太阳风暴会对我们的生产生活和航天器安全造成威胁。为了减小太阳坏脾气爆发时造成的危害，我们总要想办法利用太阳望远镜等设备看清它的“脸色”。可是，有了大口径的望远镜，就一定能看清太阳的脸吗？望远镜拍摄太阳是不是像拍照片那么简单呢？需要具备哪些条件，完成哪些工作呢？

　　1.要有一个好站址

　　为了能够更好的看着太阳的“脸色”，人们建立了很多大型的天文台，放置了地基太阳望远镜设备。如果想利用太阳望远镜观测到太阳的清晰结构，首先要有一个好的站址。所谓“好的站址”，可不只是不能有雾霾那么简单，而是要综合考虑日照时数、平均风速、年均积分水汽和视宁度等因素。在众多的选址因素里面，最重要的因素就是视宁度。

图1 美国大熊湖天文台              图2 美国国家太阳天文台

图3 云南抚仙湖观测站

　　大气视宁度是对受地球大气扰动影响的天体图像品质的一种量度，主要用以描述点源图像的角大小和面源图像的清晰度。如果想通俗的解释大气视宁度的概念，我们可以举个例子。夏天的午后，如果走在被太阳晒的滚烫的柏油马路上，当我们看远方靠近路面的物体的时候，总会感觉物体是飘忽不定的，扭曲变形的。这就是因为被地面加热后的大气运动剧烈，对远处物体的成像形成了明显的影响。还有一个更容易理解大气扰动对成像影响的例子。将一根点燃的火柴放在视线前方，观察火焰上方的区域，我们会发现景物是在不停抖动的。这是由于火焰加热了周围的空气，使空气的密度改变并发生剧烈运动。试想，太阳光需要穿过厚厚的大气层（1000千米以上）照射到地面上，大气的扰动必然会影响望远镜对太阳的成像效果。当初美国宇航局花费21亿美元把哈勃太空望远镜送上太空，也正是为了摆脱糟糕的大气视宁度。

图4 受大气作用影响后落日产生了畸变

　　大多数的太阳天文台都是依山傍水，景色优美，其实也是为了实现更好的观测效果。选择在山顶或高海拔地区建站，主要是因为这些地方空气相对稀薄，减少空气中灰尘和水蒸气的影响，气候稳定，晴天数相对较多。而且由于气温较低，空气中形成下沉气流，从而减小空气密度差。选择靠近湖面的地区建站，是因为水的比热容相对较大，在接收同样太阳光照的情况下，湖面升温小于陆地，从而避免引起空气的剧烈流动。目前，我国科学家们正在实施“西部太阳选址计划”，在西藏和四川地区进行踏勘和定点观测。

　　2.自适应光学

　　按照人们的直观认识，望远镜做的口径越大就越先进，能拍到更远更清晰的图像。400多年前，伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜，望远镜的口径只有4.4厘米。由于口径限制了观测分辨率，伽利略只能观测到月球的高地和环形山投下的阴影以及太阳黑子等较大的目标。当人们进一步增大望远镜口径发现，望远镜空间分辨率并不随着口径的增大而线性提高，一般情况下只能达到10-20厘米口径望远镜所能达到的分辨能力。在牛顿时代已经知道这是因为光在穿过大气层时，受到大气湍流的影响引起波前畸变，降低了系统的分辨力。人们试图通过选取优良的观测站址来降低大气湍流对太阳观测的影响，直到自适应光学技术的提出和实现。

图5 伽利略发明的4.4厘米口径望远镜和目前在运行的最大口径1.6m太阳望远镜

　　自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的一种技术手段。它是一种反馈控制系统，主要包括探测器、校正器和控制器几个主要部分。波前传感器用于对畸变波前的实时探测，波前校正器用于产生校正波前，波前控制器对探测信息进行处理并控制波前校正器。波前校正器通过改变其镜面的面型或改变介质折射率，产生能够抵消畸变波前的共轭波前，最终实现实时补偿大气湍流畸变的目的。随着地基大口径太阳望远镜技术的发展，自适应光学系统逐渐成为太阳望远镜的标准装备。

图6 自适应光学系统工作原理示意图

　　3.图像处理技术

　　尽管自适应光学技术能够实时校正光束波前畸变，但是由于自身设计、计算机处理能力、闭环伺服带宽、波前观测数据误差以及噪声等因素的影响，自适应光学对大气湍流只能实现部分校正，观测目标的高频信息还是会受到抑制和衰减。因此，对这些经过自适应光学初校正过的图像还需要进行图像重构，进一步扣除大气湍流的影响，获得更高清晰度的图像。图像重构的典型算法有斑点重建术和盲解卷积等，在图像重构的过程中，大气湍流的模型构建、重构算法、运算平台的计算性能等要素，都会影响到数据重构的质量和速度。

