太阳是一颗离人类最近、也是与人类生存环境关系最为密切的恒星 。 可以说地球上人类活动能量90%以上来自太阳 ， 对地球生命来说 ， 太阳是宇宙中最为重要的天体 。 通常认为 ， 太阳可以分为四层 ， 最里面的一层 ， 也就是太阳核心 ， 它是发生核反应的地方 ， 提供太阳发光发热的大部分能量 。 接下来是辐射层 ， 在这里能量以辐射方式向外传播 ， 产生光子 ， 再往外是对流层 ， 对流层内部的热量通过对流方式向外转移 ， 最外面一层就是通常所说的太阳大气 ， 也就是产生太阳风暴的地方 ， 太阳大气从内到外可以分为三层 ， 依次是光球层、色球层和日冕层 。
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图1 太阳结构
/ 太阳风暴及其带来的危害
太阳耀斑和日冕物质抛射是最典型的两种太阳风暴 ， 它们都会释放出非常巨大的能量 。 太阳耀斑是太阳大气中能量剧烈释放的局部爆发现象 ， 表现为太阳表面强烈而急促的增亮 。 强烈的耀斑一般伴随着另一种剧烈的爆发现象——日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection ， 简称CME) 。 太阳上的爆发现象可以将高能粒子、高速太阳风和强磁场抛射到太空中 ， 在地球上产生美丽的极光 ， 同时也威胁地球的空间环境 。
太阳风暴对地球上的方方面面都存在影响 ， 除了可以产生极光之外 ， 对地球空间的人类活动所需要的 ， 比如GPS导航、通讯系统、飞机航线、太空中的卫星、飞船等等方面都存在不同程度的影响 。 太阳风暴所造成的恶劣影响 ， 就是我们所说的空间灾害 。
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图2 太阳风暴造成的空间灾害
/ 如何防御太阳风暴？
总的来说 ， 太阳风暴所造成的危害是非常巨大的 ， 只有提前预知太阳风暴的到来 ， 才能最大程度的减轻太阳风暴所带来的危害 。 首先要研究清楚太阳风暴的产生和作用于地球的规律；应用这些规律 ， 再结合数学建模 ， 可以进行空间天气预报；有关部门根据空间天气预报 ， 可以做好相应的防护措施 。
我们国家在十几年前就成立了相关的部门 ， 比如2004年7月 ， 中国气象局的国家空间天气监测预警中心开始进行空间天气的日常预报 ， 包括空间天气的各种指数 ， 并且会不定期发布灾害性空间天气的现报、警报；此外 ， 还定期发布空间天气的周报、月报 。 另外 ， 2003年11月 ， 中国科学院空间环境研究预报中心成立 ， 主要从事空间环境应用研究领域的空间环境监测、预报、效应分析等应用研究和服务工作 。 这些机构用来进行空间天气预报的主要工具 ， 大多都是基于空间物理中的数值模型 。
/ 空间物理研究方式的发展规律
空间物理主要就是研究太阳的变化会如何影响地球表面的这些变化 ， 也就是我们所说的空间天气 。 空间物理研究的目的之一是希望能理解这其中的物理过程 ， 在未来发展出像现在天气预报一样的模式 ， 能够准确地预报空间天气 ， 减少它对我们生活的影响 。
下面我们来简单地了解一下空间物理研究方式的发展规律：在早期 ， 空间物理基本靠观测 ， 即使在现在 ， 观测依然是研究空间物理的一个主要手段（如图3所示） 。 随着数学的进步 ， 空间物理的另一种研究方式---理论也渐渐发展起来；而数值模拟方法是随着计算机应用而生的 ， 数值模拟在空间物理中的应用 ， 大体起始于70年代 ， 从磁流体力学模拟开始 ， 80年代开始伴随几乎所有的空间物理问题 。 数值模拟在空间天气的研究中具有重要作用 。
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图3 太阳动力学观测站(Solar Dynamics Observatory, SDO)的成像仪在各个波段拍摄的太阳
/ 三维磁流体力学太阳风模型
三维磁流体力学(Magneto Hydro Dynamic, MHD)太阳风模型以磁流体力学方程组及其扩展为太阳风的物理模型 ， 以计算磁流体力学为数值方法 ， 以超级计算机为计算工具 ， 以数值计算结果的方式在虚拟世界中重现太阳风 ， 是我们进行空间天气学研究与预报的关键工具 。
三维磁流体太阳风模型的主要功能总结起来主要就是研究和预报 。 具体来说 ， 三维磁流体太阳风模型 ， 能够同时给出从太阳表面到行星际空间 ， 包含地球在内的行星位置的所有磁流体参数（包括太阳风速度、密度、温度、磁场等量）的三维分布 ， 科学家们可以用它来分析局地观测中的特征结构与全球结构间的联系 。 除此之外 ， 它还是一类空间天气数值预报的基本工具 ， 比如世界上第一个投入空间天气预报的数值模型就是来自美国的三维磁流体太阳风模型---“WSA-ENLIL”模型；该模型可以提前3天预报出地球附近的太阳风密度和速度（图4） 。
