空间天气与GPS气象学--新疆气象手册（11）第1篇2章8-9节 

20191221

8 空间天气

8．1 什么是空间天气

随着人造卫星等空间技术的发展，人类需要掌握从地球对流层顶一直到太阳大气表面这广阔空间区域的物理状态和变化。这一区域有中性气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大约60km以上，中性大气密度和温度、电离气体的电子密度等参数对太阳变化的响应迅速，幅度变化大。这些变化还将进一步衍生许多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响。

空间天气是指太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态。它们的状态可能影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，可能危及人类的生命和健康。与日常所说的天气一样，空间天气也有好、差和恶劣之分，例如：所谓好的空间天气，指太阳、行星际空间、磁层、电离层、高层大气处于平静的状态，有利于运载火箭发射和卫星正常运行；所谓差的空间天气，是指上述区域具有不同程度的扰动；恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失；等等。

总之，空间不是空的，太阳不是稳定的，空间环境对不断变化的太阳的响应就构成了空间天气。

8．2 空间天气引发的效应

8．2．1 航天器表面充电：

在航天器外表面上的电荷积累称为航天器表面充电。其中的“不等量充电”可能产生强的电场，可导致表面弧光放电或航天器不同电位表面之间的静电放电（ESD）。这种弧光放电或火花放电直接引起航天器部件的损坏或者在电子部件中产生严重的干扰脉冲。航天器表面电位随空间等离子体的状态变化。在亚暴期间，高密度、低能量的等离子体被能量为1~50keV的低密度等离子体云取代。这种情况可使航天器介电表面充电到达很高电位，甚至发生静电放电击穿现象。

8．2．2 航天器内部充电：

航天器内部充电是由能量范围为0.1～10MeV的高能电子引起的，它们穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质内。当电荷的积累率高于电荷的泄漏率时，这些电荷产生的电场有可能超过介质的击穿限度，产生静电放电，从而造成航天器某些部件的损坏，最终导致航天器完全失效。高能电子被称为卫星的“杀手”(killer)。

8．2．3 航天器中的单粒子事件：

当高能重离子或质子打到电子学部件的芯片上时，在芯片的P–N结上产生的电荷使逻辑电路发生非正常电位翻转、锁定或击穿，这种现象称为单粒子事件。发生单粒子事件的概率与高能质子通量有密切关系。如果偶然发生单粒子事件，可以通过编码校正装置纠正，但频繁发生的单粒子事件，可导致航天器失效。

8．2．4 辐射效应：

材料因辐射受到伤害称为辐射损伤。如玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗；胶卷变得模糊不清；太阳电池输出降低；各种半导体器件性能衰退，甚至完全损坏。各种辐射长期积累限制了飞船电子部件的寿命。高能电磁辐射或粒子辐射穿入人体细胞，使组成细胞的分子电离，可毁坏细胞的正常功能。辐射病的症状包括严重灼伤、不能生育、肿瘤和其它组织的损伤。严重损伤可导致快速（几天或几周）死亡。DNA的变异可遗传给后代。

8．3 空间天气学 

空间天气学是空间天气（状态或事件）的监测、研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气的开发利用和服务等方面的集成，是多种学科（太阳物理、空间物理等）与多种技术（信息技术、计算机技术等）的高度综合与交叉。

空间天气学的基本科学目标，是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统，按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系，了解空间灾害性天气过程的变化规律。

空间天气学的应用目标，是减轻和避免空间灾害性天气对高科技的技术系统所造成的昂贵损失，为航天、通信、国防等部门提供区域性和全球性的背景与时变的环境模式；为重要空间和地面活动提供空间天气预报、效应预测和决策依据；为效应分析和防护措施提供依据；为空间资源的开发、利用和人工控制空间天气探索可能途径，以及有关空间政策的制定等。

建立和发展空间天气学，建立能独立自主对空间天气变化进行监测、研究与预报的体系，既是对自然界的挑战，更关系到增加国家综合实力，是一门具有重要基础性、战略性和前瞻性的跨世纪新学科。

8．4 国家空间天气监测预警中心及其它

国家卫星气象（空间天气监测预警）中心是中国气象局直属事业单位，从事与卫星气象、空间天气事业相关的业务运行与服务、工程建设和科学研究工作。它肩负空间天气监测预警服务任务。主要工作是利用国内外气象卫星空间环境观测资料，统计分析各 类空间环境物理参数随时间的变化特征，开发建立“空间天气”监测预警系统，为航天领域故障的预防和分析以及有关国民经济部门和人类生命和健康等提供空间环境监测和预警服务。

另外，中国科学院空间科学和应用研究中心也提供“每日空间环境预报”。关于空间碎片问题，“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”2005年3月初在中科院紫金山天文台成立，将为我国在空间航天领域建起空间碎片安全预警系统。这是中国唯一专门针对空间碎片（即“太空垃圾”）的观测中心。