　　此外，望远镜图像阵列探测器的各象元响应会存在不一致性，光路中也会有细小灰尘影响成像质量，为了消除这些影响需要对观测图像进行平场改正。为了提高图像的显示效果，还可以通过增加对比度、去掉模糊和噪声、边缘锐化、伪彩色处理等方法，使所需要的图像信息更加突出。有时观测目标太大，超出了望远镜视场范围，需要分别拍摄目标的不同部分，然后再通过图像拼接技术合为一体。经过一系列的处理，最终才能形成可以用于科学研究或监测预报的数据文件。

　　4.结语

　　虽然我们知道太阳是影响空间天气的源头，但如果想利用地基太阳望远镜看清它的脸还不是那么容易。地面观测的优势在于望远镜的口径不受限制，可以通过大口径观测来提高分辨力，但却因为地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的吸收作用，导致很多谱线观测不到。比如，冕洞的演变和日冕物质抛射都可能对地球环境产生巨大影响，极紫外波段光谱是研究日冕加热、太阳风加速等太阳活动机理的必要手段，但在地面上却无法获得这一波段的谱线，只能通过空间望远镜进行观测。随着空间技术发展，天地一体化的太阳观测成为大势所趋，可以进一步看清太阳脸色，减小太阳风暴对生产生活和航天器安全造成危害。

1. 太阳活动周

　　众所周知，太阳活动周具有11年周期性。在11年当中，平均4.7年是处于上升期，之后再经过6.3年下降到谷底。第24太阳活动周开始于2008年12月，目前已经经历了7个年头。2015年位于第24太阳活动周的下降段，通过统计和分析我们发现，2015年的太阳总体水平较2014年明显有所下降。太阳黑子数和F10.7年均值分别为70.4和117.5sfu，各比2014年下降了42%和19%。

　　太阳黑子月均平滑值曾于2012年2月达到本活动周的第一个峰值66.9，2014年3月达到第二个峰值80.8，也是截止目前本活动周最高值，之后逐渐下降，截止2015年5月下降至45.6。F10.7月均平滑值曾于2012年3月达到本活动周的第一个峰值126.8，2014年6月达到第二个峰值145.5，也是截止目前本活动周最高值，之后逐渐下降，截止2015年5月下降至123.3。这一现象符合中科院空间环境预报中心此前预测的第24个太阳活动周具有“双峰结构”，且当前太阳活动已经进入下降段的预报结果。

　　2015年日面上共出现了225个活动区，比2014年出现的活动区数量明显减少。2015年共爆发了125个M级耀斑和2个X级耀斑，与2014年爆发的208个M级耀斑和16个X级耀斑相比，数量明显减少。

图1 第24太阳活动周太阳黑子数平滑月均值的实测值与预报值

图2 第24太阳活动周F10.7平滑月均值的实测值与预报值

2. 太阳活动水平

　　X射线耀斑的发生频次直接反映了太阳爆发活动水平的高低。2015年共爆发了1377个C级耀斑，125个M级耀斑（黄色警报）和2个X级耀斑（橙色警报），最大级别为X2.7级。全年没有一次X10级以上的耀斑（红色警报）产生。

　　质子事件和日冕物质抛射事件常常伴随耀斑发生。2015年共发生了4次质子事件，其中小质子事件（黄色警报）3次，中等质子事件（橙色警报）1次，大于10MeV质子最大通量达到1070pfu。全年没有一次大质子事件（红色警报）发生。与2014年相比，2015年在活动区个数、黑子数、F10.7指数、C级耀斑、M级耀斑、X级耀斑、质子事件的次数和强度等方面均低于2014年的水平。

