《国家重点基础研究发展规划项目》 日地空间天气预报的 物理基础与模式研究

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1 《国家重点基础研究发展规划项目》 日地空间天气预报的 物理基础与模式研究
《国家重点基础研究发展规划项目》 日地空间天气预报的 物理基础与模式研究 －项目任务书－ 2011年1月14日启动会，南京

2 科技部文件： 2010.10.18 “关于国家重点基础研究发展计划2011年项目立项的通知”（国科发基【2010】602号):
项目编号：2011CB811400 项目名称：日地空间天气预报的物理基础与模式研究 项目首席科学家：甘为群 项目第一承担单位：中科院紫金山天文台 项目依托部门：中国科学院 请各有关单位按照973计划管理办法和经费管理办法的要求，认真做好项目组织实施的相关工作

3 项目执行时间： 批复项目经费：2200万 本次预算执行时间： 本次预算批复: 1086万 说明：项目申报1098万，结果第4组和第6组分别被减4万和9万。另2010年 底，大约75％1期经费已经到达课题第一承担单位

4 项目任务书 总体情况 立项依据 研究内容 预期目标 研究方案 年度计划 科学数据汇交计划

5 项目任务书：总体情况 项目咨询专家：李宗伟、黄诚 项目专家组：方成、王水、涂传饴、魏奉思、 项目领导小组：科技部973办公室、基金委数理学
汪景琇、张洪起、黄光力、万卫星、甘为群 项目领导小组：科技部973办公室、基金委数理学 部、中科院基础局、天文界…… 项目承担单位：10个 项目列名成员：30个（另有学生107名，博士后9名） 课题数目：6个

6 骨干成员平均年龄43岁, 高级职称100％，其中杰青、百人、长江学者占50％以上

7 项目任务书：立项依据

8 国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006━2020年） 中华人民共和国国务院
六、基础研究         ……         2．科学前沿问题          ……      （3）物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律 主要研究方向：微观和宇观尺度以及高能、高密、超高压、超强磁场等极端状态下的物质结构与物理规律，探索统一所有物理规律的理论，粒子物理学前沿基本问题，暗物质和暗能量的本质，宇宙的起源和演化，黑洞及各种天体和结构的形成及演化，太阳活动对地球环境和灾害的影响及其预报等。

9 太阳活动及其对地球空间环境的影响 Ⅲ:日地空间天气预报的物理基础与模式研究 Ⅰ: 太阳剧烈活动与空间灾害天气 （2000－2005）
Ⅱ:日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究 (2006－2010） Ⅲ:日地空间天气预报的物理基础与模式研究 (2011－2015）

10 社会需求： 全球气候变化 超级太阳风暴 太阳活动周异常 …… 太阳对地球环境影响的研究越来越受到关注

11 复杂的日地系统：太阳－磁场、物质、能量－地球

12 空间天气指影响天基和地基技术系统的运行和可靠性、危及人类生命和健康的太阳、太阳风、磁层、电离层和热层的物理条件和状态。
定量地理解空间天气过程，建立可靠的空间天气、特别是灾害性空间天气预报的理论和模式，是天文学、空间和地球科学交叉领域中一个最困难、最富挑战性、最能造福人类的重大课题，是当代中国科学家服务于国家和社会的义不容辞的责任。 2017/2/27

13 空间天气问题的复杂性和研究的长期性 至今没有完全掌握空间天气的初发、发展、传播 的基本规律； 至今没有建立灾害性空间天气预报的基本规范；
至今未曾取得完整的物理和数学描述； 至今没有完全掌握空间天气的初发、发展、传播 的基本规律； 至今没有建立灾害性空间天气预报的基本规范； 制约主要来自时空上存在极大局限的观测，也来自对一个复杂系统、即多重多尺度磁场和磁化等离子体组元相互作用的物理理解的匮乏. 对这一学科的真正推动所需要的，依然是物理学上的努力

14 时间上的迫切性 一是2011年之后太阳活动将进入24周峰期,频繁的太阳风暴和由此产生的日地空间灾害性事件, 为该项目研究计划的实施既提供了极好的机会; 二是我国“十二五”空间环境保障面临新的重大需求,该项目的成果将直接应用于国家重大航天任务，如天宫1号；嫦娥2号、3号；探月2期；全球定位系统；空间站系列试验；各种国防和民用卫星；科学卫星；深空探测；等

15 本项目聚焦空间天气预报的物理基础 II期重点在认识不同环节之间的耦合过程 本期973项目突出有限目标：日地空间天气预 报物理基础
理解主导空间天气过程的核心物理规律，寻找新的观测约束和判据，建立定量的理论描述，发展空间天气预报的气候学模型和数值预报模式。突出基础研究的应用目标，着重研究太阳活动的基本物理特征与各种空间天气现象的内在物理联系

