项目计划任务书

1、国家重点基础研究发展计划（973计划）项目计划任务书项目编号：2011CB811400项目名称：日地空间天气预报的物理基础与模式研究中华人民共和国科学技术部制二。一。年九月项目基本信息项目编号：2011cB811400项目名称中义日地空间天气预报的物理基础与模式研究英义Thestudiesonthephysicalbasesandmodelsfortheforecastofspaceweather起止年月2011.1至2015.8依托部门中国科学院第一承担单位中国科学院紫金山天文台承担单位数10项目首席科学家姓名性别男专业太阳和太阳系身份证位中国科学院紫

2、金山天文台每年工作时间（月）10项目专家组姓名身份证号码专业单位是否承担研究任阳和太阳系中国科学院紫金山天文台是方成320106380810081太阳和太阳系南京大学否王水110107194202空间物理中国科学技术大学否271217涂传间物理北京大学否魏奉间物理中国科学院空间科学与应用研究中心否汪景阳和太阳系中国科学院国家天文台否张洪阳和太阳系中国科学院国家天文台否黄光力320113194905

3、09441X太阳和太阳系中国科学院紫金山天文台否力卫间物理中国科学院地质与地球物理研究所是队伍总人数止局副局中初级博士后博士生硕士生39255095651课题分解课题设置课题编号课题名称课题负责人单位2011cB811401空间天气的太阳驱动源研究颜毅华中国科学院国家天文台中国科学院玄南大文台2011CB811402太阳大气中爆发式能量释放研究中国科学院紫金山大文台南京大学2011CB811403日冕行星际大尺度结构扰动及其预报模式汪毓明中国科学技术大学中国科学院国家天文台中国科学院玄南大文台2011CB811404磁层空间暴的能量传输与释放过程研究沈超

4、中国科学院空间科学与应用研究中心北京大学中国科学院地质与地球物理研究所北京航空航天大学2011cB811405电离层与中高层大气空间天气过程及建模研究力卫星中国科学院地质与地球物理研究所北京大学中国科学院空间科学与应用研究中心2011CB811406空间天气预报方法和技术的应用与集成研究王华宁中国科学院国家天文台国家卫星气象中心中国科学院空间科学与应用研究中心中国科学院玄南大文台一、立项依据本项目是在前2期国家973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”（2000-2005）和“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”（20062010）成功实施的基础上提出的。有关日地空间灾害性天气研究的科学前

5、沿性、学科交叉性、以及与重大国家应用需求之间的紧密联系，已经在前两个973项目立项时做了详细阐述。日地空间天气是一门新兴的多学科交叉的研究领域，涉及太阳物理、空间物理、地球物理、等离子体物理等众多学科；它跨越由物理性质不同的空间区域组成的日地耦合系统，是在地面环境下无法重现的特殊实验室，是多种间断面、多种非线性和激变过程共存的复杂系统，存在大量尚未从物理上梳理清楚的科学难题和在简单系统研究中未曾遇到的新问题，是急待探索的重大基础科学前沿。太阳表面磁场演化和物质运动，导致太阳大气中能量的积累和剧烈释放，类似的现象也规模不等地发生在宇宙中各个天体层次。对太阳及日地系统等离子体的研究为我们认识宇宙中

6、类似的物理过程提供了一个独一无二的机会。脱离太阳的等离子体流、辐射、高能粒子进入行星际空间，与磁层、电离层、中高层大气相互作用，产生空间粒子暴、磁暴、磁层亚暴和电离层暴，改变地球电离层和中高层大气的状态，严重威胁地球空间中各种航天活动以及通信、导航和雷达系统，在强烈磁层空间暴扰动期间，一系列灾害性事件频频发生。内磁层相对论性高能电子，即“杀手电子”事件导致空间飞行器深层充电，载荷失灵或损坏，卫星姿态控制和计算机失效，甚至卫星运行寿命的终止；辐射带中高能质子会极大地威胁宇航员的健康乃至生命安全；磁层空间暴期间诱发的巨大地面电位降可能引起电力系统瘫痪和输油管线事故；剧烈的电离层骚扰事件会导致短波通

7、讯中断、GPS通讯故障、飞机和舰船导航失灵等。认识空间天气复杂过程和精确预报空间天气，是人类进入空间时代对当代科学家和科学技术的一个必然要求。除了这些立项依据外，本项目申请中，我们还强调如下立项依据。（1）空间天气问题的复杂性和研究的长期性前两个973项目近十年的努力在认识空间天气物理过程方面取得了令人瞩目的进展，但同时也认识到空间天气科学的复杂性。尽管空间天气过程中的基本问题是无所不在的电磁相互作用，尽管这些问题尚未超出经典物理学的框架，尽管空间天气学科涵盖的各个领域近年都有长足的进步，尽管计算技术已经提供了强有力的综合和计算能力，我们却至今未曾取得对空间天气过程完整的物理和数学描述，至今没

