你不知道的空間環境預報中心

看到這個題目的時候，估計很多人已經充滿了層層疑惑：什麼是空間環境？空間環境可以預報嗎？空間環境預報什麼？空間環境預報中心怎麼預報？誰在預報？預報給誰用？本文將會帶您一起揭開空間環境預報的神秘面紗。

1.什麼是空間環境？

說到空間環境，我們不得不提到太空——這個與人類生存發展息息相關的「第四領域」，這裡是人造地球衛星、飛船、太空梭、空間站等航天器的飛行區域，是人類開發和利用太空資源的主要活動領域，也是危害人類活動與生存環境的空間環境災害事件的直接發生地。人類要開展空間活動，就不能忽略空間環境。

通俗地說，空間環境是人類賴以生存的自然環境之一，是空間中與人類生活、生產、軍事活動有關的所有物質條件的總和。按其組成要素，又可分為空間電磁環境、空間帶電粒子環境、中高層大氣環境、流星體環境、空間碎片環境等。

圖1 空間環境與人類的關係

空間環境和地面環境不一樣，地面環境我們可能關注的是溫度是多少，有沒有風，有沒有下雨。太空雖然沒有風雲變幻，但是各種看不見的危害更是暗箭難防，空間環境不是一成不變的，尤其圍繞太陽發生的環境變化比地面的天氣現象更激烈更危險。空間環境時時刻刻在改變，這種變化叫做空間天氣。空間天氣和地面天氣一樣會發生劇烈變化，也會發生災害性的變化，就像我們地面上會發生颱風、龍捲風，暴風雪一樣，它的災害性的變化來自於太陽，所以我們叫做太陽風暴。太陽風暴主要有三種攻擊形式來攻擊地球。第一種，光的輻射增強，就是太陽耀斑，它到達地球大約8分鐘；第二種，太陽會噴射出能量非常高的帶電粒子，到達地球需要幾十分鐘到幾個小時，會發生太陽質子事件；第三種影響範圍最廣，太陽的日冕物質向外噴出，大概一到四天後，到達地球空間，引起地球的磁層像海嘯一樣發生擾動，引起空間天氣各種變化。災害性的空間天氣會對航天系統、無線電鏈路系統、電力和能源系統、軍事系統產生嚴重影響，對生命系統產生顯著影響，還會對地面天氣和氣候系統產生較明顯的影響。

圖2 太陽爆發三輪攻擊示意圖

針對空間環境的預報就是空間環境預報，它的主要內容是對太陽活動和近地區域及其系統造成的影響進行預報。

2.空間環境預報中心

為保障我國航天活動安全，空間環境預報事業應運而生。早在20世紀60年代初衛星事業剛剛起步時，中國科學院在趙九章先生的領導下就開始了空間環境的研究，當時主要研究的問題是地球輻射帶中高能帶電粒子對衛星的影響。1971年編寫的《人造地球衛星環境手冊》為航天工程設計人員提供了一本便於查閱的工具書。

我國航天事業的開拓者之一——錢學森先生預見到空間環境變化將是航天事業面臨的一個重大問題，要求空間環境科學工作者能夠預報太陽活動和空間環境的擾動，並譽之為「紅色預報員」。從此，我國的空間環境預報開始了它的漫漫征程。

1992年，載人航天工程正式列入國家計劃，隨後在此工程支持下，按照「邊建設、邊研究、邊服務」的指導思想，中國科學院空間環境預報中心從1993年開始籌建，1998年基本建成並投入試運行，1999年月12月通過驗收，正式運行，並公開向國內外發布空間環境預報，成為我國首個實現業務化運行的空間環境預報中心。

「應載人而生，為載人貢獻」，這是空間環境預報中心從開始就樹立的服務信念。從神舟一號到神舟七號，飛船從無人到有人，從一人一天到兩人多天，從兩人多天到航天員出艙，從天宮一號目標飛行器與神舟八號到神舟十號飛船的交會對接、從天宮二號空間實驗室與神舟十一號飛船及第一艘貨運飛船天舟一號的交會對接，載人事業取得了舉世矚目的成就。空間環境中心為每一次載人航天飛行發射窗口準確預報，避開太陽質子事件，成功地提供了空間環境保障（圖3）。

圖3 載人航天空間環境保障

空間環境預報中心根據任務需要，也為我國的探月工程嫦娥一號、嫦娥二號和嫦娥三號衛星分別提供了空間環境保障服務。在空間科學先導專項任務中，為暗物質衛星、實踐十號、量子衛星和硬X射線望遠鏡等系列衛星發射和在軌運行提供了空間環境預報保障服務。

在飛行器或衛星發射前的一年，空間環境預報中心就針對任務特點，進行研究和準備，陸續不斷地向工程指揮部提供各空間環境要素的研究報告。在預定發射前3個月，開始提供空間環境中期預報；進入1個月倒計時，每周提供空間環境安全期預報。從發射前一周開始，每天提供一次短期報告。飛船升空入軌後，更要派專人24小時值班，報告周期縮短至8小時一次。每一份報告都是多名預報工作者準確計算、反覆會商的結果。每一次任務的順利完成，預報工作者都經歷著不同的考驗。

3.如何做空間環境預報？

空間環境預報是對日地空間（包括太陽、行星際、磁層、電離層、熱層空間）可能影響天地基技術系統、人類身體健康和生產生活的各類環境狀態和事件的預測、預報。

空間環境預報不僅僅是對未來的預測，這一點與地面氣象有點不同。因為氣象是我們能夠感知的，而空間環境是人無法感知的。預報的過程是空間環境模式與人的經驗相結合的過程。空間環境預報的一般流程是獲取天地基空間環境監測數據、經過各種預報模式、效應模式的處理，產生初級預報結果，結合預報員個人及集體的經驗，形成預報產品，並分發給各級各類用戶。