16 项目任务书：研究内容

17 拟解决的关键科学问题 以预报有关的物 理过程为主线 建立以物理为基础的空间天气预报模式 来自太阳和磁 太阳磁场的微观 层的能量输入
和宏观结构演化 特征与太阳爆发 的内在物理联系 来自太阳和磁 层的能量输入 与电离层和中 高层大气响应 内在物理联系 太阳爆发的基本物理特征与空间天气事件的内在 物理联系 脱离太阳的磁 化等离子体和 能量粒子与磁 层物理过程的 内在物理联系 空间天气事件与日冕物质抛射 及行星际激波的内在物理联系

18 空间天气的能量在太阳磁场中的积累过程：理解空间天气原初能量的积累过程，理解太阳活动区向量磁场和太阳大尺度磁连接性的演化是否并如何决定空间天气过程的形成、发展及剧烈程度，怎样定量描述太阳磁场的非势性、拓扑连接性和复杂性，并由此预报空间天气事件在太阳大气中初发的几率、强弱、发展和效应？ 空间天气过程中的太阳初始磁能释放：理解表现为太阳活动现象的空间天气初发过程中爆发式磁能释放，其触发机制，爆发式磁能释放的时空结构、能量形式和能域分布特征，及其中粒子加速、等离子体外流和相伴磁流体力学和等离子体波与扰动的传播。能否并如何预报爆发式磁能释放的触发和初始能量释放导致的粒子加速和爆发式辐射增长？

19 空间天气中的大尺度等离子体抛射：理解作为空间天气发展的基本形式CME，理解作为日地联系的主要媒介的行星际CME、磁云和激波。现在我们已能通过数值模拟较确切估计对地CME 到达地球的时间，问题在于，我们能否并如何预报CME 的初发、CME 的动力学特性，如何评估CME 与背景太阳风和行星际磁场的相互作用、以及与磁云的联系，如何预报CME 对地球磁层影响的强弱？ 空间天气中的磁层物理过程：理解作为空间天气事件最主要形式的磁层空间暴，理解太阳风通过磁云、激波和其他大尺度结构与磁层的相互作用机理，理解直接影响人类空间行为的地磁扰动过程和地球辐射带变化的规律。我们是否能够在认识行星际扰动结构与磁层相互作用的基础上，建立预报磁层亚暴、磁暴和辐射带高能粒子和‘杀手电子’增长的模式？

20 空间天气中的电离层和中高层大气物理过程：理解电离层和中高层大气对太阳电磁和粒子辐射增长、磁层空间暴的响应机理，理解并预报直接影响人类通讯、导航和信息传播的电离层暴、热层暴发生发展的物理机制。我们能否并如何建立电离层、中层和热层大气的空间气候学和空间天气学模式？ 空间天气预报方法和模式的集成与应用研究：在空间天气观测和物理研究的基础上，我们能否扬弃和集成现有的预报方法和模式，发展新的物理预报思路、提出新的物理参量、发展数值模拟综合能力，初步建立预报规范，集中完成24 太阳活动周国家重大空间计划的预报服务保障？

21 驱动源与爆发式能量释放 努力建立基于太阳磁场结构和演化观测预报空间天气事件的物理基础
导致耀斑和CME爆发的日面局地和大尺度磁场结构和演化特征及耀斑和CME的关系； 磁场产生的机理，以及与大尺度磁场特征有关的活动区的起源和周期性； 耀斑触发的条件、耀斑爆发时磁场的快速变化、三维磁场重构及拓扑形态、磁重联的观测证据、粒子加速机制、低层大气能量过程； 努力建立基于太阳磁场结构和演化观测预报空间天气事件的物理基础

22 大尺度扰动、传输与作用 努力建立地磁暴/亚暴、电离层、中高层大气扰动预报的物理基础和模式
CME前兆特征、触发机制、动力学特性、太阳表面源区特征、驱动激波条件、对地有效性； 太阳风向磁层传输的机制及模式、磁层亚暴和磁暴机制与模式、辐射带粒子暴机理及模式； 电离层暴时特性、电离层/大气层的耦合、数据同化、潮汐波季节变化和全球分布特性； 努力建立地磁暴/亚暴、电离层、中高层大气扰动预报的物理基础和模式

23 空间天气预报方法应用与集成 集成预报物理基础研究成果，实现预报模式化； 开展太阳活动整体行为研究，形成太阳活动中长期综合预报模式；
开展针对航天工程任务的空间辐射环境预报方法和技术研究；探索多种带电粒子辐射环境预报模式集成途径；开展特定轨道的空间环境预报方法和中高层大气参数预报模式研究； 承担项目执行期间的空间灾害性天气预报服务，并为国家重大航天任务提供空间环境安全保障服务。

