對于宇航員來說，空間天氣的影響與生命息息相關(guān)。如果宇航員出艙時，正巧遇到宇宙中的高能物質(zhì)，很可能在短時間內(nèi)造成輻射計量超標危及生命。所以說，宇航員在天上執(zhí)行任務(wù)可以不看氣象臺的天氣預(yù)報，但是空間天氣預(yù)報是必須參考的。如果我們能提前預(yù)測電離層的擾動，就可以對電波通訊所用的頻段進行調(diào)整，以提高通訊效率和質(zhì)量；如果我們能提前預(yù)測地磁暴對電網(wǎng)的影響，魁北克600萬人因停電而在寒冷和黑夜中長達9小時的煎熬就可以避免。這些事例，無不在告誡人們，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，空間天氣預(yù)報日益重要。

圖1 衛(wèi)星云圖是普通的天氣預(yù)報必不可少的數(shù)據(jù)

空間天氣的源頭在太陽。一次完整的空間天氣事件，必然經(jīng)歷從太陽表面形成與發(fā)生，然后在行星際空間傳播和演化，最后在地球磁層、電離層和中高層大氣產(chǎn)生影響和效應(yīng)這一過程。太陽到地球的距離是1.5億千米，太陽表面發(fā)出的光需要8分多鐘才能傳到地球，而高能粒子可能需要幾個小時到達地球，日冕物質(zhì)拋射等太陽風(fēng)高速流往往需要3~4天才能走完這段旅程。

如果有對太陽表面的監(jiān)測，我們可以對地球空間環(huán)境的狀態(tài)做出提前預(yù)測，這是空間天氣預(yù)報的基本邏輯。當(dāng)然我們不一定非要從源頭開始進行預(yù)報。日地因果鏈大致可劃分為太陽——行星際——磁層——電離層——中高層大氣等關(guān)鍵環(huán)節(jié)和區(qū)域，我們可以從任何一個區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)開始，對下一個環(huán)節(jié)的狀況進行預(yù)報。有三大區(qū)域是空間天氣監(jiān)測的重點，其一是空間天氣的源頭——太陽；其二是空間天氣傳播與演化的區(qū)域——日地行星際和磁層，通常該區(qū)域從太陽表面一直延伸到地面數(shù)千公里高空；其三是空間天氣的地球響應(yīng)區(qū)域——電離層和中高層大氣，該區(qū)域從數(shù)千公里高空一直向下延展到離地面20公里高度左右。這些區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)是空間天氣預(yù)報的重要依據(jù)。

圖2 空間天氣預(yù)報內(nèi)容

空間天氣擾動從太陽到地球，經(jīng)歷了廣袤的空間、復(fù)雜多變的環(huán)境，其中的因果關(guān)系極其復(fù)雜。所以，對空間天氣做出相對準確的預(yù)報是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。為此，科學(xué)家深入研究日地空間的各種物理規(guī)律，為空間天氣預(yù)報開發(fā)了大量的方法。比如，在日面上觀測到的日冕物質(zhì)拋射，將經(jīng)歷怎樣一個路徑，在何時、以何種形態(tài)到達地球附近？科學(xué)家需要行星際空間的各類條件來計算擾動傳播的速度、方向，以及能量和物質(zhì)耗散的過程等。將這些方法以計算機程序的方式固定下來，就形成了預(yù)報模式。模式與探測數(shù)據(jù)一樣是空間天氣預(yù)報的基礎(chǔ)。

相比天氣預(yù)報，空間天氣預(yù)報還處于起步階段。相當(dāng)多的情景是，預(yù)報員根據(jù)實踐經(jīng)驗對觀測數(shù)據(jù)進行分析、推理來預(yù)報未來空間天氣的趨勢，也就是經(jīng)驗預(yù)報。經(jīng)驗預(yù)報并不明確涉及模式計算，但也可理解為某些并不明晰的模式運行在預(yù)報員的大腦中。

目前空間天氣預(yù)報服務(wù)主要針對航空航天，星地通信，無線短波以及空間航天器的輻射環(huán)境，同時也開展跨極區(qū)飛行輻射計量預(yù)報等服務(wù)。按照空間區(qū)域可將空間天氣預(yù)報劃分為：太陽活動預(yù)報、行星際空間天氣預(yù)報和地球空間天氣預(yù)報。按照預(yù)報時效又可劃分為：長期預(yù)報、中期預(yù)報、短期預(yù)報、警報和現(xiàn)報等。