（张学文、张小炎）

9 GPS气象学

9．1 GPS和它的定位原理

GPS这个新科技名词的含义是全球定位系统。当你手里拿着一个“GPS”设备（目前它已经缩小到手表大小，甚至是手机的一部分），只要当时可以接受卫星讯号，它就可以读出你所在的地理位置（经纬度）、海拔高度。这对军事、航海、飞机、探险等很多活动非常有用。手里的GPS的本领来自太空卫星的配合。手上的GPS、卫星发射和它的管理系统组成了这个神奇的系统。21世纪初部分出租车已经装备了它。每个手机配有GPS功能的日子也不远了。目前应用的GPS系统是美国的。鉴于GPS具有战略意义，俄罗斯、欧洲与我国合作也在搞自己的GPS系统。

美国GPS卫星定轨于20200km的空间轨道，由24颗工作卫星均匀运行在6条相距60°经度的轨道上。以保证全球地面上任何一点在任何时刻都能同时看到不少于4颗以上的GPS卫星。用户接收4颗GPS卫星的信号，可以计算出接收机所在的位置（经度、纬度和高度），同时对接收机本身的时钟也进行订正。这就是GPS定位的基本原理。

9．2 GPS讯号含有气象信息

当接受GPS卫星讯号时，讯号要经过大气层传递下来。大气状况的变化固然会影响卫星定位系统的准确性，它含有气象信息，而这催生了GPS气象学。

通过测量穿过空间和大气层的GPS信号“延迟”来获得那里的气温、压力、湿度以及电离层等信息的原理、技术和应用称为“GPS气象学”–GPS/MET。依GPS接收机所在位置,分为地基GPS/MET和空（天）基GPS/MET。地基GPS测量可估算测站上空的水汽总量、电子浓度总量。

GPS测量的位置与实际位置的误差称为GPS信号的延迟，如果已经知道实际位置，就可以计算出这个误差（延迟）并且推测大气和空间环境状况。根据大气折射原理，讯号延迟受到电离层以及干空气和水汽三个因素的影响。电离层延迟可以利用双频GPS信号测量算出来，利用它可以得到电离层中的电子密度，推进空间天气学的研究。大气干延迟与大气压力成正比，与大气温度成反比。由于可以分别求出电离层延迟和干延迟，从大气总延迟中扣除这两项以后，最后就得到水汽湿延迟。水汽湿延迟与大气中水汽压成正比。大气中含有1mm的水汽就会造成湿延迟6mm。这样就可以利用固定点的GPS讯号的湿延迟得到大气中的水汽数量知识。

大气里的水汽状况变化快又对天气预告有重要作用，而固定点的GPS的测量可以随时进行，它就比过去用12h或者24h一次的探空气球资料计算大气的水汽含量要方便、及时。GPS讯号计算大气水汽的这个优点，推进了世界各地以GPS为核心的大气水汽观测网正在世界范围逐步形成。

9．3 GPS气象学技术进展

1994年美国建成了由24颗GPS卫星组成的全球卫星定位星座。美国、日本和部分西欧国家利用测绘、地震和气象等部门建立的GPS站网，开展了地基GPS获取大气积分水汽含量的业务试验。通过比较GPS水汽、探空水汽的观测结果，二者的误差约为1mm，相对误差5%～10%。同时，利用业务试验阶段获取的大量数据和典型个例，研究了GPS水汽在气象业务和大气科学研究中的应用。1994年美国NOAA的预报系统实验室建成了世界上第一个大气水汽的GPS站网。

自2000年以来，美国、日本和西欧等国家先后建立了由多部门站点组成的GPS综合应用业务网。到21世纪初地基GPS基准站在全球已经超过4000个，它已经远远超过目前世界范围的探空气象站1000个的水平。在本世纪初，日本开展地基GPS探测水汽较早，已有1200个站。日本GPS连续运行站网综合服务系统在以监测地壳形变、预报地震为主功能的基础上，结合气象部门开展服务，每3小时提供一次可降水量图。我国在本世纪初已经建成分布在全国的中国地震GPS观测网（25个站点，有新疆的乌恰），反演了东亚区域电离层电子浓度总量TEC的春夏秋冬四季分布图。另外中国气象局在上海、北京分别建有14个GPS水汽站。我国争取到2010年建成覆盖全国的地基电离层大气观测站网，实现实时入网的GPS台站1000个。

（张学文）

参考文献

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⑵ 周淑贞主编，气象学与气候学第三版，1997，北京：高等教育出版社：3–6，226–259

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⑷ 周秀骥、吴国雄主编，中国气象事业发展战略研究（重大科学技术问题卷），2004，北京：气象出版社：12–13，31–33

⑸ 符淙斌，气候系统，《中国科学技术蓝皮书，第5号，气候》，1990，北京：科学技术文献出版社：186–190

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⑼ 李泽椿、巢纪平主编，中国气象事业发展战略研究（气象与经济社会发展卷），2004，北京：气象出版社：177–178

⑽ 陈联寿、伍荣生、程国栋主编，中国气象事业发展战略研究（能力建设与战略措施卷），2004，北京：气象出版社：122–133

⑾ 国家卫星气象(空间天气监测预警)中心网站

⑿ 李黄：2006年4、5月《中国气象报》连载的9篇介绍GPS的文章

⒀ 混沌理论简介，《气象港》：*2006090*WZ45*hsl*