办公室（OAR）下属的 一个有浓重业务色彩的研究单位。虽然NOAA的 GOES、POSE系列卫星均是空间环境最基本的数据 源，但SEC本身并不开展监测工作，因此它的主要 任务侧重于空间环境预报及其研究，其运行模式成 为其他国家有关单位模仿的范本[17] 。1996年，在国 际科联的支持下，在一个始于1928年的国际组织的 基础上，以NOAA/SEC等为核心成立了一个准业务 性的国际科学合作机构——国际空间环境服务机构 （ISES），其宗旨是“鼓励并实施近实时的国际空间 环境监测和预报，帮助用户降低空间天气对人类活动 的冲击”。其成员是13个区域预警中心（RWC），其 中北京RWC设在中国科学院国家天文台（http://www. ises-spaceweather.org）。 国家天文台最早在我国开展具有带有业务性质的 太阳监测和预报工作，其最早的服务目标是“东方红 一号”卫星；成立于1963年的中国电波传播研究所则 在电离层监测和预报方面形成了系统的能力，主要服 务于短波通信等信息系统。以中国科学院空间科学与 应用研究中心的空间环境室为载体，2003年中国科学 院成立了一个非法人联合机构——中国科学院空间环 境预报研究中心，系统开展空间环境和空间天气预报 研究，并承担一些重大航天活动的保障任务[14] 。 有意思的是，第一个真正将“空间天气”列入 业务系列的不是NOAA，而是中国气象局。经国务 院批准，2002年中国气象局成立“国家空间天气监 测预警中心”，并于2004年开始正式开展国家级业 务工作。其预报框架主要参照了NOAA/SEC的架构 （也即目前SWPC架构），但其总体的业务体系设计 以及监测、服务和科技创新等分系 统的构建则更多地借鉴了中国气象 局其他气象业务的经验。三年后的 2005年，NOAA才将SEC从研究系列 的OAR中划转到业务系列的国家天 气局（NWS）。同时，NOAA也意 识到“空间天气”一词能够更全面 地反映其关注的重点，并有利于在 气象业务框架下的协调工作，遂于 2007年将SEC更名为“空间天气预报 中心（SWPC）”，同时对其内部结 构进行了很大的调整[17] 。值得注意的 是，这次调整中似乎存在中国气象局 与NOAA空间天气/空间环境业务交 流的痕迹，例如NOAA成为国际上自 中国气象局之后第二个成立空间天气 服务科的相关机构。 欧洲空间局于2000年成立空间天气工作组，2003 年制定相关计划并启动一个综合的空间天气网站 SWENET。但欧洲的空间天气事务主要采用商务形 式，至今没有成立专门的空间天气业务机构[18] 。 2008年6月，世界气象组织（WMO）通过了ISES 提交的《世界气象组织在空间天气领域的潜在作用》 报告，开始涉足空间天气事务，并于2010年5月3日正 式成立空间天气计划协调组（ICTSW），以NOAA和 中国气象局为联合主席单位，开始国际空间天气业务 协调[19] 。 从总体发展趋势来看，各国空间天气机构无论是 否自主进行观测能力建设，都注重全方位、多要素综 合、天地配合、立体的空间天气观测数据获取，并据 此建立大型空间天气数据库，特别是具有在线数据发 布能力的空间天气数据库及其共享服务系统，开发空 间天气预报模式和加强空间天气效应分析。 但值得指出的是，由于前述的一些原因，空间天 气业务并不是在公众对空间天气有了深刻认识的基础 上产生的，特别是其应用基础并不十分扎实，因此其 发展遇到了不少的困难。 3 我国空间天气业务现状 2004年，中国气象局正式开始国家级空间天气业 务运行。空间天气业务体系按照气象业务体系结构进 行设计，是一个相对独立而完整的体系，完整地包括 监测、预报和服务等三个方面，并开展科研工作。其 目的是构建天地一体化的空间天气监测系统、统计预 报和数值预报相结合的空间天气预报系统、面向经济 社会和国家安全的空间天气服务系统，同时也着力于 图3 空间天气业务涉及的主要问题 太阳何时 爆发？ 扰动特征如 何描述？ 扰动和地球如 何相互作用？ 扰动如何 传播？ 扰动特征如 何预报？ 太阳爆发的 前兆是什么？ 怎样预报太 阳爆发？ 太阳爆发的特 性怎样描述？ 怎么预报空间 天气效应？ 监测系统如何构建？ 预报系统如何构建？ 服务系统如何构建？ 近地空间如 何响应？ 产生什么 效应？ 近地空间变化 如何描述？ 近地空间有 什么变化？ 和地面 天气有 什么关 系？