　　此外，太阳上爆发的日冕抛射事件也较多，冕洞对地磁环境的影响较往年有所增加，日冕物质抛射和冕洞引起了多次地磁暴事件。

表1 2013-2015年太阳活动比较

3. 地磁活动水平

　　2015年年均Ap值为13.4，Ap指数最大值为117，Ap≥15的天数为95天，占全年的26%。相比于2014年，2015年的整体地磁活动略有上升。其中，地磁活动达到活跃水平、小或中等磁暴水平、以及大或强磁暴水平的时段，相比2014年都有明显增加。2015年重现性冕洞高速流引发的地磁扰动频次增加、强度更高、持续时间较长。本年度中，有两次较强的磁暴扰动。一次发生在2015年3月19-23日，受CME和冕洞高速流的共同影响，地磁共有12小时达到大磁暴水平（橙色警报），12小时达到中等磁暴水平（黄色警报），18小时达到小磁暴水平（黄色警报），其中3月17日Ap指数达到117，为全年最高值。此次地磁暴是第24太阳活动周以来最强地磁暴。另一次较强的地磁扰动发生在6月22-25日，受CME的影响，地磁共有9小时达到大磁暴水平（橙色警报），6小时达到中等磁暴水平（黄色警报），9小时达到小磁暴水平（黄色警报），其中6月23日Ap指数达到75。2015年没有特大地磁暴（红色警报）发生。

　　图4给出了最近三个活动周的地磁Ap指数月均平滑值。由图可见，与第22活动周和第23活动周相比，本活动周的地磁活动水平远低于这两个活动周。

图4 最近三个活动周Ap指数月均平滑值

表2 2013-2015年地磁活动水平比较

4. 高能电子暴

　　2015年，地球同步轨道大于2MeV高能电子通量全年共有74天达到小高能电子暴水平（黄色警报），6天达到中等高能电子暴水平（橙色警报）。总次数远超过2014年的10天。其中最强的一个高能电子暴发生在2015年10月8-15日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量连续3天达到中等高能电子暴水平，大于2MeV电子日积分通量的峰值为2.2E9（P/cm2-day-sr）。另一个高能电子暴发生在2015年11月5-13日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量连续3天达到中等高能电子暴水平，大于2MeV电子日积分通量的峰值为2.0E9（P/cm2-day-sr）。2015年没有发生强高能电子暴（红色警报），无论是高能电子暴的级别还是持续时间，都高于2014年的水平。

图5 2015年地球同步轨道高能电子通量水平

5. 电离层环境

　　电离层环境的剧烈变化会对电波传播产生显著的影响，从而干扰通信、导航定位等系统的运行。2015年月报中加入了电离层扰动事件的综述，主要包括电离层突然骚扰、极盖吸收、电离层闪烁和电离层暴四类事件。

　　电离层突然骚扰事件与地方时正午前后爆发的M级以上耀斑相关，会造成向日面短波通信的干扰，2015年影响中国区域的该类事件共计3次。极盖吸收事件与太阳质子事件相关，会造成极区短波通信受干扰甚至中断，2015年共计4次。这两类事件的发生频率会随着太阳活动水平的下降而变低。电离层暴事件则与地磁暴相关，是太阳风暴的电离层响应。电离层暴期间，电离层F2层临界频率（foF2）和电离层总电子含量（TEC）相对背景值有显著变化。2015年中国区域的电离层暴事件共计17次。

　　电离层闪烁事件以发生的天数统计，以东南沿海5个GNSS观测站的电离层闪烁数据为准。从时间上看，2015年2-4月和9-11月（春秋两季）闪烁天数较多。从地理位置看，越靠近电离层赤道异常区中心的台站发生天数越多，2015年海南富克站闪烁天数总计67天，4月最多达18天，广州和南宁站分别为总计39天和42天。

图6 2015年1—12月电离层闪烁事件发生天数

6. 2015年的大太阳风暴

1）2015年3月的大地磁暴事件

　　北京时间2015年3月15日09:50，AR2297爆发了C9级耀斑，伴随有朝向地球的日冕物质抛射（CME）。3月17-18日，受CME到达地球的影响，太阳风速度最高达到760km/s左右，行星际磁场南向分量最低达到-28nT，有12小时达到大磁暴水平，12小时达到中等磁暴水平，18小时达到小磁暴水平，Dst指数下降至-200nT以下。此次地磁暴是第24太阳活动周以来最强地磁暴。19-23日，受重现性冕洞高速流的持续影响，太阳风速度维持在500-750km/s之间，地磁共有3小时达到中等磁暴水平，18小时达到小磁暴水平。其中，3月17日Ap指数达到117，也是2015年Ap指数最高值。3月19-27日，地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量达到小高能电子暴水平。 3月17-19日，中国大部分地区电离层发生剧烈的负向扰动，漠河、北京、武汉监测到电离层F2层临界频率（foF2）低于背景值50%以上。