8、有掌握控制空间天气过程的初发、发展、传播和影响的基本规律，至今没有建立空间天气、特别是灾害性空间天气预报的基本规范。对这一学科发展的制约依然主要来自时空上存在极大局限的观测，依然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。诚然，预报和服务的急迫需求，要求我们不得不在没有得到完整的物理理解的情况下，采用经验的、统计的和物理上尚不完整的数值模拟方法进行综合；然而对这一学科的真正推动所需要的，依然是物理学上的努力，包括精心设计的观测和对观测发现的物理解释，详尽的对空间天气结构和过程的物理学诊断，详尽的物理学分析和描述，物理规律的提取和模型的建立，数学的和数值模拟的

9、工具的发展。这是前两个973项目所给予我们的一个宝贵的启示，也是我们进行新的努力的一个基本出发点。其实，空间天气(SpaceWeather)一词最早在20世纪70年代的科学文献中作为一种对未来科学的“畅想”而提出。美国1994年11月正式发表了“美国国家空间天气战略计划”，定义空间天气为太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中影响空间、地面技术系统的运行和可靠性及危害人类健康和生命的状态。由此看到，真正意义上将空间天气作为学科来研究的时间国际上不过十几年。当前空间天气预报的水平尚不及地球气象预报上世纪五、六十年代的水平。空间天气的研究与发展，特别是空间天气预报水平的提高,面临着重大的科学机遇和挑战

10、，有着广阔的前景和发展空间。本申请项目的前身973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”于2000年启动，我国在国家项目指导下的空间天气研究甚至不到10年的时间。相对于空间天气过程的复杂性而言，短短十多年时间对发展一门新兴的学科和研究领域是太短了。前两个973项目的实施，在认识空间天气各个环节上的物理过程和不同环节之间的耦合过程方面取得了一些突破性进展，为本项目的提出打下了坚实的基础。如果将空间天气国家973计划前两期比喻成“播种”期和“发芽生长”期，那这期973计划的实施则期望是“开花和结果”的收获季节，即在空间灾害性天气预报原理和方法上取得实质性进展，为国家空间天气预报奠定坚实的物理基础。(2

11、)时间上的迫切性尽管开展空间天气学的研究是一个较为长期的任务，但我们也面临时间上的迫切性。这一点至少表现在两个方面: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，又提出了急迫的要求;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到服务国家重大航天任务。前两期973项目在研究空间天气过程的物理机制和灾害性空间天气事件成因方面取得了重要成果，在应用方面初步形成了一些针对特定空间天气过程的预报模式，如太阳耀斑、太阳质子事件、太阳风和太阳爆发事件的行星际空间传播、地球磁层对行星际扰动响应等多种

12、类型空间天气预报模型。这些经验的或统计的模型为我国重大航天活动（如载人航天和探月）和其它需要空间环境保障服务的活动（如奥运会）提供了重要的预测服务。在上一个973项目进行期间，神舟七号载人航天飞船的成功发射和嫦娥探月一期工程任务的完成成为我国空间事业发展的新的里程碑。在实施这些重大航天任务的过程中，973项目组在任务的不同阶段都开展了空间环境安全保障工作，为各项任务的圆满完成提供了必要的支持。随着我国综合国力的增强，大型的航天活动越来越频繁，空间环境安全在航天任务中的地位越来越重要和突出。为了适用新的形势和需求，我们必须进一步加强空间环境安全保障的研究和服务水平。在未来几年内，我国将陆续实施多

13、项更加复杂的空间计划，如载人航天工程即将发射的天宫一号，实施交会对接任务；探月工程即将发射嫦娥二号、嫦娥三号飞船；建设全球定位系统、空间站、各种国防、气象和遥感卫星，以及我国自主火星探测计划等。这些计划的实施对空间天气预报和应用提出了急迫的需求。毫无疑问，我国的空间环境安全保障工作将是本973项目的一个重要任务。我们在提高服务质量的同时，还必须拓展空间环境安全保障的范围。第24周太阳活动峰期即将来临，未来几年，太阳活动将越来越强烈，空间灾害性事件将会逐步增多。面对新的形势和挑战，我们不仅需要加大对空间天气各个环节深入研究的力度，更需要理解和定量描述控制空间天气的核心物理过程，并把这些研究与预报

14、的物理基础结合起来，发展基于物理的预报模式，在基础研究成果向预报模式转化研究方面做出系统的努力，以便为我国的航天事业提供更加好的支持和服务。（3）本项目关注空间天气预报的物理基础第一个973空间天气项目的关注点在认识空间天气各个环节上的物理过程，课题设置在空间天气链条上各个相对独立的环节研究；第二个973空间天气项目的关注点在认识不同环节之间的耦合过程，课题设置在空间天气中各等离子体域的界面和相互作用研究。总体而言，前两个项目侧重证认和剖析空间天气过程中的物理问题和相关物理机制的观测和理论研究，取得了一些突破性进展。部分研究成果已经可以应用到预报模式研究。与上两期973项目侧重点不同，本期97

