太阳活动预报

太阳活动预报（solar activity prediction），指对未来一定时期内太阳活动及其对地球影响的预报。主要预报耀斑、日冕物质抛射等太阳活动的出现和强弱，及由它们引起的地磁暴、电离层暴和太阳质子事件等效应，也常预报太阳黑子和黑子群的出没和演化。^[1][2]

太阳活动预报是以太阳物理学研究的最新成就作为科学依据的，其分类有长期预报、中期预报、短期预报和警报。^[3][4]太阳活动预报主要关注太阳活动水平的高低与太阳爆发活动的发生。黑子数是描述太阳活动水平的最重要的参数。耀斑和质子事件则是太阳爆发活动的具体表现。^[5]

随着人类对日地空间的开发利用，太阳活动预报逐步受到重视且应用日益广泛。太阳活动剧烈发出的强紫外辐射和粒子流到达地球，引起地球磁场和电离层的剧烈变化，影响日地空间环境，危及通信、宇宙航行、空间探测、气象、地震、水文和国防建设。^[2][5]因此，太阳活动预报需要完整的太阳地球物理资料，需要进行国际合作，^[6]主要机构有国际空间环境服务组织、美国国家环境信息中心、法国默东天文台、克里米亚天体物理观测站等。^{[7][8][9][10]}

人类关于太阳黑子活动的记载，最早出现于公元前28年，见《汉书·五行志》：“三月乙未，日出黄，月黑气大如钱，居日中央。”17世纪初，意大利科学家伽利略用望远镜观察到太阳黑子。^[11]直到1928年G.费里埃（G.Ferrié）做太阳活动日常广播服务，人类开始通过无线电进行太阳活动预报。^[12][13]美国在1967年成立“环境科学服务局”，美国空军设有“太阳预报中心”，从事太阳-地球物理预报。后期两个机构合并为一个世界性的太阳地球物理观测网，包括太阳光学——射电网、地磁测量网、太阳质子监测网、中子监测网、电离层观测网、卫星观测系統等，进行一天24小时不间断地太阳巡观。^[3]中国从20世纪60年代末开始太阳活动预报的研究和服务。^[14]1969年，北京天文台开始发布太阳活动预报，为航天、国防等相关单位提供电离层突然骚扰和太阳质子事件预报服务。^[15]1970年，中国研制并建立了太阳10厘米波长射电望远镜及常规观测系统，满足中国第一颗人造卫星发射的需求。^[16]

自从第一位航天员登上太空后，人类开始重视研究太阳活动预报方法。^[17]常规的太阳活动预报方法五花八门，预报效果各有千秋。在预报因子上既有单纯的黑子数，也有太阳极向场、地磁指数等其他相关因素；预报技术上既有单纯的经验公式，也存在较复杂的统计分析和数值模拟。^[5]因此，世界上不同的预报组织做预报工作的方法和发布的预报内容不尽相同。^[12]

个人经验

以往太阳活动预报主要依赖预报人员的个人经验。^[18]大部分有效尝试是利用地磁法对第23太阳活动周的预报，与实际情况相差较远；王家龙在1997年利用相似周法预报的第23周黑子数结果稳定。^[19]也有学者采用三条正弦曲线相加赖拟合黑子数曲线，外推预报值。有人试用模糊数学方法做预报，预报值更接近实际值，缺点是其预报提前量也短。^[12]

人工智能

1989年，科学家研究人工神经元网络能以任意精度逼近任意非线性函数，为时间序列预测提供了坚实的理论基础，后期又发现人工神经元网络预测方法优于统计预测法。^[17]中国科学院国家天文台建立基于人工智能技术、从太阳活动区光球视向磁图中提取太阳耀斑预报模式，实现太阳耀斑短期自动预报模型。引入人工智能技术有利于实现从预报员的主观预报向计算机的客观预报。^[18]

按预报提前时间的长短，太阳活动预报分为长期预报、中期预报、短期预报和警报。^[2][12]