图7 C9级耀斑（上）、SDO观测的极区冕洞（左下）、日冕仪观测的CME（中下和右下）

图8地磁Kp指数

图9 3月17-19日漠河、北京、武汉和三亚站监测到电离层F2层临界频率（foF2）的暴时变化

2）2015年6月的大地磁暴事件

　　北京时间2015年6月22日02:20，活动区AR2367爆发了一个M1级耀斑，随后，地球同步轨道大于10MeV的高能质子通量快速上升，04:35超过质子事件阈值（10pfu），发生质子事件，11:50达到橙色警报级别（大于10MeV质子通量超过100pfu），6月23日03:00达到峰值1070pfu。

　　受19日和21日爆发的日冕物质抛射的影响，21-23日太阳风速度最高达到791km/s，地磁有9小时达到大磁暴水平，6小时达到中等磁暴水平，9小时达到小磁暴水平，12小时达到活跃水平。其中，6月23日Ap指数达到75。6月24日地球同步轨道GOES卫星地球同步轨道大于2MeV高能电子通量达到小高能电子暴水平。

图10 6月19日和21日卫星观测到的CME（下图）

图11 耀斑、质子事件和地磁Kp指数

3）2015年持续影响地磁的大冕洞

　　日面上的冕洞随着太阳自转，具有27天的重现性。2015年重现性冕洞高速流引发的地磁扰动频次增加、强度更高、持续时间较长。2015年有两个持续出现5个太阳自转周的大冕洞。第一个冕洞（冕洞1）是极区冕洞，于2015年2月16日、3月15日、4月12日、5月8日、6月5日、7月1日、7月29日随太阳自转到日面中心附近，该冕洞对应的重现性冕洞高速流在CR2160至CR2166共7个太阳自转周引发较大的地磁扰动。另一个冕洞（冕洞2）位于太阳赤道附近，于8月11日、9月7日、10月5日、11月1日、11月27日随太阳自转到日面中心附近，该冕洞对应的重现性冕洞高速流在CR2167至CR2171共5个太阳自转周引发较大的地磁扰动。

图12 CR2016至CR2166观测的极区冕洞1

图13 CR2167至CR2171观测的冕洞2

表3 冕洞1和冕洞2引起的地磁扰动

7.小结

　　回首2015年，太阳活动的整体水平比2014年的确有所下降。但是，地磁活动的整体水平反而比2014年有所上升。从活动周的发展趋势来看，2016年属于第24个太阳活动周的第8个年头，是属于太阳活动周的下降段的。2016年，我们仍会实时的关注太阳活动的一举一动，并给出及时准确的预报。

    2015年12月17日8时12分，中国在酒泉卫星发射中心成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。“悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星的首颗星，是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。2015年12月处于第24太阳活动周的下降期，“悟空”任务期的空间环境如何？中科院国家空间科学中心的空间环境预报中心（简称预报中心）又是如何为其保驾护航的呢？

图1 暗物质粒子探测卫星成功发射

    “悟空”探索路上的空间环境

    “悟空”是一颗太阳同步轨道卫星，影响卫星发射运行安全的轨道空间环境主要是高能辐射环境、中高层大气环境、等离子体环境、碎片和微流星体环境等。

     辐射环境

    卫星轨道上的辐射环境包括银河宇宙线、辐射带高能粒子和太阳爆发质子事件时到达轨道的部分高能质子和重离子。“悟空”的飞行轨道属于低地球轨道，由于地磁场的屏蔽作用，轨道上的银河宇宙线通量较低，主要分布在极区上空。辐射带是卫星轨道上的主要辐射环境，包括南大西洋异常区上空的内辐射带和靠近极区的外辐射带。内辐射带主要是高能质子，比较稳定，通常能引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应；外辐射带主要成分是高能电子，在低高度主要分布在极区，受地磁影响高能电子通量变化幅度较大，对卫星的主要影响是充放电效应。

图2 500公里上的电子辐射带

    太阳质子事件会引起卫星轨道上辐射环境的显著变化，受地磁场屏蔽的影响，质子事件产生的高能质子和重离子主要分布在极区，能够引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应。

       中高层大气环境

    “悟空”主要运行于中高层大气区域，该层大气环境的波动会对卫星产生阻力效应，会导致卫星的轨道姿态、轨道衰变率和在轨寿命的改变。原子氧对卫星表面的腐蚀效应，也会引起表面材料质量损失和材料物理与化学性质的改变。

图3 卫星轨道高层大气密度变化

     等离子体环境

    高密度等离子体环境在卫星发生表面充电事件时容易引发静电放电，危及卫星安全。夜侧的极区沉降带是卫星发生表面充电事件的高危区，卫星在此区域有一定的概率发生大于100V的高表面充电事件。随着地磁活动水平的增高，卫星发生高表面充电事件的概率将明显增加。