Review评述 支撑空间天气业务的科技创新和人才队伍建设。初期 表3空间天气地基监测能力 该业务主要由国家空间天气监测预警中心承担,但随 设备名称 探测要素 数量 站址 建成 着地基台站的建设,不少省(直辖市、自治区)气象 广东广州 局也逐渐参与到空间天气业务中,并发挥越来越重要电离层闪电离层闪烁,电离层4广东茂名207 广东韶关 2010.4 的作用 迄今,中国气象局的空间天气业务在监测、预报 福建厦门 2010.7 福建厦门 2008 和服务等方面发展比较平衡,在系列化的天基监测能 广西横县 力、网络化的地基监测台站、规范化的预报预警系统 电离层电子浓度 新疆克州 10.12 以及专业化的应用服务构架建设方面取得了良好的成 青海都 2010.12 陕西长安 绩,在国际和国内赢得了广泛的认同 黑龙江漠河0115 31监测系统 电离层D区吸电离层D区吸收 海南屯吕 20116 从设计之初,中国气象局空间天气业务监测便以 北京灵山 2011.7 天地一体化为目标。鉴于监测系统建设的长期性,目 中层大气风场、电子 山西五寨 (预计) 前还没有达到天地一体化的程度,但基于风云系列卫F成像干高层大气风场 1山西岢岚 星和地基空间天气专业监测网的天地相结合的监测格 太阳磁场望 局雏形已经形成。 阳磁场 在天基监测方面,以风云系列卫星为核心,充分电离层移动电离层闪烁,电离层1北京(移动式)2011 利用现有的风云卫星平台装载空间天气仪器,大力推 太阳射电流量 山东石岛 201l.8 进空间天气天基监测,在后续气象卫星规划中充分考 太阳光球色 虑了空间天气业务需求,并积极探讨发展专门的空间 球望远镜 太阳光球、色球 山东石岛 010.12 天气业务监测卫星的可能性。目前在轨的六颗风云卫基础,结合国内现有的地基探测站,在关键地点建设 星上,装载有五类空间天气监测设备,共计16台仪了太阳、电离层和高层大气观测台站,共计9类18台 器,所有监测已全部实现在线业务(表2)。在已经(套)设备,涉及14个省(自治区、直辖市),已初 落实的规划中,除了完善和优化风云二号03批的空间步显现出“三带六区”地基空间天气专业网布局。目 天气载荷外,每个新型号的地面应用系统中将设计独前地基监测已全面稳步铺开(图4,表3),地基空间 立的空间天气应用分系统,一些新型的国际先进水准天气业务监测能力大幅度提升。 的空间天气探测仪器也在研制或考虑之中。 另外,还充分利用GPS/MET台网进行了有效 表2风云卫星空间天气监测能力 的、大空间覆盖的电离层TEC观测。目前,已有800 卫星型号 多个GPS监测站数据在空间天气业务中在线应用,广 FY-ID 高能粒子探测器 东、上海等地GPS-TEC监测也形成了区域系统 太阳X射线探测器、高能粒子探测器 高能粒子探测器、辐射剂量仪、表面电位探测器 同时,国家空间天气监测预警中心还是国家重大 FY-3A/B 科学工程“子午工程”的民用预报平台建设单位,该 在地基监测方面,以气象监测与灾害预警工程为平台建设完成后,大大改善了中心的基础条件和业务 中国区域 GPS-TEC监测系统 北幕带 图4地基建设三带六区布局(左)与 GPS-TEC实时监测图(右) Advances in Meteorological Science and Technology气象科技进展1(4)-20119
Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011 9 Review 评述 支撑空间天气业务的科技创新和人才队伍建设。初期 该业务主要由国家空间天气监测预警中心承担，但随 着地基台站的建设，不少省（直辖市、自治区）气象 局也逐渐参与到空间天气业务中，并发挥越来越重要 的作用。 迄今，中国气象局的空间天气业务在监测、预报 和服务等方面发展比较平衡，在系列化的天基监测能 力、网络化的地基监测台站、规范化的预报预警系统 以及专业化的应用服务构架建设方面取得了良好的成 绩，在国际和国内赢得了广泛的认同。 3.1 监测系统 从设计之初，中国气象局空间天气业务监测便以 天地一体化为目标。鉴于监测系统建设的长期性，目 前还没有达到天地一体化的程度，但基于风云系列卫 星和地基空间天气专业监测网的天地相结合的监测格 局雏形已经形成。 在天基监测方面，以风云系列卫星为核心，充分 利用现有的风云卫星平台装载空间天气仪器，大力推 进空间天气天基监测，在后续气象卫星规划中充分考 虑了空间天气业务需求，并积极探讨发展专门的空间 天气业务监测卫星的可能性。目前在轨的六颗风云卫 星上，装载有五类空间天气监测设备，共计16台仪 器，所有监测已全部实现在线业务（表2）。在已经 落实的规划中，除了完善和优化风云二号03批的空间 天气载荷外，每个新型号的地面应用系统中将设计独 立的空间天气应用分系统，一些新型的国际先进水准 的空间天气探测仪器也在研制或考虑之中。 表2 风云卫星空间天气监测能力 卫星型号 搭载仪器 FY-1D 高能粒子探测器 FY-2C/D/E 太阳X射线探测器、高能粒子探测器 FY-3A/B 高能粒子探测器、辐射剂量仪、表面电位探测器、 单粒子试验 在地基监测方面，以气象监测与灾害预警工程为 基础，结合国内现有的地基探测站，在关键地点建设 了太阳、电离层和高层大气观测台站，共计9类18台 （套）设备，涉及14个省（自治区、直辖市），已初 步显现出“三带六区”地基空间天气专业网布局。目 前地基监测已全面稳步铺开（图4，表3），地基空间 天气业务监测能力大幅度提升。 另外，还充分利用GPS/MET台网进行了有效 的、大空间覆盖的电离层TEC观测。目前，已有800 多个GPS监测站数据在空间天气业务中在线应用，广 东、上海等地GPS-TEC监测也形成了区域系统。 同时，国家空间天气监测预警中心还是国家重大 科学工程“子午工程”的民用预报平台建设单位，该 平台建设完成后，大大改善了中心的基础条件和业务 设备名称 探测要素 数量 站址 建成 日期 电离层闪 烁仪 电离层闪烁、电离层 电子总密度（TEC） 4 广东广州 2010.4 广东韶关 2010.4 广东茂名 2010.7 福建厦门 2010.7 电离层测 高仪 电离层电子浓度 剖面 5 福建厦门 2008 广西横县 2011.5 新疆克州 2010.12 青海都兰 2010.12 陕西长安 2011.12 电离层D区吸 收机 电离层D区吸收 3 黑龙江漠河 2011.5 海南屯昌 2011.6 北京灵山 2011.7 中频雷达 中层大气风场、电子 密度 1 山西五寨 2011.12 （预计） FPI成像干 涉仪 高层大气风场、 温度 1 山西岢岚 2011.12 （预计） 太阳磁场望 远镜 太阳磁场 1 新疆 2012.12 （预计） 电离层移动 应急系统 电离层闪烁、电离层 电子浓度 1 北京（移动式） 2011.12 （预计） 太阳射电望 远镜 太阳射电流量 1 山东石岛 2011.8 太阳光球色 球望远镜 太阳光球、色球 1 山东石岛 2010.12 表3 空间天气地基监测能力 图4 地基建设三带六区布局（左）与GPS-TEC实时监测图（右）
A dvances in Met s&T 能力。具备了子午工程台站数据的实时获取、分析与 表4空间天气主要预报产品 应用能力,具备了与国内兄弟单位的联网会商能力。 预报要素 产品名称 预报时效 但与美国相比,我国天基空间天气业务探测能 F107指数 24~72小时 力还有较大的差距,特别是在太阳监测方面差距更 M级耀斑概率 X级耀斑概率 24-72小时 大。而在地基监测方面,各发达国家或地区的业务或 准业务机构自主的空间天气监测系统并不完整,目前 太阳黑 仅美国军方的空间天气地基监测布局比中国气象局的 F107指数中期预报 3~27天 更加精细和庞大。这种状况可能由两个原因造成 F107指数长期预报 是许多国家的国土面积相对空间天气尺度而言显得太 小,不需要也没有足够的疆域建设大量地基监测系 地磁活动 小地磁暴概率 24-72小时 大地磁暴概率 统,因此其地基监测往往侧重于某一个具体方面,例 如欧洲一些国家多侧重区域性的电离层监测;二是 TEC现报 这些国家内和国家间的数据共享机制非常成熟,因此 在实际业务或科研中其可用数据非常丰富,例如美国间的关系,因此使得空间天气业务具备为相关用户提 (军方除外)、加拿大和澳大利亚 供服务的可能。