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）

　　2015年11月11日至13日，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量连续3天超过中等高能电子暴阈值（1.0E+09个/cm2·sr·day），达到橙色警报等级。截至14日00:00UTC，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.6E+09个/cm2·sr·day。目前高能电子通量水平已明显下降，预计14日GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量将会下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平，请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

　　预计高能电子暴事件还将持续1-2天。关于近地空间环境的发展态势，我们将密切关注并及时通报。

图1 2015年11月11-13日持续中等高能电子暴事件

　　2015年11月11日至12日，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量持续超过中等高能电子暴阈值（1.0E+09个/cm2·sr·day），达到橙色警报等级。11月12日，GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到1.8E+09个/cm2·sr·day，目前仍处于高水平。预计13日GEO轨道大于2MeV高能电子日积分通量将会下降至小高能电子暴水平。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平，请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

　　预计高能电子暴事件还将持续2-3天。关于近地空间环境的发展态势，我们将密切关注并及时通报。

图1 2015年11月11-12日持续中等高能电子暴事件

　　受重现性冕洞高速流的影响，2015年11月9-11日地磁发生扰动。11月9-10日，地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量分别达到1.3E8个/cm2·sr·day、2.8E8个/cm2·sr·day，11月11日通量增加至2.0E9个/cm2·sr·day，达到中等高能电子暴水平。受其影响，卫星轨道高能辐射环境水平增加，深层充电概率上升。

　　预计高能电子暴事件还将持续2-3天。关于近地空间环境的发展态势，我们将密切关注并及时通报。

图1 2015年再次发生中等高能电子暴事件

图2 11月9日的冕洞示意图

    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