摘要：空间天气学是监测、研究和预报地表20---30km之上的日地空间环境中会给地面和空间的技术系统和人类健康带来严重损害的天气条件的变化规律，为人类生存和发展服务的多学科交叉的新学科。它的建立和发展涉及空间天气监测，空间天气变化规律研究，空间天气预报，空间天气服务以及空间天气的技术支撑系统。解决这些问题的关键是空间天气研究应成为一种国家行为。
空间天气是一门把日地物理科学与天基、地基技术应用紧密结合在一起的正迅速发展的新学科，它是一门关系国家利益的新的科学领域。当今，它正处在一个世界范围内的起步阶段，世界范围许多国家的科学家和政府部门都十分关注空间天气学的发展和建立。这里就推动空间天气学发展的5个基本问题，谈一点粗浅的理解和看法。一、空间天气监测
它为空间天气变化的规律研究、模式与预测、效应分析、防护措施、地面与空间技术系统的运作，以及人类活动决策等提供观测数据。建立空间天气的地面、空间的全球监测网是建立和发展空间天气学的基石，是第一位的制约因素。空间天气的监测具有以下显著的特点。
(1)监测的空间范围很大。从地面2—30km以上直至太阳，它由物理性质和结构很不相同的5个空间区域：太阳大气、行星际介质、地球的磁层、电离层、中高层大气所组成。这些空间区域已成为人类活动的重要区域，是空间天气学的主要监测对象(见图)。
日地空间环境示意图
(2)监测的对象和参数多。空间天气监测的主要对象包括：太阳活动、多波段电磁辐射增强输出、日冕物质抛射事件和太阳质子事件、行星际太阳风扰动、行星际磁场方向变化、磁层亚暴和磁暴、粒子沉降、辐射带变化、电离层扰动和闪烁、中高层大气密度和温度、风速和成分等的扰动以及空间电状态改变等等。
(3)监测现象的空间、时间尺度的变化范围大。空间尺度从行星际激波的106km到中高层大气的1km左右；时间尺度从几分钟、几小时、几天到11年太阳活动周变化。
(4)监测现象的地域性与全球性。如地磁异常、粒子沉降、电离层异常、地形地貌对高空大气的成分、状态的影响；空间天气的全球性，如存在随地球的经、纬度的全球分布与变化。
(5)监测现象的相关性强。太阳日冕物质抛射、行星际风暴、地磁暴、电离层暴、中高层大气中的热层暴和银河宇宙线暴等都存在着很强的时序因果间的相关性。
空间天气监测的这些特点，决定了空间天气监测应当不断完善和建立地面和空间的全球监测系统。它包括地面的多学科、多手段、多空间层次的监测网络、气球、火箭探测基地以及按空间天气事件过程配置的卫星飞船探测体系，以了解源于太阳而最终影响地球的空间天气的三维全球结构和灾害性事件过程的时序因果关系。
目前国际上这种监测网络已初具规模。我国地域辽阔，有不可替代的地域优势，然而空间天气的监测却是相对薄弱的。1997年6月中央科技领导小组批准的“九五”大科学工程“东半球空间环境地面综合监测子午链”——简称“子午工程”，大大加强了沿东经120~子午链附近的环境监测，将为改善我国对空间天气的地面监测能力作出重要贡献。但从整体上讲距离建设一个监测手段先进、综合性强与国际接轨的立体三维监测网络尚有较大距离。特别是在空间天气的卫星直接探测方面，近年来这种状况虽开始好转，但与我国是空间大国的地位相比，几乎是零。鉴于我国高科技活动需求的快速增长，国家非常有必要设立空间天气卫星系列，大力加强地面监测网的自动化、数值化、智能化以及合理的布局，形成国家计划，高效益地迅速推动空间天气学的发展。
二、空间天气变化规律的研究
空间天气变化规律的研究是建立各空间区域和整个日地系统的各种现象、各类环境模式、预测空间天气事件的发生、发展与结束以及对技术系统的效应分析和人类活动决策(包括军事活动)的基础，特别是只有把空间灾害性天气预报置于空间天气变化规律的科学认识的基础上，才能收到事半功倍的效果。
空间天气变化规律研究是当代自然科学重大前沿课题之一。它研究日地空间环境中来自太阳的能量、动量和质量的产生、行星际介质中的传输和在地球空间系统中的耗散过程。它涉及物理性质不同的空间区域：中高层大气(中性成分)，电离层(电离成分为主)，磁层、行星际和太阳大气(接近完全离化和无碰撞等离子体)；涉及地面实验室无法模拟的特殊环境：高温、高电导率、高超真空、高超音速、极高或极低的等离子体β值(动压力／磁压力)、多种间断面和边界层等；涉及宏观与微观多种非线性过程和激变过程：如太阳耀斑、日珥、物质抛射、激波传播、磁场重联、电离与复合、电离成分与中性成分的动力耦合、重力波、行星波、上下层间的动力耦合等等。这都是十分重要的基本科学问题。就了解一次空间灾害性天气事件而言，就需要把涉及太阳物理、空间物理、大气物理、地球物理等多学科中的太阳活动、行星际扰动、磁层扰动、电离层和中高层大气的扰动，整合成统一的有因果时序关系的“画面”，进行多学科、深层次的综合研究；而且这种综合研究还离不开等离子体物理学、非线性科学、计算技术、现代分析方法、图形学等基础学科的发展。电离层和中层大气的研究都先后获得过诺贝尔奖。