应该说,空间天气应用服务是空间天 气业务工作的出发点和归宿,是空间天气业务工作最 32预报预警 中国气象局的空间天气业务预报系统是根据空终体现社会价值的关键环节,也是业务工作不同于其 间天气因果链的特点和气象预报预测体系的结构进他科研工作的关键区别所在 行设计的。尽管在业务开始之初大量借鉴乃至模仿 由于用户和潜在用户对于空间天气业务的认知度 了NOAA的经验,但随着业务的发展,中国气象局 还不够,因此中国气象局的空间天气应用服务首先设 直致力于将气象预报预测系统的成熟经验系统地引计了总体构架,随后不断培养用户群体,并逐步开展 入空间天气预报业务。目前,中国气象局具备了对太和深化服务。应用服务的内容主要包括决策服务、公 阳活动、行星际、磁层、电离层、中高层大气等关键众服务、专业服务和用户培养。决策服务可通过重大 区域的关键要素做出长期、中期、短期预报以及预事件或活动的保障服务引起决策部门关注,有利于争 警和现报的能力,具备了综合数据分析能力、初步的取国家支持:专业服务可通过对分类用户提供持续的 定量化分析能力与模式预报能力,形成了由日报、周事件警报和规避措施建议来深化有关行业对空间天气 报、月报、年报、警报、现报和专报组成的系列化预的认识,有利于培养专业用户;公众服务则通过对大 报产品。 的空间天气事件的宣传来普及空间天气知识,有利于 在预报业务方面取得的进展还包括:完成国内第加强公众对空间天气业务的理解和接受:用户培养则 一部《空间天气业务预报技术规范》:制定了14项预是让用户知道空间天气的影响并与用户一起设计和深 报业务规范,其中3项申请了行业标准,3项申请了国化服务方案 家标准;12种预报产品(表4)通过职能司审定正式 通过多年的实践,中国气象局空间天气应用服务 成为气象预报产品:初步制定了预报产品质量检验标进一步明确了以决策服务为首位、航天/卫星服务为 准;关键空间天气参数的预报准确率居国内先进水 重点、无线电通信与卫星导航定位服务为突破口的服 平,与国际水平相当。 务发展思路,开展了大量空间天气科普宣传和用户培 与美国SWPC相比,国家空间天气监测预警中心养工作。一系列重要的空间天气保障服务取得了显著 的日常预报产品种类相似,预报精度相当。但需要关效益,积累了大量经验,先后开发了航天器在轨碎片 注的是,在空间天气源头(太阳和太阳风)监测数据预警系统、高能粒子环境及其辐射效应预报系统、中 方面,还强烈依赖于SwPC的数据,这是我国空间天高层大气环境预报系统、电离层环境预报系统等多个 气预报业务中的最大隐患之一。同时,在数据产品的应用服务系统。特别是在重大服务方面取得了突破性 加工和应用、预报技术的引进与发展等方面,我国距的成绩,得到相关用户的高度赞扬。例如,利用风云 国际先进水平还有一定距离。 号高能粒子探测资料预报的航天员安全出舱起始时 间仅与实际出舱时间相差1分钟:基于对卫星常发故 33应用服务 如前所述,“空间天气”之所以不同于“日地空障的分析,结合空间天气监测预报,曾准确预报了 间物理”,就是因为其考虑了自然现象和技术系统之次由空间辐射环境改变导致的某通信卫星故障发生时 间:基于 GPS/MET的电离层TEC实时监测系统通过专 Advances in Meteorological Science and Technology气象科技进展1(4)-2011