15、3项目将充分利用前两期973项目的研究成果，将项目的重心转移到日地空间天气预报这条主线上来，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。项目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，课题的设置也从上期的7个凝练成这期项目的6个。研究内容将围绕空间天气预报的物理基础和物理需求展开，进行预报所涉及的物理过程、所需物理原理的深入探索，以及预报方法与模式的发展和建立。从太阳源头开始，研究太阳磁场和物质运动导致太阳剧烈爆发的前兆特征，尝试建立由太阳磁场速度场观测有效预报太阳活动的

16、方法；研究耀斑爆发的时空和能量物质构成，建立空间天气预报的辐射变化模式；研究CME与行星际CME和激波的关系，分析和提取CME的可预报性和相关物理量，建立其对地有效性和导致磁层空间暴的定量联系；研究磁层亚暴、磁暴和内磁层辐射带粒子暴与太阳活动的关系，建立磁层亚暴、磁暴和内磁层辐射带粒子暴引起地球空间环境、电离层和高层大气的剧烈扰动的模式；研究电离层和中高层大气各种扰动变化规律，建立和完善电离层和中高层大气预报模式；集成和综合研究空间天气预报的理论和方法，并实际用于国家重大空间活动的预报服务，从根本上提高空间天气预报的能力和服务水平。二、研究内容本项目拟解决的关键科学问题包括：（ 1） 空间天气

17、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？（ 2） 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？（ 3） 空

18、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？（ 4） 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

19、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？（ 5） 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？（ 6） 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？本项

20、目将充分利用我国太阳磁场望远镜、三通道望远镜、全日面磁场望远镜、1米太阳红外望远镜、太阳射电频谱仪、太阳多通道光谱望远镜、近红外太阳爆发监测望远镜、太阳射电日像仪（即将建成）、以及空间物理地面探测设备，结合国际空间卫星观测资料，围绕上述关键科学问题展开研究，主要研究内容包括：（ 1） 研究大尺度发电机理论和局部发电机理论，理解与大尺度磁场特征有关的活动区的起源和周期性问题；研究导致太阳耀斑爆发的日面局地磁场结构和演化特征；研究导致CME发生的日面大尺度磁场结构和演化特征；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。（ 2） 研究耀斑触发的条件，特别是耀斑爆发前磁场的演化和爆发时磁

21、场的快速变化、活动区三维磁场重构和耀斑磁场的拓扑形态、磁重联的观测证据；研究极限时间和空间尺度上的耀斑爆发的微观过程和粒子加速的机制；研究低层大气的能量过程及耀斑和CM的关系；建立基于日常观测预报耀斑和基于耀斑观测快速预报空间天气粒子事件的物理基础。（3）研究CME的形成和触发机制，及其与耀斑和暗条爆发等现象的关系；探讨小尺度活动与大尺度爆发之间的物理联系；寻求CME爆发的前兆特征和可用于预报的观测量；分析CME动力学特性及其日面和日冕的决定因素，研究CME!度和加速度大小与太阳表面源区特征的关系；探索CME驱动激波的条件，发展预测日冕激波强度的理论模型；建立CMEB云的对地有效性预报模式；分

22、析CME在近太阳处的形态和动力学特性与1AU处磁云特征参数的关系，建立利用CME早期演化过程中的参数来预报空间天气地磁扰动强度的物理基础。（4）研究太阳风向磁层传输的机制及模式：磁层顶边界层的全球拓扑结构、三维磁场重联及统一模型、太阳风向磁层传输的途径和效率；研究磁层亚暴机制与模式：磁层亚暴能量释放的时序、亚暴触发过程、磁层亚暴和极光亚暴粒子的加速与传输；研究磁暴机制与模式：磁暴与亚暴的关系、磁暴/亚暴期间的电场和电流体系；研究辐射带粒子暴机理及模式：地球磁层相对论电子的加速机制、相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系、磁层暴时太阳高能质子的磁层进入过程、行星际扰动对辐射带的影响。建立磁暴/亚暴

23、预报模式的物理基础。（5）研究中低纬电离层的暴时特性：暴时行星际/磁层电场向赤道和中低纬电离层的渗透、中低纬电离层扰动及运动特性；研究中低纬电离层/大气层的耦合：电离层中大尺度大气波动诊断和作用机理、电离层/大气层耦合动力过程机理；研究电离层模式化，发展电离层/热层电动力学耦合理论模式；研究电离层数据同化，建立第一代电离层数据同化试验系统；研究中高层大气潮汐波季节变化规律和全球分布特性；研究中高层大气对太阳活动和辐射变化的响应及参数化；建立新一代电离层、中高层大气预报模式的物理基础。（6）充分利用前两期973项目在空间天气预报方面的成果，及时消化和吸收本期973项目各课题组在预报的物理基础研究

24、上所取得的成果，实现预报模式的集成化；开展太阳活动整体行为和太阳爆发事件物理机理和预报方法研究，形成太阳活动综合预报模式体系；研究太阳爆发活动对地有效性，寻找近地空间环境预报模式有效的新参数；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安全保障。三、预期目标总体目标：作为前两个973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”(20002005)和“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”(20062010)的发展和延伸，本项