图4 卫星表面充电环境变化

      空间碎片和微流星体环境

    “悟空”所处的低轨道是碎片密集的区域，因此要对空间碎片进行在轨碰撞预警。当地球绕太阳公转穿过流星体密集的区域时，会接近或穿越它们的轨道，就会发生流星雨。这时地球及围绕地球运行的卫星就会遇到流星体撞击。因此，卫星发射应尽可能避开“流星暴”发生时段。

    太阳活动是近地空间环境的扰动源，大的太阳爆发活动直接影响近地空间环境。其中大气环境和高能辐射环境的变化主要受太阳与地磁活动的制约。因此，“悟空”发射运行期间的太阳和地磁活动是需要重点关注的空间环境预报要素。

     空间环境预报保障

    空间环境预报保障的目的是为卫星的设计、发射、试验和在轨运行提供空间环境参数的长期、中期、短期预报和效应评估，为试验任务决策提供空间环境依据。针对“悟空”的空间环境保障任务，预报中心首先分析空间环境对卫星平台和探测载荷的影响，制定了详细的空间环境保障方案。为开展空间环境保障服务工作，预报中心研制了 “先导卫星空间环境态势软件”。

     发射前的空间环境保障

     预报中心从“悟空”发射前三个月开始提供发射安全期预报，发射前7天至发射当天每天提供一次；在发射前三天每天提供一次针对“悟空”发射窗口的空间碎片碰撞预警报告。

图5 空间环境发射安全期短期预报和碎片碰撞预警

     针对“悟空”发射窗口2015年12月中旬，预报中心详细分析了最近半年的太阳和地磁活动状况，并根据最新的空间环境监测数据，做出了卫星发射安全期预报：暗物质粒子探测卫星发射窗口期间，发生大太阳爆发活动和地磁扰动的可能性较小，预计发射窗口的空间环境是安全的。

图6 暗物质粒子探测卫星任务期间的空间环境

    卫星在轨测试空间环境保障

    在卫星发射和在轨测试阶段，预报中心24小时不间断对空间环境进行监测，每日提供空间环境预报和效应分析产品，供卫星平台和载荷研制单位使用。预报中心提供了两类9种产品，第一类是空间环境要素和事件的预报，包括在轨空间环境预报、空间环境事件警报、太阳和地磁指数中期预报；第二类是空间环境效应分析，包括卫星轨道大气密度变化、卫星轨道大气密度二维分布、卫星穿越南大西洋异常区预报、太阳质子轨道分布、卫星表面充电环境和卫星载荷异常空间环境分析报告。

    卫星发射、载荷加电以及载荷加高压期间，空间环境都是安全的。

图7 预报员在怀柔在轨监测大厅提供空间环境保障服务

      空间辐射环境分析

    “悟空”携带有精密的探测设备，这些设备对空间辐射非常敏感，因此卫星的运控部门非常关心轨道上空间辐射环境的状况。预报中心对卫星轨道上的空间辐射环境和辐射效应进行了分析与计算，与卫星载荷、运控等部门讨论了卫星经过南大西洋异常区（SAA）的运控策略，为地面应用系统提供了精确的南大西洋异常区轮廓数据，同时，每天通过公共服务平台发布暗物质粒子探测卫星经过质子辐射带、电子辐射带的时间，以及经过SAA时每一时刻的质子能谱通量。

图8卫星穿越南大西洋异常区时间预报

    空间环境保障软件研制

    为顺利实施空间环境保障任务，预报中心研制了“先导卫星空间环境态势软件”。该软件动态展示了卫星在轨预报所需要的太阳活动和地磁活动参数，所经历的辐射环境、大气环境变化信息，有质子事件发生时轨道上质子通量的变化等。

图9 先导卫星空间环境态势软件

      未来之路任重道远

    中科院国家空间科学中心是我国载人航天工程任务的空间环境保障责任单位，曾参加了载人航天历次飞行任务，成功完成了神舟一号到神舟十号以及天宫一号的空间环境保障任务。怀着对我国空间科学研究探索的崇高使命感以及强烈的责任心，又出色地完成了空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行的空间环境保障工作。

图10先导卫星任务期

    未来，预报中心继续为“悟空”在轨运行提供空间环境保障服务，还将承担量子卫星、实践十号和空间硬X射线调制望远镜卫星发射飞行的空间环境保障任务。空间科学先导专项四颗卫星的任务期处于第24太阳活动周的下降期和第25太阳活动周的上升期，因此，先导卫星任务的空间环境保障，我们仍任重道远。