美国密歇根大学空间环境建模中心(Center for Space Environment Modeling, CSEM)所开发的SWMF (Space Weather Modeling Framework) 模型, 则可以研究太阳风暴的整个传播过程 。
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图4 美国ENLIL模型预报的密度和速度分布图
一个完整的磁流体太阳风模型 ， 由以下要素组成：首先 ， 它需要一个物理模型 ， 对于一个磁流体太阳风模型来说 ， 这个物理模型主要是以磁流体力学方程组的形式呈现的 ， 如三维问题是由8个偏微分方程构成的方程组 ， 主要是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒还有磁感应方程建立起来的（图5） 。
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图5 磁流体力学方程组的构成
第二个组成要素就是：要求解这个方程组所使用的数值格式 ， 比如有限差分法、有限元法、有限体积法、谱方法等等 。 以有限差分法为例 ， 主要的原则就是：以差分代替微分 ， 进行离散求解 。 偏微分方程组是个连续的微分方程 ， 求解过程中需要离散它 ， 简单来说就是用一个一个的点来逼近它 。 这就引入了我们的第三个组成要素：网格 。 所谓网格就是把我们原本连续的研究区域离散成网格点 ， 那网格也分为很多种 ， 比如图6中给出的球坐标网格、直角坐标网格 ， 以及可以随着计算进程自动加密的自适应网格等 。
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(a) 球坐标网格 (b) 直角坐标网格 (c)自适应网格
图6 网格设计介绍
第四个组成要素是观测输入 ， 或者说初始输入 ， 也就是求解偏微分方程组需要的初始条件和边界条件 。 最后还有一个很重要的组成要素 ， 就是编程实现 。 编程语言一般都是Fortran/C/C++ ， 编程过程中要考虑到并行剖分方案和并行策略 ， 如MPI/MPI+OPENMP并行实现 。
另外 ， 在提高计算速度方面 ， 都会考虑使用超级计算机、并行异构等 。 截至2020年 ， 中国共建成并投入使用6座超算中心 ， 分别为国家超级计算天津中心、长沙中心、济南中心、广州中心、深圳中心、无锡中心 。 天津中心的天河一号和广州中心的天河二号在投用时均为世界最快的超级计算机 。 2016年6月 ， 我国自主研制的“神威·太湖之光”登世界超级计算机500强之首 ， 国家超级计算无锡中心成立 。
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图7 天河一号超级计算机系统（天津中心）
/ SIGMA团队自主开发的三维太阳风模型
中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的SIGMA团队近年来自主开发了两套三维太阳风模型 ， 并取得不错的模拟结果 。 首先是日冕行星际模型 ， 通过将太阳观测输入到模型中 ， 采用六片网格 ， 进行数值模拟之后可以得到与观测符合较好的太阳风参数分布(图8) 。 SIGMA团队自主开发的第二套模型叫做CESE模型 ， 这套模式可以更精确地刻画太阳表面的物理过程（图9） ， 以及太阳风暴在日地空间的三维演化过程 ， 并采用多卫星模拟验证模型 ， 有助于提高空间天气预报水平 。
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图8 日冕行星际模型采用的六片网格和模拟得到的地球附近太阳风参数与观测对比 摘自Shen et al., APJ, 866(1):18, 2018
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图9 CESE模型模拟到的太阳表面的精细结构及与观测对比
摘自Jiang et al., APJ, 869(1):13, 2018
/ 如何提高空间天气预报水平
一般认为 ， 提高太阳风数值模型的水平 ， 可以显著提升空间天气预报水平 。 对照前面介绍的太阳风数值模拟的组成要素 ， 第一个方法就是改进模型以及数值格式；第二个方法是采用更先进的网格技术；第三个方法是提高计算效率、并行计算的效率、超级计算机性能等；第四个方法则是使用高时空分辨率、高精度的观测输入 。 提高空间天气探测水平 ， 这是我们空间物理领域最为关注的方向之一 。
近年来 ， 我们国家越来越重视空间科学的发展 ， 空间科学先导专项的设立也标志着我国空间科学事业进入新的发展阶段 ， 为我国从航天大国走向航天强国奠定了基础 。 其中 ， 空间科学先导专项II期里的两个探测项目---针对太阳进行探测的先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)和探测地球空间的太阳风---磁层相互作用全景成像卫星计划(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer , SMILE)的提出 ， 将会有助于提升空间天气预报水平 。