25、目充分认识到日地空间天气过程的复杂性和研究上的艰巨性，在充分吸收前两个项目研究成果的基础上，着重研究太阳活动的物理特性与空间天气现象的内在联系，强调与空间天气预报有关的物理基础研究、方法研究和模式集成与应用研究，将研究的重点与预报中核心物理问题以及预报的现实国家需求紧密结合起来。利用太阳活动24周峰年的有利时机，初步完成对空间天气过程的系统物理描述，定量理解主导空间天气过程的核心物理规律，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，奠定空间天气预报的物理基础，提高为国家空天安全服务的水平，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。五年预期目标:1. 在理论上预期

26、取得的进展、突破及其科学价值(1) 深化对太阳磁场起源和演化规律的认识；深入认识太阳活动区的发生、发展和消亡的演变规律，定量描述磁非势性、拓扑复杂性和磁流体动力学相互作用，为空间天气初发过程的物理预报提供思路和模式；(2)定量理解各种尺度太阳耀斑/CME的触发机制、初始能量释放物理过程、及爆发式磁能释放中高能粒子的加速、辐射增长和传播机制，建立相关理论模型，为预报太阳粒子事件和辐射变化奠定基础；(3)通过对CME源区的物理证认和CME维磁通量系统的重构，重新认识CM膨成机理，并与行星际空间局地观测结合，理解CME在行星际的传播和相互作用、磁云和行星际激波的形成和演化，为理解和预报太阳风大尺度扰

27、动与磁层相互作用提供依据；(4) 通过大子样统计和物理研究，建立近地空间对太阳爆发响应的气候学和天气学模型，在揭示磁层空间暴、电离层暴、中层热层暴的全球演化的特性、起因和规律的基础上，发展近地空间响应的数值预报模型；(5) 初步完成对空间天气过程完整的物理描述，尝试建立空间天气预报理论的基本框架，发展用于预报的数值模拟和数值综合能力；形成空间天气预报的模式体系，为预报工作的规范化做好科学准备。2. 在方法上预期取得的进展(1) 发展非线性无力场和非无力场日冕磁场外推方法，以及快速准确由Stokes参数观测反演矢量磁场和视向速度场的方法；发展新一代高空间-时间-频谱探测技术和新型快速数据处理技术

28、；(2) 发展太阳大气及活动对象的辐射动力学计算程序和等离子体粒子模拟程序；发展可用于耀斑和CME数值预报的三维磁流体力学模拟程序；初步建立起从CME爆发到引起地磁扰动的空间天气连锁过程的预报方法或模式；(3) 建立部分磁层空间暴的定量预报模式；建成新一代的中高层大气预报模式；建立电离层扰动模式与电离层闪烁模式，建立第一代电离层数据同化系统；(4) 发展、集成和开发业务化空间环境预报模式；3. 对解决国家重大需求的预期贡献(1) 发展太阳活动周活动水平和异常行为的预报理论和方法，为国家制定全球变化和减灾、抗灾等政策提供决策依据；(2) 为国家探月工程、载人航天、空间站、以及各类民用和军事卫星的

29、发射和安全运行提供空间天气预报服务；(3)为社会各有关部门(如通讯、导航、国防)提供空间天气预报服务，为国家重大活动提供空间安全保障；(4) 开展空间天气效应的基础研究，为国家有关部门使用空间天气预报提供指导，向社会普及空间天气知识。4. 基地建设和优秀人才培养(1) 建成1米红外太阳望远镜，并在2011年投入正式观测；建设太阳射电日像仪，并在2012年投入试观测；(2)大力推进“空间太阳望远镜计划”(SST、“夸父”、“一箭5星”、以及其它有关空间探测计划，争取在本973项目执行期间获得国家立项；(3) 开展下一代先进地基和先进空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；(

30、4) 在前两期973项目的基础上，通过本973项目的努力，进一步优化、发展和稳定我国空间天气前沿研究的优秀人才队伍，项目凝聚人才，项目凝聚队伍，使这支队伍在国际空间天气界具有更重要的显示度。进一步形成具有坚实理论基础的空间天气研究专家群体，着力培养年轻人，为相关部门输送空间天气业务骨四、研究方案1. 学术思路：本项目在方案设计中，充分考虑与前两个973项目的继承性、在继承基础上的发展、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，实质性提高空间天气预报的水平，服务国家空天安全的重大战略需求。（ 1）

31、在前2期973项目基础之上开展工作。在1期973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”（20002005）设计中，我们按空间位置将项目划分为8个课题：太阳磁场演化和磁通量输出；耀斑的时空结构和能量输出；太阳高能粒子的起源和输出；CME的起源和磁化等离子体输出；行星际空间对CME的响应过程；磁层空间暴和磁层对太阳事件的响应；电离层暴和电离层对太阳活动的响应；空间天气预报的物理基础和方法。1期973项目的课题安排可以用“4个输出+3个响应+1个预报”来概括。在2期973项目“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”（20062010）设计中，我们将课题数缩减为7个：空间灾害性天气的太阳磁活动因素研究

