日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究

《国家重点基础研究发展规划项目》日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究未来三年调整方案（2008－2011）中国科学院国家天文台2一.项目任务要求3对科学问题的思考本项目将在上一个973项目的基础上，以研究日地空间灾害性天气的产生机理和发展规律为主线，以日地空间系统各层次的相互耦合与相互作用研究为重点，以建立空间环境扰动的物理模型与预报模式为基本目标，以满足国家对空间灾害天气预报的重大需求为导向，进行大尺度跨学科的创新与集成研究4主要研究内容空间天气发生的驱动源研究导致太阳爆发和空间灾害性天气的太阳磁场的结构演化特征和磁流体动力学过程导致空间灾害性天气的太阳耀斑爆发、日冕物质抛射的源区、初发物理过程，对地有效性空间天气的发展过程研究太阳和行星际的耦合，太阳爆发在行星际的传播和相互作用行星际和磁层的耦合，磁层空间暴太阳、行星际和磁层能量输入的电离层响应5空间天气的预报研究空间天气的可预报性研究基础研究成果的转化和灾害性空间天气过程的预报原理和方法研究我国重大空间活动、特别是载人航天和探月工程的安全保障－－（1）灾害性预报模式研究：质子事件预报，CME初发和对地有效性预报，行星际磁场南向和地球空间暴预报；（2)预报服务保障研究：空间环境模式，空间天气预报和效应分析6创新研究思路通过超过一个太阳周的空间灾害事件的跨学科的联合数据分析和统计研究，在揭示空间天气形成、发展和影响的链锁和因果关系上取得突破性进展集成太阳、行星际和地球空间暴等爆发现象研究成果，创立以“磁大气天气学”为基本构架的空间天气科学研究的理论体系7创新点观测－对贯穿空间灾害天气全过程的日冕物质抛射系统研究（源区、初发、传播、相互作用、磁云和激波形成、对地影响及预报）理论－以发生在太阳大气、行星际和磁层中不同等离子体环境、不同时空尺度的三维磁重联为突破口，发展首创性的理论和模型预报－为载人航天和探月工程服务的空间天气预报模式（质子事件预报、日冕物质抛射初发和对地有效性预报、行星际磁场南向预报）8五年预期目标基本把握空间灾害天气发生和发展总体过程构筑以“磁大气天气学”为基本框架的空间天气科学研究体系，并在太阳和空间物理若干基本问题研究中取得实质性学科进展发展空间灾害天气研究中的新方法和新模式集成多学科交叉合作研究成果，发展空间灾害天气预报的物理基础、方法和规范为“十二·五”空间探测做好科学积累9二.任务调整考虑10调整的依据两年来项目有那些主要进展和未完成的工作？国际上近年有那些重大空间天气监测设备投入工作？国际上近年空间天气科学和应用研究的动向如何？对未来三年调整的进一步思考有那些？111.一年多来的进展和问题（简表）研究方面主要进展和代表性工作待完成目标驱动源和发展过程观测研究CME源区和大尺度电流片、耀斑和CME初发过程、CME磁云联系、激波/CME相互作用，CME对地有效性23周完整子样构建和系统研究；各层次耦合和相互作用,可预报性空间天气理论研究发电机理论，三维磁拓扑构架和磁重联，磁绳灾变磁大气天气学理论框架空间天气模式和预报研究背景太阳风和重联模型，CME到达时间预测，电离层气候学模型，磁活动因素耀斑耀斑预报CME初发预报，从驱动源到近地空间连锁（因果）关系，模型集成和预报12SDOApril2008太阳动力学天文台P2P3P4P5CLFAGTStereo日地关系天文台2.重大设备发展（2007－）SDO是美国“与日同在”计划、即空间天气计划的50颗卫星中的第一颗卫星,明年4月发射。将提供全日面向量磁场观测和多波段的太阳活动监测，和其他重大设备一起，将为空间天气监测和研究提供全新的重大研究机遇。FOMOSAT-3与GPS卫星星座THEMIS磁层亚暴的起始和演化Hinode13Stereo（日地关系天文台）第一次由两个卫星从不同角度观测CME源区、结构、传播方向、速度、对地影响的有效性14Hinode第一次在0.3’’的空间分辨率下观测太阳磁场的结构和演化太阳光学望远镜（FG/SP)远紫外成像光谱仪X射线望远镜153.空间天气科学和应用的重要动向世界空间环境服务组织（ISES）非常活跃（1/2)ＩＳＥＳ的成员包括11个国家和欧空局16空基和地基空间天气数据服务（实时）空间环境警报和预报（平均两小时）空间天气事件记录与总结（每周）空间天气预报和警报规范制订（完整描述空间天气状态的指标体系）6类模式预报：涉及行星际、地磁层、电离层。目前还没有太阳活动模式预报。17空间天气预报模型研究非常活跃（2/2)太阳日冕太阳风磁层电离层物理为基础的，数值的模型耀斑CME高能粒子激波到达辐射带地磁活动电子轮廓经验为基础的预报模型需要更好的提前1－3天CME预报18美国CISM(空间天气综合模型中心）和CESM（空间天气模型中心）含伯克力、斯坦福、密西根等著名学府、大气海洋管理局等国家机构UniversityofCaliforniaStanfordUniversitySAICUniversityofColoradoNCAR/HAONOAA/SECRiceUniversitylabamaA&MUniversiAtyNCSAUniversityBostonDartmouthCollegeFloridaInstituteofTechnology19CISM的主要模型要素204.