ASO-S是我国首颗太阳专用的综合观测卫星 ， 它将揭示太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射（一磁两暴）的形成及相互关系 。 为实现这一目标 ， ASO-S将搭载3个主要载荷（图10）：全日面太阳矢量磁像仪(Full-disk vector Magnetograph, FMG)、太阳硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)、莱曼阿尔法太阳望远镜(Lyman-alpha Solar Telescope, LST) ， 它们将分别用来观测太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射 。 该卫星预计2022年发射 ， 以瞄准太阳25周活动峰年 。
地球空间“微笑卫星”SMILE则是一颗可以独立观测太阳风-地球磁层耦合的创新性卫星计划（图11） 。 主要工程目标是发射一颗300kg卫星到远地点为20Re的大椭圆极轨 ， 实现对磁层和极光的全景成像；主要科学目标是揭示太阳风和地球磁层相互作用的基本模式 。
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图10 ASO-S任务图标及其搭载的三台主要载荷：左全日面矢量磁像仪(FMG)、中太阳硬X射线成像仪(HXI)、右莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)
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图11 SMILE任务图标 
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SMILE卫星观测轨道示意图
我们充分相信 ， 在未来 ， 越来越多的空间探测卫星升空之后 ， 太阳和地球轨道附近的观测数据将进一步丰富 ， 我们的空间天气预报水平也会更上一个台阶 。
问答环节 /
1. 在空间天气事件中 ， 从太阳爆发到地球附近需要多长时间 ， 空间天气预报能提前多长时间？
答：不同事件到达地球的时间也是不同的 ， 比如快速日冕物质抛射事件可能不到2天 ， 而慢速事件则可能3天以上 ， 空间天气预报通常可以提前1-2天 ， 视不同的事件也有所不同 。
2. 请问您的模式可视化用到什么软件？
答：我们常用的可视化软件包括IDL、Tecplot、python等 。
3.我们知道目前天气预报的准确率还是比较高的 ， 那目前空间天气预报的准确性如何？
答：其实这个目前国内外并没有一个准确的数值 ， 对于不同的参数准确性有所不同 ， 比如对于CME激波到达时间和速度的准确性比较高 ， 但是对于磁场尤其是南向磁场的预测相对差一点 。
4. 太阳超强磁暴大概多少年发生一次？
答：根据160多年的记载来看 ， 大概每个太阳活动周期（约11年）发生约2-3次太阳超强磁暴 ， 一般都发生在太阳活动高年 。
5. 空间中心的太阳风模型跟美国密歇根的比起来哪个更好？
答：总的来说是各有所长 ， 在处理不同的空间物理问题中均有各自的优缺点 ， 是不可互相替代的 。 美国著名的空间物理学专家Dryer教授曾经在公开发表的文章中评价我们的太阳风模型跟美国密歇根大学开发的模型以及另外一个美国的模型并称为国际上主流的三大模型 。
6. 超强磁暴的形成跟其它磁暴的比起来有什么特别之处吗？
答：一般来说 ， 连续爆发的空间天气事件比单个的空间天气事件往往更容易形成超强磁暴 ， 而且超强磁暴往往发生在太阳活动高年 。
文中数据及源代码来源：
[1].https://www.swpc.noaa.gov/products/wsa-enlil-solar-wind-prediction
[2].http://csem.engin.umich.edu/tools/swmf/index.php
报告人简介 /
沈芳 ， 中国科学院国家空间科学中心研究员 ， 中国科学院大学首批岗位教授 。 主要从事计算磁流体力学、灾害性空间天气事件的日冕/行星际过程与三维建模方面的研究 。 先后于北京大学力学与工程科学系（现工学院）获学士及博士学位 。 2015年入选国家“万人计划”青年拔尖人才 ， 2017年入选“中国科学院特聘研究员”计划特聘骨干人才 。 现任中国空间科学学会空间物理专业委员会委员、中国人工智能学会智能空天系统专业委员会委员、全国计算物理学会理事、地球物理学名词审定委员会委员 。
来源：中国国家天文
【太阳风暴|还在看天气预报？该看空间天气预报啦】编辑：谦
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