圖4 空間環境預報流程

空間環境預報中心建立的空間環境預警系統以自動化、集成方式實現了空間環境數據收集、模式運行、預報、影響分析和空間環境預警產品發布的業務預報全過程的協同高效運行，也成了預報員發布空間環境預報的得力助手。

圖5 空間環境預警系統示意圖

空間環境預報內容主要是對空間環境參數、空間環境指數、空間環境事件三種要素進行預報。空間環境參數是描述不同空間區域特性的各種物理量，比如電離層分布、高層大氣分布等；空間環境指數是描述不同空間環境狀態擾動級別、大小的指標性參量，比如太陽F10.7指數、地磁Ap指數、Kp指數等；而空間環境事件是指空間中擾動大於一定級別、可對天地基技術系統或人類身體健康造成一定影響的事件，比如太陽X射線耀斑、太陽質子事件、地磁暴、高能電子暴等。

空間環境預報產品則是對未來一段時間內空間環境狀況、變化趨勢、空間環境事件發生的預測。根據預報的時間尺度劃分，預報產品可以分為短期預報（三天內）、周報、月報、長期預報（一年及以上時間）。根據服務用戶劃分，預報產品可以分為常規產品和定製產品。

常規產品是針對特定參數，特定事件在日常運行中生成的產品，包括警報、通報、現報和預報。常規產品只是給出應用最為廣泛的參數和事件的預報，只是空間預報服務的一部分內容。定製產品則是根據特定用戶和特定需求，以常規產品和相關監測數據為基礎，根據用戶的具體需求，將數據、模式結果、預報結果、效應分析進行組合，提供的針對性預報產品。比如我們所服務的載人航天工程、探月工程和空間科學先導專項等。

由於空間環境預報的專業性和特殊性，適用的領域不同，在大眾化的媒體上展示較少，預報結果通常發布在專業的網站和新媒體平台上。

4.空間環境預報的主角——預報員

伴隨中國人飛天夢想的實現，我國的空間環境預報事業蓬勃發展，我們的預報員也是伴隨著我國載人航天事業的發展成長起來的。既有從神舟五號開始參加過多次航天工程空間環境保障任務的老預報員，也有剛剛參加工作的新預報員。空間環境預報中心現有預報員15人，有9名預報員直接從事日常空間環境預報工作。預報員值班採用主崗和副崗雙崗值班制，每個預報員連續值班兩天，一天副崗，一天主崗。隨著空間環境用戶需求及預報產品種類的增加，空間環境預報中心在發展和業務運行過程中實行制度化管理，建立和完善了預報員崗位職責、上崗、會商、作息和節假日值班補貼等5套規章管理制度。一年365天，合理安排預報員值班，任務期採用24小時工作制，確保空間環境預報中心業務預報全年穩定運行。預報中心編製了《空間環境預報產品手冊》和專業預報指導書——《預報員手冊》，指導預報員完成各類預報產品並按照既定規則分發各級用戶。

圖6 預報員會商討論

圖7 空間環境預報產品手冊和預報員手冊

圖8 預報員參加工程任務空間環境預報保障

在空間環境預報中心全體工作人員的努力下，預報中心先後獲得過《中國載人航天工程突出貢獻集體》和《中國青年五四獎章集體》，其中有5位預報員先後榮獲《中國載人航天工程突出貢獻個人》稱號、1位預報員榮獲《中國探月工程突出貢獻個人》稱號、1位預報員榮獲《中國青年五四獎章》榮譽稱號。

圖9 空間環境預報中心獲得的榮譽證書

2018年起，空間環境預報中心的預報員隊伍在工作之餘專門參加國科大研究生課程《空間環境預報》的學習，以提升個人理論基礎和業務預報能力。預報中心也完善業務預報評估考核機制，提高預報準確率，促進空間環境預報中心業務預報水平的整體提高。

圖10 預報員參加《空間環境預報》課程學習

5．空間環境走向公眾

在載人航天系列飛船、目標飛行器、空間實驗室、探月衛星和空間科學先導專項系列衛星成功發射過程中，中央電視台、新華社、中央人民廣播電台等媒體對環境預報中心的工作進行了全程實時報道（圖11）。同時，預報中心還開展了豐富的科普宣傳活動，接待了社會各界人士的參觀訪問（圖12）。空間環境預報專家走進演播室、走進高校講壇、走進網路（圖13），深入淺出地講解了空間環境和空間環境預報服務。空間環境——對公眾來說這個曾經比較陌生的辭彙，如今走進千家萬戶，逐漸為人們所了解。

圖11 神七空間環境保障CCTV直播現場

圖12 預報中心開放日開展科普活動

圖13 預報中心專家走進演播室

6．機遇與挑戰同在

我國航天事業的發展極大地推動了我國空間環境預報事業發展。國內研究力量在壯大，預報能力在提升，空間環境預報在軍隊、高校和用戶中的影響力逐漸擴大。空間環境預報研究和服務面臨著前所未有的機遇和挑戰。國內，空間環境預報中心一直被模仿，從未被超越；國際上，從早年的學徒成長為能平等進行學術對話的兄弟。「空間環境研究和預報——不是我們為了謀生才做的事，而是我們要用生命去做的事」。誓言永恆！我們一直在努力！！

作者：劉方華

來源：中國科學院國家空間科學中心