32、；空间灾害性天气的耀斑因素研究；空间灾害性天气的CME因素研究；空间灾害性天气的日冕/行星际传输研究；空间灾害性天气的磁层物理研究；空间灾害性天气的电离层和中高层大气研究；空间灾害性天气的预报理论、方法和应用研究。2期973项目的课题安排可以用“3个因素+3个效应+1个预报”来概括。前两期973项目的实施获得了大量的研究成果（详见第7节），2008年，“太阳剧烈活动与空间灾害天气”项目获得了国家科技部颁发的973计划优秀研究团队的称号，受到表彰。本期973项目的课题设计（详见第6节）在前两期的基础上进行了进一步提炼，以空间天气的物理过程作为主线，浓缩成6个有机联系更加紧密的课题，既体现继承，更

33、注重发展，实现课题交叉的自然融合。（2）集中研究与空间天气预报物理基础有关的前沿科学问题。前两期973项目的实施充分说明，空间天气发生在一个复杂的系统，它涉及太阳物理、空间物理、地球物理、等离子体物理等众多学科；它跨越由物理性质截然不同的空间区域组成的日地耦合系统，是多种间断面、多种非线性和激变过程共存的系统，对太阳活动行星际空间扰动地球空间暴的链锁变化过程的研究是一项长期而艰巨的任务。鉴于前两期973项目实施的工作积累，我们提出本期973项目有限目标的思路，即在深入研究空间天气各个环节和它们之间相互作用的核心物理过程的同时，强调与空间天气预报有关的物理基础研究，将空间天气预报的物理基础研究体

34、现到各个课题研究的对象中去，如在“空间天气的太阳驱动源”课题研究中，需要研究什么样的磁场结构和演化表征太阳风暴即将来临，在搞清磁场结构和演化与太阳爆发物理联系的基础上，提供来自观测的和理论的定量判据，为空间天气预报提供相应的模式。而专设的预报课题除了开展自身的研究外，与其它课题紧密联系，负责集成这些来自课题的预报模式，使之专业化和业务化，从物理机制上真正提高空间天气预报服务的水平。2. 技术途径：日地空间天气系统是一个整体，远在太阳源头的一个小小的爆发，就可能在地球磁层、电离层和中高层大气产生后果。因此，就物理过程而言，各个课题之间存在着天然的联系，这种联系为我们从技术上推进项目的实施提供了启

35、示。（1）特定事件的综合研究。本项目执行期正好覆盖完整的太阳活动第24周峰年，期间预期将会发生一系列剧烈的太阳爆发及由此产生的重大空间天气事件。这些典型的事件为空间天气研究提供了绝佳的样本。本项目将组织包括太阳磁场、太阳射电、磁层结构、电离层结构与扰动、中高层大气风场等观测内容在内的全国日地空间环境联合观测，并利用国际上的卫星和地面观测资料，获得若干日地空间灾害天气事件物理链条上较完整的观测资料。组织项目各课题针对若干典型空间天气事件开展联合数据分析，揭示典型空间天气的产生机理和发展变化规律，建立从太阳剧烈活动到日地空间各层次爆发和变化的因果链模式，在学科交叉和综合分析上取得突破。通过特定事件

36、的综合研究，发展各个环节上的预报模型并加以检验。（2）大子样统计研究。在上一个973项目中我们已就第23太阳活动周重大空间天气事件建立了一个初步完整的子样库，相关研究已在进行。我们将继续这一大子样的统计和分类研究，并适时补充24周上升段的重大空间天气事件子样。通过大子样事件的统计和分类研究，取得对于空间天气过程可靠的和规律性的认识，为我国空间天气预报方法和模式发展提供观测基础。（ 3） 采用多种手段，促进项目开展。空间天气物理过程研究离不开空间和地面众多探测数据的利用。一方面要充分利用国际上的卫星，如SOH、OTRAC、ERHESSJHINODESTEREOTHEMISCORONAS-PSDO

37、等的最新观测资料和历史观测资料，通过国际合作的方式实现资料的共享；另一方面要充分利用我国自己的地面观测资料，如：太阳磁场望远镜、太阳射电频谱仪、太阳多波段光谱仪、1 米红外太阳望远镜、太阳射电日像仪、近红外太阳爆发监测望远镜、子午链大科学工程观测网设备等，保证这些观测设备的正常运转，增加有效观测时间，为项目的研究提供必要的观测资料。（ 4） 统一的学术交流平台。973项目是一个多学科交流的平台，这已经在前两期973项目中得以验证。应该说，973项目把从事天文（太阳）的研究人员和从事空间物理的研究人员，在空间天气的旗号下紧密联系在一起。本期973项目将延续这种传统，并予以加强。学术交流要真正促进