长期预报，是指提前量为一年或几年以上至几十年或更长时间的预报。主要预报内容是太阳黑子数的长期变化，特别是黑子数的太阳周变化。^[12]长期预报能够估计太阳活动年平均水平的变化趋势，即预报太阳黑子相对数年均值的变化，包括下一个太阳活动周的极小年和极大年出现的时间。^[20]

中期预报，是指提前量为半个或一个太阳自转周以上至几个月的预报。^[12]中期预报内容以太阳耀斑为主，其关键是判断活动区和黑子群的出没规律。^[2]

短期预报和警报，是指提前量为几天或短至几分钟、几小时的预报，主要预报是否将发生耀斑和日冕物质抛射等活动现象和能否产生地球物理效应。^[2][12]

太阳活动预报主要关注太阳活动水平的高低与太阳爆发活动的发生。黑子数是描述太阳活动水平的最重要的参数。耀斑和质子事件则是太阳爆发活动的具体表现。^[5]

黑子的出现是太阳风暴发生的前兆，绝大多数的太阳爆发活动现象发生在以黑子为中心的上层大气当中。日面上黑子多的时候，太阳爆发活动现象频繁，太阳风暴的发生频次也高。在设计卫星轨道和空间任务时需要提前几年或十几年预知太阳活动的水平，常常通过对黑子数的长期预报来实现。^[5]

黑子数的长期积累记录成为太阳活动长期预报的重要依据。从黑子数的长期记录来看，黑子数的多少表现出11年左右的周期变化。以1755年极小期起算的太阳活动周为第1周，太阳活动周的每一个周期都不是另一个周期的简单复制。周期的时间长度也不固定，短的有9年，长的超过13年。同时，每个太阳活动周的强度差别、太阳活动周的上升期和下降期的时间长度均有所不同，这些差异使得对黑子数的长期预报变得十分困难。^[5]

太阳耀斑预报主要是预报1-3天内的“耀斑是否发生、可能发生的强度”。对于耀斑是否发生，预报结果已经从“有或无”逐渐发展为更科学的概率形式预报。耀斑强度通常按照C级及以下、M级、X级三个等级进行预报。^[5]

耀斑预报主要依赖于观测和经验，利用耀斑与其他活动现象的相关规律进行。在耀斑发生之前，常可在可见光波段、射电波段或X射线波段观测到该区域的某些异常现象，这些现象超前于耀斑发生的时间是不同的，因此可利用它们做不同提前量的预报。常用的先兆现象有黑子群呈复杂活动类型、黑子群特殊运动或变化、暗条活动、Hα辐射增强、UV或X射线短波辐射增强等。长期观测发现，大多数耀斑都发生在黑子群的上空，且黑子群的结构和磁场类型越复杂，发生耀斑的机率就越高。^[5]

耀斑预报已经实现了业务化运行，众多国家的空间环境预报业务机构每天都会根据最新的太阳观测资料对耀斑的发生情况进行预测，如美国NOAA的空间天气预报中心、澳大利亚空间天气局、中科院空间环境研究预报中心、日本信息通信研究机构空间天气信息中心等。由于耀斑的物理预报模型还没有建立起来，这些机构预报耀斑的方法不尽相同，但大都依赖于以黑子为中心的活动区的监测和历史相关资料的统计。^[5]

太阳质子事件是太阳爆发过程中能量剧烈释放的一种表现。^[5]当太阳活动比较剧烈，出现耀斑爆发或者日冕物质抛射时，常常喷射出大量高能带电粒子，耀斑爆发或日冕物质抛射后一段时间在地球轨道附近可观测到高能粒子的强度突然增加，这就是太阳高能粒子事件。^[21]从太阳喷射出来的高能粒子绝大部分都是质子，占高能粒子总数的90% 以上，其次是α粒子，电荷数大于3的粒子很少，所以通常把该事件称为太阳质子事件。质子事件根据其峰值通量的大小可分为小、中、强三个级别，对应的峰值通量分别为10pfu~100pfu, 100pfu~1000pfu和1000pfu之上。^[5]

