重新认识太阳（六） 未来的天气预报：空间天气预报

◆韩大洋

“我们的征途是星辰大海”，这是面对未知且浩瀚的宇宙时，人类发自内心深处的呼喊，更是努力前进的方向。随着人类进入太空时代，越来越多空间活动得以开展，新的问题不断出现。经过近几十年的高速发展，在面对太阳爆发活动带来的巨大影响时，人类已经从最初的不知所措变得应对自如了。

一起看太阳“直播”

空间天气预报就是通过预判太阳可能出现的活动，从而对地球周围的空间环境变化进行预测。与传统的天气预报一样，要想预测太阳活动，首先要解决的就是“看得见”的问题。

为此，人们想到了望远镜，通过架设在地面台站的大口径望远镜，对太阳的光球、色球层进行观测，从而获取太阳黑子活动区、磁场形态结构、太阳射电强度等关键信息。位于山东省石岛气象台的空间天气太阳监测站，分别架设了太阳光球色球望远镜与太阳射电望远镜，它们协同工作，共同为预报员提供监测资料。

图1 圆环阵太阳射电成像望远镜（图/中国科学院国家空间科学中心 供）

但在地球自转的影响下，单个台站只能在一段时间内对太阳进行监测，随着太阳的西落，监测工作就会暂停。为了满足业务需要，提供尽量长的监测时间，在石岛气象台西边约3500 千米的新疆温泉县气象局，也建立了太阳监测站，将太阳的监测时间延长了约3 个小时。

尽管如此，望远镜在地面开展太阳监测仍然会受到天气、大气视宁度等众多条件的限制，于是，科学家想到了利用卫星。2021 年7 月5 日，我国第二代极轨气象卫星风云三号E 星成功发射，它携带的X射线与极紫外波段太阳望远镜按计划顺利开机，并成功拍摄了我国首幅太空中太阳的图像，一方面填补了我国空间太阳监测的空白，同时也解决了以往关键资料数据“卡脖子”的问题。

现在，国家空间天气监测预警中心的预报员每天都要使用风云三号E 星拍摄的太阳极紫外图像，以掌握太阳黑子活动区、冕洞区域的最新动向，甚至包括耀斑的爆发过程。通过对太阳不间断地观测，再对分钟级的图像资料进行加工处理，就可以制作出太阳活动的视频，当通过数据系统查看太阳监测视频时，就如同是观看太阳“直播”一般。

摸清太阳“脾气”，把脉空间天气

与地面大气活动不同，空间天气几乎都是看不见又摸不着的，就像《西游记》中孙悟空悬丝诊脉一般，需要在变化莫测的空间环境中寻找现象背后的本质。然而，获取太阳的活动图像只是第一步，还需要借助科学的预报方法。

图2 空间天气态势图（图/国家空间天气监测预警中心 供）

太阳活动的爆发位置、活动类型、传播特点以及影响效应不同，预报、预警也会有所侧重，对于发生即“命中”地球的耀斑，预报显得至关重要。在一个以11 年为周期的太阳活动周里，存在太阳活动的低谷期，此时黑子数量少，甚至一个黑子都看不到，这对以黑子能量为爆发基础的耀斑而言就是釜底抽薪，预报员会通过黑子数量从宏观角度整体判断耀斑发生的可能性。而在太阳活动频发的峰值年，黑子数量多、面积大，此时就要针对太阳黑子的外形、面积、内部磁场结构与类型的连续变化，判断其内部磁场能量积蓄的情况，从而预判耀斑活动发生的可能性。

对于日冕物质抛射活动，在监测到其爆发后，它能否到达地球、何时到达以及能够产生多大的影响成为预报的重点。日冕物质抛射的爆发位置很重要，当它出现在背对地球一面时可以不用担心，反之，就要根据其喷发强度、角度、速度等关键参数，以及是否结合其他活动比如冕洞高速太阳风，对可能造成的影响做出判断。极端情况下，甚至会发生连续多次日冕物质抛射“重叠”轰击地球的事件，如此一来，遭遇一场大地磁暴甚至是特大地磁暴就在所难免了。这些预报方法属于经验预报，通过历史数据比对、监测资料分析、会商研判，最终做出判断的是预报员本身。

图3 太阳爆发活动前磁绳结构的形成（图/中国科学技术大学 供）

现在，空间天气预报业务即将进入数值预报阶段。以观测数据和科学理论为基础，通过太阳表面物理参数预测爆发发生的概率、通过数值模型计算太阳风参数等方法在不断发展，我国的第一代空间天气“全链路”数值预报业务系统正在建设之中。

空间天气预报关系你我

现如今，以航天领域为例，空间天气预报已经服务于发射窗口选择、航天器在轨运行、航天员出舱、载人飞船返回等任务，几乎陪伴在每一次航天任务保障周期。

国家空间天气监测预警中心是世界民航组织四大全球空间天气中心之一，已完成7 次14 天×24 小时的当值挑战，向世界民航组织发布7 类咨询预报服务。内容涉及短波吸收、最大可用频率下降、极光吸收等领域，为每天在世界不同航线上的近11 万架次航班以及千万名乘客提供空间天气服务。

从交通出行到维持社会基础的能源供给，从卫星导航定位到信鸽千里归巢，甚至是来一场说走就走的极光之旅……未来，越来越多的人类活动都离不开空间天气预报和服务的助力。

从上古时期的太阳崇拜到神话传说与宗教崇拜，从两千年前的《汉书·五行志》，再到现在同学们手中的《发明与创新》“重新认识太阳”系列科普文章，人类在短短数千年间，实现了对太阳认知的跨越，从前困扰人类数百年的科学难题已经成为同学间讨论的有趣科普故事。但我们对太阳仍要心存敬意，无论是在科学还是科幻层面上，太阳都将是人类永恒的研究对象与灵感源泉，所有的关于人类和宇宙的秘密，都隐藏在这颗温暖我们的母星中，等待着你们继续探索！“重新认识太阳”系列暂时要与大家道一声再见了。

我是你们的大洋老师，期待与你们再次见面！