从美国空间天气计划看，空间天气研究领域可分为：(1)太阳／太阳风；(2)磁层；(3)电离层／热层系统。研究的重点是放在对预报一空间天气变化起关键作用的物理过程方面，主要涉及：太阳／太阳风——如何诊断日冕物质抛射、日冕物质抛射的形状、速度、质量和磁场结构；太阳耀斑活动及其太阳活动先兆的识别；太阳质子事件的起源及其在行星际介质中的传播；太阳辐射(太阳紫外(uv)、极紫外(EuV)、软x射线和无线电波段)的变化以及对电离层和热层状态的影响；太阳风在日冕中的加热和加速机制以及太阳活动(耀斑、日珥和日冕物质抛射等)所产生的瞬变扰动和激波传播过程等。从太阳开始的日冕物质抛射到驱动行星际激波在行星际空间传播，通俗地称它为太阳风暴。当这种快速且具有朝南的磁场方向的太阳风暴吹过地球时，通常会引起地球空间灾害性天气事件发生。磁层——太阳风与磁层的耦合过程、磁层中等离子体的输运和能量增强以及磁暴和亚暴过程；带电粒子被地磁场捕获而形成的辐射带粒子的空间分布和时间变化过程等；电离层／热层．电离层电子密度结构形成与演化过程、大尺度电离层特征日变化和小尺度等离子体密度不规则性、热层一电离层一磁层相互作用所引起的电离层闪烁、粒子沉降过程、电离层小尺度电场结构和大尺度静电场及其对磁层和行星际条件变化的响应，中性大气(热层和中层)的化学、辐射和动力学过程及其对整个高层大气能量和组成等的影响。
我国日地物理学家们在这些课题的研究方面已有一定的基础，但是由于缺乏国家层次的发展计划，零散投入强度过低，因此尚未形成整体的国际竞争能力。这应当引起政府和社会各界的高度重视，加大投入，集中攻关，迅速登上科学发展前沿的制高点。
三、空间天气预报
它是空间天气学对人类社会发展价值的重要体现。预报的准确性、可靠性和及时性直接关系到减少或避免空间灾害给人类活动带来巨大损失和危害的问题。
空间天气预报的水平主要取决于空间的观测能力和对空间天气变化规律认识的水平。建立不同空间区域、不同参数和空间天气事件的因果链研究模式(research models)是空间天气预报的基础，而将这些研究模式转化(transition)为预报员使用的运作模式(operational-models)是关键。这里研究模式包括稳态背景模式和瞬态扰动模式。前者描述空间天气的初始状态又称初态模式，后者描述空间天气扰动的时变过程也称扰动模式。运作模式则是预报员以实际观测为输入，利用简单、快捷的处理就能为用户提供预报和服务的模式。研究模式到运作模式间的转化过程是一个快捷有效的模式化过程，它需要一个实践过程来完成。美国已有两个模式化中心建立，一个是在Philips实验室，另一个是在美国海洋大气管理局(NOAA)所属空间环境中心。当前需要研制和完善的空间天气模式主要涉及：日冕物质抛射模式、太阳耀斑模式、太阳紫外、极紫外和软x射线模式、太阳风模式、磁层粒子和场模式、地磁扰动模式、辐射带模式、极光模式、电离层背景、扰动、电场和闪烁中性大气模式(热层和中层)等等。
美国目前的预报水平和能力是：警报——空间灾害发生在24h内，对太阳、行星际的预报能力非常有限，而对地球空间系统尚无能力满足需求；现报——给出当时的空间天气条件以及推演到观测条件发生新变化前的一个短暂的天气条件，对整个日地空间环境来说，这种能力都非常有限；预报——短期预报(几小时到几天)、中期预报(提前几个月)和长期预报(长达11年太阳活动周期)，对太阳、行星际和中性大气其能力非常有限，对磁层和电离层更是无力满足。
我国在太阳活动、地磁暴和电离层预报方面已有一定历史和积累，而对其它空间区域天气条件的预报，有的已开始，但缺乏有力的观测手段。整体讲，我们的预报对西方国家的观测和预报有太多的依赖性，这是十分危险的。
四、空间天气服务