根据预报时间提前量的长短，质子事件预报主要是长期预报和1天-3天的短期预报或警报，还没有很有效的中期预报办法。长期预报是预报未来一段长时间内的质子事件的积分通量或能谱，适用于航天器的飞行计划、轨道设计、姿态控制的制定，以及有关空间敏感器、探测器设计等。短期预报主要是质子事件的发生和级别，能够为宇航员出舱、太空行走及运行各类对高能辐射敏感的科学设备等提供风险规避依据。用于预报太阳质子事件积分通量的典型预报模型主要有：King模型、JPL模型、ESP模型及MSU模型。^[5]

在考虑太阳质子事件时，通常借鉴历史上曾经发生的最恶劣事件或某一次普通质子事件进行分析，缺乏统计依据。主要的空间环境业务预报机构大都提供质子事件的短期预报或警报，例如中国科学院国家空间科学中心空间环境预报中心、美国国家国家海洋和大气局空间天气预报中心每日均提供未来1-3天的质子事件概率预报。^[22]

一般将太阳黑子周或更长期的黑子活动的预报方法分为以下四类：^[12][19]

1、长周期变化特征法：这种方法将黑子数作为时间函数进行统计预报，假设未来的太阳黑子活动遵从某种统计规律，再根据当前的观测资料及已经发现的规律来预测未来的黑子活动情况。^[19]比较典型的是把黑子数的观测值或某种平滑值看成一个非平稳随机时间序列。^[12]

2、活动周参量法：此法利用不同活动周或活动周内部各参量之间的关系做预报，预测未来太阳黑子相对数极大值及其时间位置。^[19]这种预报所使用的经验公式，多是由概率统计法和相关分析法所得到的。^[12]

3、地球物理现象先兆法：此法利用极小期或太阳周下降期的地球物理量的测量来预报下一个太阳周黑子数极大值。它把极小期地磁场的活动状况，通过极小期的太阳磁场与极大期太阳的磁活动状况联系起来。^[12]

4、行星位置法：主要研究行星位置的变化或者太阳相对于太阳系质心的位置变化与太阳黑子活动或耀斑活动的关系。但行星在太阳上的潮汐力对太阳活动的影响究竟有多大，在决定太阳活动的幅度上起怎样的作用，能否用行星的作用来预报太阳活动等，是一直在争论的问题。^[19]

太阳耀斑预报方法可分为以下三类：^[23]

1、统计方法：该方法在早期的耀斑预报建模中用的较多，就是利用已经观测到的事件对未来情况进行预报。^[23][24]

2、机器学习方法：随着数据挖掘技术的发展，越来越多的机器学习方法应用到预报模型中。利用该方法预报研究的例子很多，比如，美国NOAA空间环境实验室开发专家系统Theo来预报太阳耀斑；有学者利用人工神经网络技术建立耀斑预报模型；^[24]黄鑫等人应用几种机器学习方法建立耀斑预报模型。^[24][25]

3、数据同化方法：该方法有更好的模型修正能力。^[23]其根本思想是用同化数据引入对模型更正，常表现为数值模拟和物理现象，典型应用是用误差数据的更正来产生预报。^[24]

太阳质子事件预报方法主要有以下两类：^[26]

1、统计方法：国家天文台曾经采用计算日面质子区概率方法和多元回归分析法进行质子事件的短期预报，报准率较高。云南天文台曾经用模糊聚类的方法对质子耀斑进行短期预报。^[26]

2、神经网络方法：英国难汉普顿大学学者提出基于神经网络的质子预报模型，测试结果报准率65%。国家天文台使用BP神经网络作质子事件警报模型，检测结果报准率为87%。^[26]