38、学科交叉，学术交流要促进项目的开展。以往的学术交流不排除形式上的需要，交流不深入，各说各是的现象客观存在。本次973项目的课题设计使得在物理过程和预报基础两个层面的研究内容上具有交叉的内在需要，通过973学术交流平台，尤其是预报的需求牵引，可望在学科交叉和促进项目开展方面出现新的局面。3. 创新点与特色：本项目的主要创新点和特色可概括成项目上的继承、研究上的发展、国家需求的满足：（ 1） 经过前两期973国家项目的支持，我国空间天气研究的框架已经基本建立，对空间天气若干环节的研究已经取得了局部突破，并初步形成了一支优秀的研究队伍。这些为本次973项目的实施打下了坚实的基础。（2）本次973项目

39、在充分利用前两期973国家项目获得的研究成果的基础上，将研究重点调整到与空间天气预报有关的物理过程，探索实现可靠空间天气预报必须认识的核心物理规律。以空间天气物理过程作为主线，以提高空间天气预报水平作为宗旨，更好体现科学前沿研究与国家重大战略需求的关系。（3）我国航天领域在下一个5年将进入一个高速发展时期，卫星、飞船、空间站等航天器的发射和运行对空间天气预报提出迫切的要求，而且下一个5年正值太阳活动极大年，这为本973项目的实施提供了难得的机遇。将基础研究成果转化为预报的依据，发展多种预报方法、集成各类预报模式，直接服务于国家航天任务，将是本973项目的另一个特色。4. 可行性分析：（1）本项

40、目是在前两期国家973项目成功实施的基础上而提出。前两期973项目的实施获得了大量的研究成果，2008年作为重要科学前沿领域的突出代表，前期973空间天气项目获得了国家科技部颁发的973项目优秀团队的称号。本期973项目是前两期973项目的发展和延伸。如果把前两期973空间天气研究项目比喻为“播种”、“发芽和生长”季节，那这期973空间天气项目则期望是“开花和结果”的收获季节。（ 2） 经过前两期国家973项目的支持，我国在地面空间天气观测手段方面取得了明显的发展，全日面磁场望远镜建成投入运行，近红外太阳爆发监测望远镜和1米红外太阳望远镜将于近期投入工作，太阳射电日像仪一期工程将进入调试阶段，

41、加上太阳磁场望远镜、太阳射电频谱仪、太阳多波段光谱仪、子午链大科学工程观测网设备等，结合国际空间卫星观测(如刚刚发射上天、功能强大的“太阳动力学天文台”等)，为本项目的实施提供了观测上的保证。（ 3） 本项目骨干成员集中了中国科学院各天文台、研究所和国内数所著名大学相关学科中的优秀中青年科研工作者，包括太阳物理界所有杰出青年基金获得者和空间物理界约半数杰出青年基金获得者，他们绝大多数参加过前期973国家项目，具有丰富的研究经验和相当的国际视野，活跃在当前空间天气研究的舞台上。这对项目的完成提供了根本保证。5. 课题设置课题1:空间天气的太阳驱动源研究预期目标：研制完善新一代太阳磁场和太阳射电宽

42、带动态成像观测设备，获取从太阳光球到日冕的多波段高分辨率的观测数据，综合利用数据分析、理论模型研究、数值模拟等手段，建立和完善从光球到日冕磁场的系统反演方法，初步建立有关太阳磁场和太阳活动区的起源和演化模型，揭示引起空间天气变化的起源、产生机理与发生发展规律，为建立更为自洽的、可操作性强的空间天气预报的物理模式奠定基础。研究内容：(1) 太阳磁场的起源与演化：太阳发电机模型，集中解决与大尺度磁场特征有关的活动区的起源和周期性问题；局部发电机理论，甄别小尺度磁场是由大尺度发电机产生，还是由太阳米粒和超米粒组织的湍流和高导电性特征产生；现代日震学与发电机模型，包括a效应的确切机制和产生位置、对流带

43、底部子午流的方向和大小及对向赤道迁移的解释、太阳内核对整个发电机过程的影响、强剪切层的性质以及其如何与强磁场相互作用、湍流磁扩散系数随径向的变化及其物理机制等。深化对太阳磁场、速度场多通道望远镜和1米太阳红外望远镜的技术提升，获得持续、稳定可靠的观测数据。(2) 太阳活动区的起源与演化：研究耀斑前相的光球磁场随时空的演化，寻找耀斑的光球磁场演化触发机制；研究CME的触发与磁场重联的关系以及在整个磁场拓扑结构演化中的作用；从爆前磁结构中储存的自由能研究太阳耀斑和CME之间的联系，为耀斑和CME的预报提供研究依据；研究活动区的演变与爆发活动的关系，建立从源头上预报空间天气的物理基础；开展从亚光球层