气象科技 进展 10 Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011 能力。具备了子午工程台站数据的实时获取、分析与 应用能力，具备了与国内兄弟单位的联网会商能力。 但与美国相比，我国天基空间天气业务探测能 力还有较大的差距，特别是在太阳监测方面差距更 大。而在地基监测方面，各发达国家或地区的业务或 准业务机构自主的空间天气监测系统并不完整，目前 仅美国军方的空间天气地基监测布局比中国气象局的 更加精细和庞大。这种状况可能由两个原因造成，一 是许多国家的国土面积相对空间天气尺度而言显得太 小，不需要也没有足够的疆域建设大量地基监测系 统，因此其地基监测往往侧重于某一个具体方面，例 如欧洲一些国家多侧重区域性的电离层监测；二是 这些国家内和国家间的数据共享机制非常成熟，因此 在实际业务或科研中其可用数据非常丰富，例如美国 （军方除外）、加拿大和澳大利亚。 3.2 预报预警 中国气象局的空间天气业务预报系统是根据空 间天气因果链的特点和气象预报预测体系的结构进 行设计的。尽管在业务开始之初大量借鉴乃至模仿 了NOAA的经验，但随着业务的发展，中国气象局一 直致力于将气象预报预测系统的成熟经验系统地引 入空间天气预报业务。目前，中国气象局具备了对太 阳活动、行星际、磁层、电离层、中高层大气等关键 区域的关键要素做出长期、中期、短期预报以及预 警和现报的能力，具备了综合数据分析能力、初步的 定量化分析能力与模式预报能力，形成了由日报、周 报、月报、年报、警报、现报和专报组成的系列化预 报产品。 在预报业务方面取得的进展还包括：完成国内第 一部《空间天气业务预报技术规范》；制定了14项预 报业务规范，其中3项申请了行业标准，3项申请了国 家标准；12种预报产品（表4）通过职能司审定正式 成为气象预报产品；初步制定了预报产品质量检验标 准；关键空间天气参数的预报准确率居国内先进水 平，与国际水平相当。 与美国SWPC相比，国家空间天气监测预警中心 的日常预报产品种类相似，预报精度相当。但需要关 注的是，在空间天气源头（太阳和太阳风）监测数据 方面，还强烈依赖于SWPC的数据，这是我国空间天 气预报业务中的最大隐患之一。同时，在数据产品的 加工和应用、预报技术的引进与发展等方面，我国距 国际先进水平还有一定距离。 3.3 应用服务 如前所述，“空间天气”之所以不同于“日地空 间物理”，就是因为其考虑了自然现象和技术系统之 间的关系，因此使得空间天气业务具备为相关用户提 供服务的可能。应该说，空间天气应用服务是空间天 气业务工作的出发点和归宿，是空间天气业务工作最 终体现社会价值的关键环节，也是业务工作不同于其 他科研工作的关键区别所在。 由于用户和潜在用户对于空间天气业务的认知度 还不够，因此中国气象局的空间天气应用服务首先设 计了总体构架，随后不断培养用户群体，并逐步开展 和深化服务。应用服务的内容主要包括决策服务、公 众服务、专业服务和用户培养。决策服务可通过重大 事件或活动的保障服务引起决策部门关注，有利于争 取国家支持；专业服务可通过对分类用户提供持续的 事件警报和规避措施建议来深化有关行业对空间天气 的认识，有利于培养专业用户；公众服务则通过对大 的空间天气事件的宣传来普及空间天气知识，有利于 加强公众对空间天气业务的理解和接受；用户培养则 是让用户知道空间天气的影响并与用户一起设计和深 化服务方案。 通过多年的实践，中国气象局空间天气应用服务 进一步明确了以决策服务为首位、航天/卫星服务为 重点、无线电通信与卫星导航定位服务为突破口的服 务发展思路，开展了大量空间天气科普宣传和用户培 养工作。一系列重要的空间天气保障服务取得了显著 效益，积累了大量经验，先后开发了航天器在轨碎片 预警系统、高能粒子环境及其辐射效应预报系统、中 高层大气环境预报系统、电离层环境预报系统等多个 应用服务系统。特别是在重大服务方面取得了突破性 的成绩，得到相关用户的高度赞扬。例如，利用风云 三号高能粒子探测资料预报的航天员安全出舱起始时 间仅与实际出舱时间相差1分钟；基于对卫星常发故 障的分析，结合空间天气监测预报，曾准确预报了一 次由空间辐射环境改变导致的某通信卫星故障发生时 间；基于GPS/MET的电离层TEC实时监测系统通过专 表4 空间天气主要预报产品 预报要素 产品名称 预报时效 太阳活动 F107指数 24～72小时 M级耀斑概率 X级耀斑概率 24～72小时 质子事件概率 太阳黑子数中期预报 3～27天 F107指数中期预报 3～27天 太阳黑子数长期预报 1～5年 F107指数长期预报 地磁活动 Ap指数 小地磁暴概率 24～72小时 大地磁暴概率 电离层天气 单站临频预报 24小时 TEC现报 1小时