太阳活动预报需要完整的太阳地球物理资料，因此需要进行国际合作。^[6]主要机构有国际空间环境服务组织、美国国家环境信息中心、法国默东天文台、克里米亚天体物理观测站等。^{[7][8][9][10]}

国际空间环境服务组织(The International Space Environment Service，ISES)，成立于1962年，隶属于国际科学理事会，由全球范围内提供空间天气预报和服务的22个区域警报中心、1个准区域预警中心和1个合作专家中心组成。ISES的主要工作是为国际空间天气用户团体提供优质服务，包括太阳、磁层和电离层状态的预报、警告和警报，太阳活动周期的长期预测，空间环境数据，面向用户的事件分析等，旨在促进国际交流与协同合作，提升空间天气服务水平，减轻空间天气对空间技术系统、基础设施以及人类活动的影响。^[7]

中国区域警报中心于1992年成立，设有地球物理预报中心、空间环境预报中心，电离层预报中心和太阳活动预报中心共四个中心，旨在开展空间天气研究与预报，与国际其他区域警报中心进行快速的数据和预报产品交换，以获得全球空间天气预报产品，并为中国本地区服务。^[7]

国家环境信息中心（the National Centers for Environmental Information，NCEI），是负责整理和提供地球上重要档案的机构，包括全面的海洋、大气和地球物理数据，并且提供从海洋深处到太阳表面、从百万年前的冰核记录到实时的卫星图像和相关数据。NCEI作为世界数据系统的成员，主持世界数据中心和服务工作。^[8]

默东天文台于1876年成立，^[27]位于法国巴黎的纳夫城堡，是欧洲最重要的天文台之一。^[9]该天文台致力于研究天体物理学，^[27]做日地资料交换、情况总结和预报。^[12]1926年与巴黎天文台联手后，仍保留其科学特性。尽管夜间观测已经停止，但它仍然是日常观测太阳的场所。^[27]

克里米亚天体物理台，成立于1945年，隶属于俄罗斯科学院，距离巴赫奇萨赖市约14公里。该台拥有17架光学望远镜，其中包括俄罗斯第二大光学望远镜。该望远镜配备有光偏振计，不仅是第一代伽马射线望远镜，还是一种独特的太阳望远镜综合观测设备。^[10]

随着人类对日地空间的开发利用，太阳活动预报逐步受到重视且应用日益广泛。^[5]太阳活动剧烈发出的强紫外辐射和粒子流到达地球，引起地球磁场和电离层的剧烈变化，不仅对地面通信和航空领域造成干扰，还能够改变人造卫星的轨道、缩短人造卫星的寿命，损伤字航人员及损毁飞行器上的装备，影响日地空间环境，危及通信、宇宙航行、空间探测、气象、地震、水文和国防建设。^[2][28][29]因此，做好太阳活动的预报，具有现实意义。^[28]

2003年10月底至11月初期间，太阳上发生了一系列强烈的爆发活动，造成了日地空间环境巨大扰动。受此影响，美国加州中部上空出现了罕见的极光；全球范围内的通讯受到干扰，海事紧急呼叫系统瘫痪，珠峰探险队通讯中断；全球定位系统精度降低；瑞典5万人的电力供应中断；约半数卫星出现故障，日本先进地球观测卫星-2（ADEOS-2）完全失效。^[30]

1989年3月，日面上出现了一个超级活动区，该活动区掀起了一场剧烈的太阳风暴，使地球上发生了一次史上有名的强磁暴，同时也给人类社会带来了一系列灾难。此次太阳风暴的危害主要表现为对加拿大魁北克省电力系统的严重破坏，整个电网在不到90秒钟内全部瘫痪。^[30]地铁、火车、飞机等交通工具也无法正常运行，许多工作职能被迫停滞，约600万人的工作生活受到了影响。没有提前做好停电的预备措施，长达12小时停电致使停电地区遭受了经济重创，全省累计损失36亿美元。^[31]