44、到色球层的光学-红外磁场和成像观测、从米波到厘米波段的射电宽带频谱成像观测，以研究磁场和等离子体耦合的过程。(3) 太阳射电物理研究：利用太阳爆发射电频谱成像观测数据，研究射电爆发及其精细结构的分类和爆发特征，结合爆发辐射机制的研究，对爆发源区的等离子体参量进行诊断，为太阳爆发过程触发机制、能量释放机制、高能粒子的产生和传播特征以及物质的运动特征的研究提供至关重要的信息，为最终反演太阳活动区和活动现象的演化过程提供最丰富和最全面的约束条件，并为利用太阳射电观测进行空间天气预报提供先兆条件。(4) 太阳磁场的延伸研究：结合一米红外太阳塔观测，开展红外磁场直接测量方法研究；结合厘米-分米波段射电日

45、像仪建设，开展太阳射电观测反演三维色球-日冕磁场方法研究；甄别重构日冕三维磁场结构的势场外推、线性无力场外推、非线性无力场外推等方法，基于太阳磁场实测结果开展非线性无力场外推的研究，并与光球磁场外推日冕磁场和红外谱线诊断日冕磁场进行比较和互相验证；探索色球-日冕磁场的非无力场外推方法；开展太阳磁场非势性与磁螺度积累与传输特征的关联研究，探究太阳磁螺度可能在太阳爆发活动预报中的作用，研究磁螺度从光球向日冕传输的方式；研究极区磁场，通过准确测量获得极区磁场分布特征和随太阳周期的变化规律。承担单位：中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台课题负责人：颜毅华学术骨干：屈中权、邓元勇、张枚、刘忠经费比

46、例：19.5%课题2:太阳大气中爆发式能量释放研究预期目标：初步建立爆发式能量释放前能量储存的物理过程和机制，研究磁流浮现、剪切运动、磁场螺度积累在能量储存中的作用；建立爆发式能量触发的物理机制和理论模型；梳理爆发式能量释放与耀斑和CME的内在联系；完善耀斑这一爆发式能量释放产物中辐射、等离子体动力学、物质加热和粒子加速的物理图像；充分认识耀斑、CME及其激发波动的物理特征和机制；深化太阳大气磁化等离子体能化的微观物理过程；为灾害性空间天气的准确预报提供物理输入和基础模型。研究内容：(1) 爆发式能量释放的储能及触发机制研究：太阳大气中的能量储存是爆发式能量释放的前提。本课题将充分利用我国具有

47、特色的太阳多通道光谱望远镜、近红外太阳爆发监测望远镜、磁场望远镜、以及将要建成的太阳射电日像仪等设备，结合国际空间卫星(如HINODESTEREOSDO等)的观测，研究磁流浮现、剪切运动、磁场螺度积累、磁对消(太阳低层大气重联)等在太阳爆发前能量储存中的作用，以及它们触发耀斑和CME发生的定量物理条件，解读太阳爆发强度与诱发因素之间的定量关系，为耀斑和CME的预报提供物理基础。(2) 爆发式能量释放过程研究：目前普遍认为太阳大气中爆发式能量释放将磁场自由能通过磁重联的方式转化成加热太阳大气的热能和加速粒子的动能。研究导致爆发式能量释放的磁重联过程的理论和模型；通过耀斑足点源和环顶源的运动来研究

48、耀斑环动力学、磁场重联速率以及和CME的关系；研究不同大气层次(特别是低层大气)磁场重联的证据和特征；从观测上界定磁重联区域的物理性质；观测光球和日冕磁场在太阳爆发前后的变化，理解磁场变化与磁重联和爆发式能量释放的关系。(3)爆发式能量释放产物研究：研究耀斑和CME中的辐射、等离子体、以及高能粒子的时间、空间和能谱特性，探讨耀斑和CME中各种物理参数的空间分布和时间演化；构建耀斑和CME的物理图像及表征，以及爆发式能量释放后太阳大气的动态演化图像；分析与耀斑和CME相伴的日面各种波动现象的特征和规律，揭示它们的物理实质和内涵；研究耀斑SIGMOID位形与灾害性空间天气的关联；研究耀斑产生灾害性

49、空间天气高能粒子事件的条件，初步建立基于日常观测预报耀斑和基于耀斑观测快速预报空间天气高能粒子事件的物理基础。(4) 爆发式能量释放的微观过程和方法研究：开展太阳爆发高能粒子的加速、传播和耗散机制的研究、太阳大气磁化等离子体的微观能化过程研究、以及从太阳高能辐射反演耀斑高能电子、高能质子和高能离子的方法研究；研究太阳大气中的高能物理过程，特别是高能质子与太阳大气发生核反应所产生的伽玛射线谱线和伽玛射线连续谱；开展耀斑辐射动力学理论和数值模拟及三维MH躁值模拟研究；通过理论计算和数值模拟研究太阳大气磁化等离子体非均匀性结构中色散等离子体波的激发、传播和演化特性，探索太阳大气加热和粒子加速的微观物