圖3 中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心發(fā)布的各類空間天氣預(yù)報

太陽活動預(yù)報包括太陽活動長期預(yù)報、中期預(yù)報、短期預(yù)報和現(xiàn)報。太陽活動長期預(yù)報：指提前一年以上的太陽活動預(yù)報，它是對太陽活動長期發(fā)展趨勢進行的預(yù)報，預(yù)報內(nèi)容主要有黑子數(shù)的高峰值、高峰期、低谷期和極小值。太陽活動長期預(yù)報對國民經(jīng)濟的長期規(guī)劃，例如對衛(wèi)星發(fā)射、航天計劃等具有重要的指導(dǎo)意義。太陽活動中期預(yù)報：指提前幾天到數(shù)月或幾個甚至十幾個太陽自轉(zhuǎn)周的預(yù)報，自轉(zhuǎn)周是中期預(yù)報的典型時間尺度。其主要任務(wù)是預(yù)報新的太陽活動區(qū)的產(chǎn)生及其活動性，預(yù)報日面上將在什么時候、有多大幅度的活動。對于安排航天飛行器發(fā)射、空間任務(wù)的執(zhí)行、通信計劃的實施及其他領(lǐng)域的預(yù)防措施的考慮具有參考意義。太陽活動短期預(yù)報：指未來1至3天的太陽活動預(yù)報，內(nèi)容主要包括太陽射電流量、太陽活動區(qū)、太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射和太陽黑子數(shù)等。

圖4 中國科學(xué)院國家天文臺的太陽活動預(yù)報

行星際空間天氣預(yù)報主要對太陽風(fēng)參數(shù)進行預(yù)報，描述太陽風(fēng)密度、速度及行星際磁場的大小和方向，并預(yù)測太陽爆發(fā)活動在行星際的表現(xiàn)、傳播和演化。

地球空間天氣預(yù)報包括磁層空間天氣預(yù)報、電離層空間天氣預(yù)報和中高層大氣空間天氣預(yù)報。磁層預(yù)報：對象為磁層帶電粒子和場，包括不同軌道磁場分布、帶電粒子能量的現(xiàn)報和預(yù)報，以及質(zhì)子事件和高能電子增強事件的警報。電離層預(yù)報：目前主要提供電離層狀態(tài)參數(shù)的現(xiàn)報和短時預(yù)報。中高層大氣預(yù)報：主要包括對中高層大氣參量（密度、溫度、風(fēng)場和大氣成分等）的結(jié)構(gòu)分布和擾動進行的現(xiàn)報和短時預(yù)報。

目前，世界上開展空間天氣預(yù)報服務(wù)的國家和單位并不多。走在前列的有美國國家海洋和大氣管理局（NOAA），設(shè)有功能完備的空間天氣預(yù)報中心（SWPC），受到全世界的廣泛關(guān)注，該中心的網(wǎng)站每天的訪問量接近1000萬次。

我國開展空間天氣預(yù)報已經(jīng)有20年的歷史。1996年中科院空間科學(xué)中心（當(dāng)時的名稱為空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）首次正式對外發(fā)布空間天氣預(yù)報，專門面向航天領(lǐng)域。為了更好地做好空間天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，2004年，中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心業(yè)務(wù)正式啟動；2005年，中國氣象局國家空間天氣預(yù)報臺成立。目前開展相關(guān)業(yè)務(wù)的還包括中科院國家天文臺的太陽活動預(yù)報中心。

圖5 中科院空間環(huán)境預(yù)報中心發(fā)布的空間天氣預(yù)報

空間天氣的日常預(yù)報內(nèi)容主要包含太陽耀斑與質(zhì)子事件概率、地磁暴概率和電離層閃爍活動強度等。除了這些常規(guī)的預(yù)報之外，中國氣象局國家空間天氣預(yù)報臺還推出專門的面向廣大信鴿用戶的“信鴿飛行指數(shù)”預(yù)報，以及在旅游季節(jié)的“極光預(yù)報”。

隨著空間天氣概念逐步被公眾所理解，各類貼近老百姓生活的預(yù)報服務(wù)逐個推出，預(yù)報服務(wù)的形式也越來越多樣化?，F(xiàn)在，人們可以在手機上通過App接收各類空間天氣預(yù)報信息。

圖6 空間天氣預(yù)報手機App