對(duì)于宇航員來(lái)說(shuō)，空間天氣的影響與生命息息相關(guān)。如果宇航員出艙時(shí)，正巧遇到宇宙中的高能物質(zhì)，很可能在短時(shí)間內(nèi)造成輻射計(jì)量超標(biāo)危及生命。所以說(shuō)，宇航員在天上執(zhí)行任務(wù)可以不看氣象臺(tái)的天氣預(yù)報(bào)，但是空間天氣預(yù)報(bào)是必須參考的。如果我們能提前預(yù)測(cè)電離層的擾動(dòng)，就可以對(duì)電波通訊所用的頻段進(jìn)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(cè)地磁暴對(duì)電網(wǎng)的影響，魁北克600萬(wàn)人因停電而在寒冷和黑夜中長(zhǎng)達(dá)9小時(shí)的煎熬就可以避免。這些事例，無(wú)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(bào)日益重要。

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

空間天氣的源頭在太陽(yáng)。一次完整的空間天氣事件，必然經(jīng)歷從太陽(yáng)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(guò)程。太陽(yáng)到地球的距離是1.5億千米，太陽(yáng)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(gè)小時(shí)到達(dá)地球，日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)風(fēng)高速流往往需要3~4天才能走完這段旅程。

如果有對(duì)太陽(yáng)表面的監(jiān)測(cè)，我們可以對(duì)地球空間環(huán)境的狀態(tài)做出提前預(yù)測(cè)，這是空間天氣預(yù)報(bào)的基本邏輯。當(dāng)然我們不一定非要從源頭開(kāi)始進(jìn)行預(yù)報(bào)。日地因果鏈大致可劃分為太陽(yáng)——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(gè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始，對(duì)下一個(gè)環(huán)節(jié)的狀況進(jìn)行預(yù)報(bào)。有三大區(qū)域是空間天氣監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，其一是空間天氣的源頭——太陽(yáng)；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(yáng)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(cè)數(shù)據(jù)是空間天氣預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。

圖2 空間天氣預(yù)報(bào)內(nèi)容

空間天氣擾動(dòng)從太陽(yáng)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(duì)空間天氣做出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)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(bào)開(kāi)發(fā)了大量的方法。比如，在日面上觀測(cè)到的日冕物質(zhì)拋射，將經(jīng)歷怎樣一個(gè)路徑，在何時(shí)、以何種形態(tài)到達(dá)地球附近？科學(xué)家需要行星際空間的各類(lèi)條件來(lái)計(jì)算擾動(dòng)傳播的速度、方向，以及能量和物質(zhì)耗散的過(guò)程等。將這些方法以計(jì)算機(jī)程序的方式固定下來(lái)，就形成了預(yù)報(bào)模式。模式與探測(cè)數(shù)據(jù)一樣是空間天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。

相比天氣預(yù)報(bào)，空間天氣預(yù)報(bào)還處于起步階段。相當(dāng)多的情景是，預(yù)報(bào)員根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)空間天氣的趨勢(shì)，也就是經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)。經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)并不明確涉及模式計(jì)算，但也可理解為某些并不明晰的模式運(yùn)行在預(yù)報(bào)員的大腦中。

目前空間天氣預(yù)報(bào)服務(wù)主要針對(duì)航空航天，星地通信，無(wú)線短波以及空間航天器的輻射環(huán)境，同時(shí)也開(kāi)展跨極區(qū)飛行輻射計(jì)量預(yù)報(bào)等服務(wù)。按照空間區(qū)域可將空間天氣預(yù)報(bào)劃分為：太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)、行星際空間天氣預(yù)報(bào)和地球空間天氣預(yù)報(bào)。按照預(yù)報(bào)時(shí)效又可劃分為：長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、警報(bào)和現(xiàn)報(bào)等。

圖3 中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心發(fā)布的各類(lèi)空間天氣預(yù)報(bào)

太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)包括太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)和現(xiàn)報(bào)。太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)：指提前一年以上的太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)，它是對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)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(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期規(guī)劃，例如對(duì)衛(wèi)星發(fā)射、航天計(jì)劃等具有重要的指導(dǎo)意義。太陽(yáng)活動(dòng)中期預(yù)報(bào)：指提前幾天到數(shù)月或幾個(gè)甚至十幾個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周的預(yù)報(bào)，自轉(zhuǎn)周是中期預(yù)報(bào)的典型時(shí)間尺度。其主要任務(wù)是預(yù)報(bào)新的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的產(chǎn)生及其活動(dòng)性，預(yù)報(bào)日面上將在什么時(shí)候、有多大幅度的活動(dòng)。對(duì)于安排航天飛行器發(fā)射、空間任務(wù)的執(zhí)行、通信計(jì)劃的實(shí)施及其他領(lǐng)域的預(yù)防措施的考慮具有參考意義。太陽(yáng)活動(dòng)短期預(yù)報(bào)：指未來(lái)1至3天的太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)，內(nèi)容主要包括太陽(yáng)射電流量、太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)、太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射和太陽(yáng)黑子數(shù)等。

圖4 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)

行星際空間天氣預(yù)報(bào)主要對(duì)太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，描述太陽(yáng)風(fēng)密度、速度及行星際磁場(chǎng)的大小和方向，并預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)在行星際的表現(xiàn)、傳播和演化。

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

目前，世界上開(kāi)展空間天氣預(yù)報(bào)服務(wù)的國(guó)家和單位并不多。走在前列的有美國(guó)國(guó)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(bào)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(wèn)量接近1000萬(wàn)次。

我國(guó)開(kāi)展空間天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)有20年的歷史。1996年中科院空間科學(xué)中心（當(dāng)時(shí)的名稱(chēng)為空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）首次正式對(duì)外發(fā)布空間天氣預(yù)報(bào)，專(zhuān)門(mén)面向航天領(lǐng)域。為了更好地做好空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，2004年，中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心業(yè)務(wù)正式啟動(dòng)；2005年，中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)成立。目前開(kāi)展相關(guān)業(yè)務(wù)的還包括中科院國(guó)家天文臺(tái)的太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心。

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

空間天氣的日常預(yù)報(bào)內(nèi)容主要包含太陽(yáng)耀斑與質(zhì)子事件概率、地磁暴概率和電離層閃爍活動(dòng)強(qiáng)度等。除了這些常規(guī)的預(yù)報(bào)之外，中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)還推出專(zhuān)門(mén)的面向廣大信鴿用戶(hù)的“信鴿飛行指數(shù)”預(yù)報(bào)，以及在旅游季節(jié)的“極光預(yù)報(bào)”。

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

圖6 空間天氣預(yù)報(bào)手機(jī)App