24 项目任务书：预期目标

25 预期总体目标 利用太阳活动24周峰年的有利时机，以日地空间天气 预报有关的物理过程为主线，强调空间天气预报的物理
基础研究、方法研究和模式集成与应用研究，将研究的 重点与预报的现实国家需求紧密结合起来。 初步完成对空间天气过程的系统物理描述， 建立从太阳、空间和地球物理基本观测预报空间天 气事件的物理判据， 推进空间天气基础研究成果向预报模式和预报业务 规范的转变，提升为空天安全服务的水平。

26 5年预期目标 在理论上预期取得的进展、突破及其科学价值 在方法上预期取得的进展 对解决国家重大需求的预期贡献 基地建设和优秀人才培养
☆ 建成 1 米红外和ONSET，并在2011 年投入正式观测； 建设太阳射电日像仪，在2012 年投入试观测 ☆ 大力推进“空间太阳望远镜计划”（SST）、“夸父” 、“一箭5星”、和其它有关空间探测计划，以及“子午 II期工程”等空间物理项目，争取获得国家立项； ☆ 开展下一代先进地基和先进天基太阳天文台的预先研究 为我国空间天气监测长远发展打下基础

27 项目任务书：研究方案

28 学术思路 本项目在方案设计中，充分考虑与前两期973项目的 继承性、在此基础上的深入性、以及明显的区别性 强调预报的物理基础研究；针对研究对象的复杂 性，集中力量于有限目标；将空间天气学科前沿问 题与空间天气预报物理基础研究结合起来，服务国 家空天安全的重大战略需求。 项目上的继承、研究上的发展、国家迫切需求的满足。 集中研究与空间天气预报物理基础有关的前沿科学问 题。

29 技术途径 特定事件的综合研究 发挥项目优势，组织联测和联合数据分析 大样本统计研究 23周完整的子样库＋24周子样库
采用多种手段，促进项目开展 空间＋地面观测；理论＋数值模拟 统一学术交流平台 充分利用973学科交叉平台，物理过程＋预报基础 学术交流促进学科交叉，学术交流促进项目的开展

30 课题设置 太阳对流层和光球 日冕 行星际 磁层 电离层和中高层大气 课题1：空间天气的太阳驱动源研究
课题3：日冕行星际大尺度结构扰动及其预报模式 课题5：电离层与中高层大气空间天气过程及建模研究 太阳对流层和光球 日冕 行星际 磁层 电离层和中高层大气 课题2：太阳大气中爆发式能量释放研究 课题4：磁层空间暴的能量传输与释放过程研究 课题6：空间天气预报方法和技术的应用与集成研究

31 课题1:空间天气的太阳驱动源研究（颜毅华、刘忠） 中科院国家天文台、云南天文台, 19.5%
课题2:太阳大气中爆发式能量释放研究（甘为群、丁明德） 中科院紫金山天文台、南京大学, 21.5% 课题3:日冕行星际大尺度结构扰动及其预报模式（汪毓明、张军） 中国科学技术大学、中科院国家天文台、云南天文台, 17.5% 课题4:磁层空间暴的能量传输与释放过程研究（沈超、傅绥燕） 中科院空间中心、北京大学、北京航空航天大学、中科 院地质与地球物理研究所,13.1% 课题5:电离层与中高层大气空间天气过程及建模研究 （万卫星、徐寄遥） 中科院地质与地球物理研究所、空间中心、北京大学,14.2% 课题6:空间天气预报方法和技术的应用与集成研究（王华宁） 中科院国家天文台、云南天文台、空间中心、气象局，14.2%

32 各课题间的相互关系 ……… 6个课题是一个有机的整体，它们是一个物理过程在不同区域的表现方式，存在因果链关系，具有天然的交叉,而贯穿始终的对预报物理基础的研究则更进一步强化了各课题之间的联系。项目将引导课题交叉研究,以取得日地空间天气整体物理过程研究上的突破，在物理预报和模式研究上获得有特色的重大研究成果。

33 项目任务书：年度计划

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36 项目任务书：科学数据汇交计划 本项目实施过程中产生的原始观测数据，包括太阳磁场望远镜数据、太阳射电频谱仪观测数据、太阳两维光谱仪观测数据、太阳近红外光谱仪观测数据、红外太阳塔观测数据、射电日像仪观测数据、太阳爆发监测望远镜观测数据，以及电离层测高仪、激光雷达、流星雷达、GPS闪烁与TEC等设备观测数据，将适时放在各课题组相关的网页上，无条件向本项目所有人员开放，并提供处理数据必要的说明和相应的分析软件。同时，这些数据也向国内外同行开放，鼓励在联合数据分析方面的国际合作。对于一些特大的爆发事件，项目将组织专门的大事件观测数据库，集中所有设备的观测结果，以方便项目成员开展研究。

37 再次感谢各位领导和专家对本973项目的关心 理解和支持！ 感谢各位同仁的鼎力相助和积极参与！
再次感谢各位领导和专家对本973项目的关心 理解和支持！ 感谢各位同仁的鼎力相助和积极参与！