调整思路利用Hinode、Stereo、SDO、THEMIS等大型设备和国内观测，研究空间灾害天气发生机理是项目最重要的目标之一空间灾害天气初发的预报在国际上最薄弱，应当成为本项目的重点和特点日地联系和空间天气域各层次耦合和相互作用的研究前两年努力不够，必须加强对空间天气背景模式和预报模型的研究必须有系统和协调一致的努力要着力发展“磁大气天气学”的理论框架21第24太阳周已经在本月开始24周黑子23周黑子24周黑子北半球前导极性为负22三.调整意见23（1）强化数据积累与联合数据分析编制23周期间重大或典型空间天气事件子样目录提出表征重大或典型空间天气事件的典型空间环境参量，并收集子样目录期间该参量的观测数据进行常规分析，规范处理，将结果整理成相应的图表等表述形式，并给出分析结论集合各组提供的观测数据，形成23周灾害性空间天气事件子样（数据库）；编辑整理成23周灾害性空间天气事件集总结统计规律，以为进一步物理研究之基础收集24周上升相重大事件，并与23周统计规律比较24（2）发展CME源区、初发、传播、相互作用和对地有效性研究成果，开始CME预报努力项目的一个优势研究方向（课题组3、4)23周完整子样的系统研究－（1）对地CME完整子样－大尺度源区，与活动区和表面磁活动联系，CME和激波、CME－CME相互作用，CME对地有效性；（2）行星际磁云完整子样－日面源区，与CME的联系，决定磁云结构的日面和CME特征（2008－2009）CME可预报性探讨，预报判据提取（2009－）CME唯像预报模型和物理模型（2010－）由第三课题组重点组织相关研究25（3）加强三个耦合研究太阳光球和日冕的耦合（1、2、3）－灾害性空间天气的起源问题，由第二课题组牵头太阳大气、行星际与地球空间的耦合（3、4、5）－灾害性空间天气的传播与发展问题，由第四课题组牵头磁层、电离层、中高层大气耦合（5、6）－灾害性空间天气的对地球空间有效性研究，由第六课题组牵头项目专家组和项目首席把耦合研究作为后三年努力的重点26（4）进行空间天气的模式集成及空间天气预报研究项目第7课题组在空间天气预报研究和为国家重大空间计划服务上作了大量工作，但在模式集成研究方面面临挑战，加强第7组的集成研究力量成为后三年的重要任务。拟吸收（1）“国家空间天气监测预警中心”熟悉高能粒子预报的研究人员，（2）吸收熟悉太阳风－磁层联系的研究人员参加相应工作项目第4、6组在空间环境背景和扰动传播模型研究中均取得显著成绩。4、5、6组与第7组的结合，将加强“空间天气的发展和太阳活动的效应预报”的研究，并形成以磁流体力学为基础的CME传播、到达时间和磁层、电离层响应的预报模型。预报集成等强化研究需要增加3－5位新成员为筹办我国自己的空间天气模型中心做好准备27太阳耀斑模型示意图地球磁层示意图约40RE～日面350角秒一个太阳活动区的尺度28（5）发展磁大气天气学理论框架空间天气科学的复杂性。我们今天的努力方向是否正确，是否抓住了本质？空间天气预报提出的是一个新的科学问题。单单在各自领域的努力很难导致实质性的学科进步。经验模型和数值模拟模型都不能取代新思路和新的理论框架。真正推动相关学科进步的是提出新的物理思路和理论框架，并为实验和观测所证实。“磁大气天气学”可能更代表了学科的性质和问题的本质。组织磁大气天气学研究小组，由项目首席负责组织扩展的学术讨论和攻关研究，每年平均组织2次合作研究，探寻其中的基本问题和主导性的科学规律。29（6）重大空间项目科学预研项目有责任组织对我国重大空间天气探测计划的科学目标凝练和科学问题预研中法太阳小卫星计划（SMESE）（国家立项，已完成A项研究）Kuafu空间天气监测计划（预研国家立项）空间太阳望远镜计划（SST）（处在凝练科学目标和偏振光学核心技术研究阶段）国家大科学工程“子午工程”（国家立项）30四.未来三年目标31未来三年的目标（1/2）基本把握空间灾害天气发生和发展总体过程，特别是对空间灾害天气的决定性因素CME源区、初发过程、传播和相互作用、对地有效性作出国际上有重要影响的工作集成多学科交叉合作研究成果，发展和建立空间灾害天气预报的空间环境背景模式，预报的观测判据和物理基础，为我国重大航天任务服务的主要预报模型：（1）太阳耀斑和CME发生的预报模式（2）CME在背景太阳风中传播和对地影响的预报模式，（3）磁暴和空间粒子暴预报模式，（4）电离层扰动和通讯保证预报模式32未来三年的目标（2/2）构建“磁大气天气学”的基本理论框架，并在太阳和空间物理若干基本问题研究中取得实质性学科进展做好现有几个重大空间天气探测项目的科学目标凝练和科学预研，并在项目科学进展的基础上提出1－2项未来空间探测的新概念和新思路培育就重大科学问题进行多学科合作研究的科学传统，培养能组织和领导交叉学科领域创新研究的优秀学者33五.加强学术管理34加强项目的学术管理首席和首席助理对国家目标负责，对项目负责，加强领导认真听取项目咨询专家的指导，充分发挥项目专家委员会的作用加强跨课题组的学术合作，完成23周空间天气事件子样数据库，组织重大事件联合分析和重大科学问题的联合研究坚持课题组专题学术讨论制度和项目学术年会制度加强项目内外信息交流，办好项目网站