    2015年10月29日，美国白宫颁布了一项新的战略纲要：《国家空间天气战略和行动计划》，从国家层面来应对极端太阳风暴所带来的威胁。而引用美国白宫科学顾问约翰•霍尔德伦所言：“空间天气已经成为奥巴马政府需要优先考虑的事项之一”。为何白宫如此看重空间天气？为何需要专门出台国家战略？其战略目标和行动计划有哪些内容？本文为您一一解读。

图1 空间天气对国家技术系统和关键基础设施的影响

1.战略制定

    众所周知，太阳爆发引起的空间天气事件会对电力系统、无线电通讯、导航系统、卫星及航天器等国家关键技术系统和基础设施产生潜在乃至严重的破坏。美国国家海洋和大气局行政主管凯瑟琳·苏利文曾犀利地指出，“尽管人类对空间天气的物理现象研究甚多，但社会在太阳风暴面前依然脆弱”。有鉴于此，美国国土安全部2011年发布了《国家战略风险评估报告》，将空间天气确定为对国家安全构成重大危险的灾害之一。而空间天气更是一个全球性的问题。与地面天气事件（如飓风）不同，空间天气有可能同时影响整个北美或更广泛的全球地区。美国政府认为，鉴于可靠的电力和太空资产对国防和经济安全的重要性与日俱增，构建能提高国家乃至国际间对空间天气事件潜在的灾害影响的保护、减缓、响应、恢复能力的战略至关重要。因此2014年，经过国会参众两院批准，来自联邦政府不同部门的24名代表成立了一个特别委员会——空间天气运作、研究、与缓解工作组——着手制定美国国家空间天气战略和行动计划，并在一年后正式成文。

2.战略目标

    白宫发布的美国国家空间天气战略旨在通过整体性的国家行为，提升对空间天气风险的预防、缓解和管控能力，提升关键设施与技术系统的适应能力，加强政府和公民对空间天气影响的理解和应对能力，提高空间天气监测和预报的准确性、及时性和可靠性，确保国家具备承受极端空间天气事件并迅速恢复的能力。该战略共包括六项具体战略目标。
建立空间天气事件基准

    基准是对空间天气现象的相关物理参量进行的清晰一致的描述，是一组可以衡量空间天气事件性质的特征和条件。事件基准能增进国家和民众对空间天气效应的理解，帮助评估关键设施的弱点，提供减缓程序和实施的参考要点，以及增加响应和恢复行为的计划性。

提高响应与恢复能力

    极端的空间天气事件发生频次低、潜在影响大，需要全国协作响应与恢复。国家需要制定一项在灾害条件下重点区域或者全国性的应急响应与恢复计划，以更逼真地模拟和评估极端空间天气事件对于关键基础设施和全社会的影响。同理，国家需要发展出全面的恢复架构，提供必要的指导准则，以确保联邦、各州政府、地区政府、以及全社会能够在极端空间天气事件影响下继续履行职能并尽快恢复常规。

提升保护力与减缓力

    关键基础设施系统的相互依赖性日益增加，加剧了其在空间天气事件前的潜在脆弱性。为建立空间天气国家应急准备，必须提升保护力与减缓力。保护力重在消除关键基础设施在空间天气方面的脆弱性；减缓力关注长期缺陷消减并提升抗灾能力。这些应急准备任务共同构成了对空间天气事件进行缺陷消减和风险管控的国家努力。

改进对关键基础设施影响的评估、建模、预报能力

    在空间天气风暴时期，国家亟需及时、可行、相关的决策支持服务。而这些服务需要建立在对国家关键基础设施（例如电力、运输、通信、导航系统）的效应观测、评估、建模、以及最终的减缓预报等能力之上。这样才能够更清醒的认知空间天气对社会的影响，以便在极端事件期间更好地进行行动紧迫性报告，并努力在灾害事件发生前做出适当的减缓和保护措施。

促进空间天气理解和预报，提升空间天气服务能力

    增进对空间天气的基础理解必须付诸行动。准确、可靠、及时的空间天气监测和预报（及相应的产品与服务）是国家应急准备的关键要素。空间天气基础科学研究，是提供高质量的空间天气产品与服务之匙，有助于提升必要的建模能力，以满足用户决策需求。