在人类迈向新世纪之际，高科技系统扮演着十分重要的角色，社会甚至对单个空间飞行器的失效而表现很大的脆弱性。1998年5月19日银河4号通讯卫星因空间灾害性天气使姿态控制系统失效，导致4，500万客户的寻呼服务损失，因为美国所有寻呼信号的80％．是直接通过它来进行的；再有1989年3月的空间灾害性天气使加拿大魁北克50万平方公里的土地上整个输电网烧坏，停电8天，几万人无灯、无热可用。可见高科技系统对空间天气变化的依赖性是很强的。因此，空间天气学要为人类的高科技活动“保驾护航”，开展空间天气服务，减轻或避免空间灾害的损失与危害是它的终极目的。空间天气服务包括：
(1)提供空间天气产品——常规产品：观测数据、模式、环境规范，效应分析；专项产品(根据用户的特定需要而进行特别加工的产品)：预报产品、警报、现报、预报。
(2)效应诊断与分析——鉴别系统异常或失效是否由空间天气因素或其它工程设计、机械故障或软件错误引起。
(3)建议防护措施或改进工程设计。
(4)调整地面与空间技术系统的运作程序和采取应变措施。
(5)教育与培养——增强公众(包括政府官员和新闻媒体)对空间天气及其影响的意识；培养足够数量的高素质科学与工程人员。
从我国的国情看，空间天气服务远远落后于西方发达国家，除了全民的科技水平落后这一重要原因外，我国现行的管理体制，部门所有制等，导致缺乏宏观调控和强有力的国家计划指导，使日地物理研究与发展高技术应用两张“皮”的结合问题长期得不到很好解决。空间天气学就是要解决两者结合的问题。因此，要作好空间天气服务，当务之急是需要空间天气有关各方：科学、教育、工程、用户和政府等，建立有效的协调工作体系，成为一种国家指导下的行为，方能事半功倍。
五、空间天气的技术支撑系统
空间天气信息的处理与传输系统是实现空间天气学为发展高科技“保驾护航”，发挥重要科学、经济与社会效益的重要技术支撑系统。它的水平如何，直接关系到空间天气学的发展速度和水平。
空间天气信息包括来自全球的地面和空间的观测数据、研究模式、用户需用的天气新产品(包括各类图形和动态图像等)、空间天气对人类活动的影响，包括对技术系统的效应损伤与防护，用户咨询和访问等等。这些庞大的种类多样复杂信息的实时采集、加工、分析、实时运行，快速获得、生成和传输空间天气产品，新数据的获取和模式的更新，以及建立相应的数据库和专家系统等都需要建立强有力的高性能的计算机系统和进行信息传输的网络系统，以及不断升级硬件和软件来满足不断增长的需要。它们对于发展和建立空间天气学来说都是十分重要的技术支撑系统。
如果我们能解决好发展空间天气学的上述5方面问题，我国的空间天气学必将在不长的时期内(5—10年)走到国际的前列去，为中国和人类进入高科技的21世纪做出重要贡献!
参考文献
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Basic Problems in Space Weather
Wei Fengsi
Center for Space Science and Applied Research，Lab of Space Weather，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080
Space Weather is a new multi-interdisciplinary fields of science dedicated to the monitoring，studying and forecasting of the condition variations in the space environment that can influence the performance and reliability of spaceborne and ground·-borne technological systems and can endanger human life or health．Its establishment and development concern the five fundamental factors：monitoring，researching，forecasting，serving and technological support system of space weather．
魏奉思，男，1941年11月生于四川绵阳，1963年毕业于中国科技大学，院士、博导。现任中科院空间中心学委会副主任， “九五”重大项目“日地空间灾害性扰动过程及其对人类活动的影响”主持人之一。