50、理机制；为空间天气预报的耀斑模式提供必要的物理基础。承担单位：中国科学院紫金山天文台、南京大学课题负责人：甘为群学术骨干：丁明德、陈鹏飞、季海生、黎辉、吴德金经费比例：21.5%课题3：日冕行星际大尺度结构扰动及其预报模式预期目标：深入理解CME和激波等日冕行星际大尺度等离子体结构扰动的形成和演化规律及内在的物理机制；建立基于观测的CME触发、CMEB云的对地有效性、激波强度等的初步理论模型或经验预报模式；同时为相关的基于物理的数值预报奠定必要的观测和理论基础。研究内容：(1) CME触发机制和前兆特征研究：深入理解CME爆发前后的太阳大气环境和三维磁场结构；研究CME在触发过程中与耀斑和暗条

51、爆发等现象的关系；探讨小尺度活动与大尺度爆发之间的物理联系；寻求CME爆发的前兆特征和可用于预报的观测量。(2) CME动力学特性及其决定因素研究：分析CME初发阶段的加速机制及其能量来源；探讨CME在内日冕的形成与传播过程中动力学特性的演化规律；研究CME速度和加速度大小与太阳表面源区特征的关系。(3) CME驱动激波的形成和演化研究：探索CME驱动激波的条件；发展激波强度预测的理论模型；研究日冕激波表面压缩比和强度的分布规律；分析引起II型射电暴和高能质子事件的高能电子和质子的有效加速区域。(4) CME与行星际磁云的对应关系及对地有效性研究：分析CME在日冕中的形态和动力学特性与1AU处

52、磁云特征参数的关系；研究与磁云和非磁云ICME对应的CME的异同点；初步归纳出表现为磁云的CME的早期特征；分析CME在大尺度背景磁场和太阳风作用下的偏转传播规律，给出CME能否到达及何时到达地球的预报模式，探索预报磁云轴向和磁场强度的方法，寻求利用CME早期演化过程中的参数来预测地磁扰动强度的方法。承担单位：中国科学技术大学、中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台课题负责人：汪毓明学术骨干：周桂萍、张军、郑惠南、姜云春经费比例：17.5%课题4：磁层空间暴的能量传输与释放过程研究预期目标：通过对多点卫星探测数据以及地面观测数据的联合分析研究，结合深入的理论分析和数值模拟研究，揭示磁层空间

53、暴全球演化的特性和规律，建立部分磁层空间暴的定量预报模式，为磁层空间暴预报提供可靠的理论基础。研究内容：( 1) 太阳风向磁层传输的物理机制及定量模式：分析研究磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；综合分析各种行星际条件下磁层顶三维磁场重联规律，X-线方向的分布特征；从三维角度对磁层顶瞬时磁重联(FTEs)磁通量管结构与运动进行观测研究，将数据分析结果与理论模型与数值模拟结果进行对比，建立磁层顶三维磁重联的统一模型；在不同太阳风条件下，太阳风等离子体向磁层传输的途径和效率。( 2) 磁层亚暴机制与模式：分析磁层亚暴能量释放的时序,研究近磁尾地向流和尾向流在亚暴触发过程中的作用,了解磁层亚暴高

54、能粒子的加速与注入过程,深入理解极光亚暴粒子在极区的加速与沉降过程；在全面系统分析的基础上，完善磁层亚暴的物理模型，建立亚暴相关指数的预报模式。（3）磁暴机制与模式：分析磁暴的发生机制及其与亚暴的关系；研究磁暴/亚暴期间电场和电流体系的发展与演化，以及它们与太阳活动、行星际条件的关系；利用观测资料可以对不同类型的扰动事件建立经验-统计模型，并结合深入的理论研究，逐步形成实用性的磁暴预报模式。（ 4） 辐射带粒子暴机理及模式研究：研究地球磁层相对论电子的物理加速和扩散机制，研究相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系，磁层暴时，太阳质子事件中高能质子的磁层进入过程，行星际扰动对辐射带的影响，辐射带模

55、式的比较研究。承担单位：中国科学院空间科学与应用研究中心、北京大学、北京航空航天大学、中国科学院地质与地球物理研究所课题负责人：沈超学术骨干：傅绥燕、陈耿雄、肖池阶、曹晋滨经费比例：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预期目标：在进一步对电离层和中高层大气与空间天气相关的物理过程进行研究的基础上，深入理解电离层和中高层大气中各种波动的分布特征和演化规律，力争在本项目结束时，能够提供实用化的电离层和中高层大气模式。研究内容：（ 1） 中低纬电离层的暴时特性及与大气层的耦合研究：中低纬电离层的暴时动力过程现象研究：包括暴时行星际/磁层电场向赤道和中低纬电离层的渗透，中低纬电离层扰动发电机效应，暴时赤道和低纬电离层的运动特性等；低纬电离层闪烁与TEC起伏研究：重点研究暴时低纬电离层闪烁和TEC起伏的出现规律和机理；电离层中大尺度大气波动的信息诊断：提出诊断电离层/热层高度上大尺度大气波动（行星波、潮汐等）信息的提取和辨认方法，为建立包含电离层/大气