增加国际合作

    在一个基础设施越发相互关联和依赖的世界中，任何对这些关键技术的破坏都会引发区域性乃至全球性的后果。因此，空间天气应被视作需要国际协同响应的全球性挑战，必须动员广泛的全球支持。美国需要在政策层面构建国际支持，加强基础科研领域的国际参与和数据共享，加强空间天气产品和服务的国际协调与合作，开发全球化的应对策略。

3.行动计划

    针对上述六大战略目标之外，白宫当局还发布了行动计划，即联邦机构和不同部门如何实施该战略的具体措施、时间节点、行动步骤、以及细致的任务安排。该战略计划自2016财年开始执行，初步安排以3年为期，并在执行过程中根据目标完成情况和具体进展进行调整。

4.社会反响

    空间天气事件给国家关键基础设施带来了严重且复杂的风险，并且有可能导致重大经济和社会损害。美国出台这一战略及行动计划为管控及减缓空间天气风险迈出了国家层面的一步。美国社会抗灾组织主席托马斯皮克认为：“该项战略是对严重缺乏监管和适当标准的美国电网的补偿”。美国国家海洋和大气局前任行政长官巴赫尔则认为，该项战略计划提供了契机，有助于美国政府、学界、工业界通力协作，提升对空间天气事件的预报力和抗灾力。美国科罗拉多大学大气与空间物理实验室主任贝克尔希望该项战略和行动计划能成为分水岭，为人类应对空间天气带来转机。

图2 美国《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》

5.机遇与挑战

    空间环境预报中心是空间中心专门从事空间环境研究、提供空间环境预报和效应服务的科研单元，是中国科学院空间环境研究预报领域的主要执行机构之一。中心每年365天不间断公开实时发布空间环境预报信息，通过专线、网站、手机短信、客户端App等方式及微信、微博等社会服务平台，为用户提供定制、多样化、实时、准确的空间环境服务；并出色完成了我国载人航天、探月工程以及在轨卫星运行安全等各项重大航天工程的空间环境保障任务，建立了先进的空间环境保障系统。此外，空间环境预报中心也是国际空间环境服务组织（ISES）的联合警报中心之一，倡议和承担了组织中的多项活动，其中包括ISES章程修订、网站设计更新、ISES空间天气共同产品界定、空间天气数据交换方式等；并与他国空间环境服务中心开展了多项关于数据及模型共享、预报产品及服务交流、空间天气事件标准研制等相关领域的交流合作。

    当前我国针对空间天气的防备和预报尚缺乏国家层面的战略设计，而随着我国科技文明的进步和信息化水平的不断提高，灾害性空间环境事件对我国社会的影响力和破坏力将不容小觑。我们必须持有充分的思想准备和应对预案，才能够采取正确的防范措施，最大限度地降低其可能带来的危害，保障国家重要基础设施和技术系统，乃至经济和民生的安全。

图3 空间环境预报中心预报产品在线发布网站（左上）、手机客户端App界面（右上）和空间环境业务保障服务大厅（下）

    入秋以来，信鸽比赛的归巢率、飞行分速明显偏低，甚至出现大面积丢鸽，鸽友们因此产生了种种困惑和疑虑，是拿错了地图？还是成了盘中餐？

      迟迟未归的信鸽

    信鸽具有天生的归巢本能，能够从遥远而陌生的地方返回自己的巢穴。这种归巢本能是信鸽竞翔运动的基础，然而信鸽的这种本领从何而来依然是个谜。有人认为信鸽是依靠太阳或者月亮 进行定向，也有人认为是依靠地磁场进行定向和 定位的，而更普遍的观点是信鸽可能同时或交叉 使用多种方法进行导航并归巢。

    经验来说，大风、大雨及大雾天气都会影响信鸽的飞翔和定向，所以各地的信鸽协会都会选择天气晴朗、无风或微风的日子安排比赛。但是即便小心地避开了不利天气，有时仍会出现信鸽的归巢率极低的情况，以今年 9 月至 10 月间的几次信鸽比赛为例：

    ● 09 月 8 日，天气晴，内蒙某协会 150km比赛，集鸽羽数 450 羽，当天归巢 242 羽；

    ● 09 月 10 日，天气晴，风力 2 级，广东某俱乐部 160km 训飞，集鸽羽数 600 羽，当天归巢 35 羽；

    ● 10 月 7 日，天气晴，山东某协会 km 比赛，集鸽羽数 777 羽，当天归巢 50 羽；

    ● 10 月 8 日，天气晴，风力 2 级，湖南某协会 500 km 比赛，集鸽羽数 1201 羽，当天归巢 148 羽。

    ● 从以上的数据可以发现，在 9 月 10 日和10 月 8 日，信鸽的归巢率极低，甚至不及10%。在如此有利的天气条件下，究竟是什么扰乱了信鸽的定向能力？也许我们可以从空间天气的扰动中找到答案。

      接踵而至的地磁扰动

    作为空间环境预报员，对以上列出的几个 日期非常熟悉，这几日太阳表面的冕洞曾让预报 员们忙的焦头烂额。这些周期性出现的冕洞会引起地球磁层的扰动、造成地磁场的活跃甚至引起 大地磁暴的发生。这种日期上的重合看似巧合， 实际上却揭示了信鸽丢失与地磁场扰动之间的关 系。

    地磁场的扰动一般是由太阳爆发活动（日冕物质抛射）或太阳冕洞引起。在太阳活动下降年，太阳趋于平静，由日冕物质抛射引起的地磁扰动逐渐减少，而太阳冕洞对地磁的影响却逐渐增强。2015 年是第 24 太阳活动周的下降年，由冕洞造成的地磁扰动事件逐渐增多。图 22 是 2015 年 9月和 10 月出现在日面上的同一冕洞，由于太阳的自转运动，它会周期性的出现在太阳的可见日面上，对地球磁场造成扰动。如图 23 所示，它在 9 月上旬和 10 月中旬都引起了强烈的地磁扰动。

图 2 重现性冕洞高速流

图 3 重现性冕洞高速流大地磁暴

        北京时间 10 月 7 ～ 8 日地球磁场持续扰动，在 8 日凌晨 2 点达到了大地磁暴水平。我们统计 了 8 日当天空距超过 100km，集鸽羽数大于 100的比赛归巢率 [1]，如表所示。上述统计数据表明，在磁暴发生时，全国各地信鸽的归巢率都普遍下降。如此大面积的丢鸽 事件，基本可以排除当地天气状况、信鸽质量等原因，而全球性的地磁扰动成为这一现象最合理的解释。

    类似现象让很多信鸽协会敏感地意识到地磁暴与信鸽归巢的关系，开始重视地磁扰动，并将其作为安排比赛日期的重要参考因素。空间环境预报中心也因此增加了很多来自航天系统以外的 用户——信鸽协会。

      忙碌的空间环境预报员

    “10 月 8 日地磁活跃，发生地磁暴可能性较高。另近日训放、比赛，归巢情况均不理想。 为减少鸽友的损失，也抱着对鸽友负责的态度， 决定取消本次训放，具体训放时间，网上另行通 知。望参赛鸽友给予理解，谢谢！

    很多信鸽协会和俱乐部会根据地磁指数的预报结果调整比赛安排。河北、山东、内蒙古等省 份的很多信鸽协会已经成为我们的用户，时时关 注我们在网站和 APP 上提供的预报结果，将其作为安排比赛日期的重要参考，在信鸽比赛前还会电话联系预报员进行咨询和确认，“明天 7 ～ 9点地磁状况怎么样？”、“我们要放鸽子，地磁活跃也不行啊！”……

    中科院国家空间科学中心为航天工程提供空间环境保障的同时，为公众科普和公众服务也是我们工作的重要组成部分。每一次地磁暴来临，都会伴随着电话铃声的不断响起，无论是否为工作时间，无论是否为当班预报员，我们的预报员都会综合考虑空间环境各个要素，给出合理和及时的建议。

图4 预报员在值班

        解救迷失的信鸽

     国外信鸽协会已将地磁活动状况纳入比赛安排的考虑，形成比较完整的信鸽飞行预报体系， 在 Kp 大于 4 或 Dst 指数大于 140 时，不宜放飞 信鸽。目前国内信鸽协会对地磁扰动的认识不深，需要我们广泛宣传地磁扰动对信鸽的影响，让更 多的信鸽协会在安排比赛日期时将地磁扰动状况 纳入考量因素。

     中科院国家空间科学中心的空间环境预报中心面向公众提供了短期、中期、长期等多种形式 的预报产品，开发了 Kp 指数等预报模式，通过 网站、邮件、短信、APP 等为公众提供预报服务。除提供常规预报产品和服务，根据用户的需求，我们还可以提供类似《信鸽出行指南》等定制服 务，让我们的服务成为安排训放和比赛的辅助工 具，帮助用户选择放飞时间，避开地磁扰动，尽可能的减少用户损失。

图 5 预报 APP 界面

图 6 kp 指数预报模式