空間天氣預(yù)測在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

佀長剛　姚好?！∽T琳珊　楊亮

摘 要：該文簡述了空間天氣科學(xué)的發(fā)展概況及其在人類生活中各領(lǐng)域日趨增加的應(yīng)用情況。通過空間天氣科學(xué)在航空業(yè)的應(yīng)用方法，介紹了如何以建模方式將某一種科學(xué)主題的顯著性和可靠性加以強(qiáng)調(diào)并使其合法地推廣使用。重點(diǎn)論述了在太陽活躍期，一定程度的惡劣空間天氣可能對極地和高緯度航空活動造成的嚴(yán)重危害，并結(jié)合相關(guān)事實(shí)，證明了空間天氣科學(xué)應(yīng)用的顯著、可靠、合法。并對空間天氣科學(xué)的應(yīng)用前景做出了進(jìn)一步的展望。

關(guān)鍵詞：空間天氣 應(yīng)用 建模 航空業(yè)

中圖分類號：V2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0019-02

1 空間天氣科學(xué)目前應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

如何更好地將最新的科技成果應(yīng)用于決策科學(xué)中，無論對科學(xué)家還是各決策機(jī)構(gòu)來說都是一個(gè)突出的問題。在日常工作與各項(xiàng)社會活動中，相關(guān)的科技知識在各領(lǐng)域的決策中都起到非常重大的作用。今天，管理層對計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科技的有效運(yùn)用，讓他們能輕易解決許多復(fù)雜、繁瑣的問題。另一方面，科學(xué)家們從日益增長的科技知識入手，逐步建立同類問題的一般性解決方案。然而，令人遺憾的是，最新的科技信息總是很少地被決策者有效地利用。這種科學(xué)研究與應(yīng)用的距離在很多學(xué)科中普遍地存在，空間天氣領(lǐng)域也不例外。

1.2 應(yīng)用的重大意義

隨著科技的進(jìn)步和和社會的發(fā)展，社會生活的諸多方面對空間天氣的依賴也日趨顯著。由于各學(xué)科應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，人們對電和衛(wèi)星系統(tǒng)的依賴性顯著提高。同樣，隨著太陽活動的進(jìn)一步活躍，對地球的影響也逐漸增大，人類在新的太陽活動周期將面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。例如，人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)活動比以往更依賴全球定位系統(tǒng)（GPS）和衛(wèi)星無線技術(shù)，任何中斷和錯(cuò)誤都將造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)影響。因此，在相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域建立空間天氣和應(yīng)用決策之間的聯(lián)系顯得尤其重要。

2 將空間天氣預(yù)測應(yīng)用于各行業(yè)中的方法

2.1 建模

但是你怎樣強(qiáng)調(diào)某一（科學(xué)）主題對決策的制定應(yīng)該是重要的？為回答這個(gè)問題，一個(gè)社會科學(xué)研究小組研發(fā)出一個(gè)結(jié)構(gòu)，通過這個(gè)結(jié)構(gòu)科學(xué)家們能夠?qū)⑿畔⑴c決策有效地聯(lián)系起來。他們的研究顯示，所謂的信息需要有三個(gè)屬性，顯著性、可信性、合法性，對信息的范圍做出了限定。突出的信息是有關(guān)決策者的需要；可信的信息順理成章地體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)的特征和觀點(diǎn)；合法的信息反映了信息生產(chǎn)過程的“公正性”，并反映出此過程對不同利益者所具有的不同價(jià)值觀和信仰。雖然沒有計(jì)劃正式應(yīng)用這一框架，空間天氣一個(gè)領(lǐng)域的研究工作已成功地和決策接口：航空預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用。隨著空中航線的日益增多，航空業(yè)越來越意識到不良的空間天氣對高緯度和極地飛行的不利影響。不良的空間天氣會破壞高頻通信，引起衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，增加輻射對人類和航空設(shè)備的傷害。由于科學(xué)家們成功地做了空間天氣的研究，而且研究成果顯著、可靠、合法，因而越來越多的航空公司開始使用他們。仔細(xì)看看空間天氣領(lǐng)域接下來在航空工業(yè)方面要做的重要研究，這些研究將幫助科學(xué)家將這個(gè)框架應(yīng)用于其他對空間天氣來說重要的研究領(lǐng)域。

2.2 航空業(yè)

2.2.1 會議空間氣候的獨(dú)特挑戰(zhàn)

盡管所有科學(xué)領(lǐng)域的競爭都和決策研究相關(guān)，但空間天氣領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)更加獨(dú)特。例如，許多決策者可能不知道有空間天氣，不了解惡劣空間天氣對經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的危害。部分原因是由于惡劣空間天氣對社會各方面影響的研究進(jìn)展緩慢，只在最近才剛剛?cè)〉幂^顯著的技術(shù)成果。加上當(dāng)前的科研經(jīng)費(fèi)有限，與眾所周知的洪水、地震等自然災(zāi)害相比，對政府有關(guān)政策的制定者而言，進(jìn)一步提升空間天氣研究的地位實(shí)在不算明智。面對這些挑戰(zhàn)，需要空間天氣從業(yè)者加倍努力工作，使研究與決策有機(jī)結(jié)合起來。雖然有些決策者考慮到空間天氣信息有助于減少風(fēng)險(xiǎn)和最大限度地減少損失（美國國家研究委員會的會議，2008年），但要做的更多工作是集中精力研究空間氣候是如何對日常生活和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的。回顧過去的成就，像空間天氣在航空領(lǐng)域所發(fā)揮的作用，為未來的發(fā)展提供了有用的指南。但科學(xué)家們在航空工業(yè)領(lǐng)域究竟是如何有效地克服在研究和制定政策之間的障礙？答案是通過仔細(xì)檢查組織結(jié)構(gòu)獲得的發(fā)現(xiàn)。

2.2.2 空間天氣信息的顯著性

顯著的信息所回答的是有意義的問題，可以為各個(gè)利益階層所應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)顯著性，所做的研究應(yīng)當(dāng)與專業(yè)領(lǐng)域外的真實(shí)世界緊密相連，以使研究結(jié)果成為形象的東西。例如，一定程度的太陽暴輻射可能不會對一顆人造衛(wèi)星或航空飛行產(chǎn)生顯著影響，他們可能更關(guān)心空間天氣現(xiàn)象會對這些過程產(chǎn)生何種程度的影響。為獲得顯著的信息，NOAA的空間天氣預(yù)報(bào)中心（swpc）和商業(yè)服務(wù)供應(yīng)商攜手推出了空間天氣信息應(yīng)用，以確保預(yù)報(bào)對決策過程是有用的。特別是在太陽風(fēng)暴和無線電中斷的空間環(huán)境下，空間天氣信息對一家航空公司用來預(yù)測決定是否要中斷和恢復(fù)飛行的發(fā)布的作用是很顯著的。操控中心對一些航班改變的操作就是根據(jù)美國國家洋和大氣局所發(fā)布的空間天氣指示——如果是發(fā)出了警報(bào)的太陽輻射水平達(dá)到4級或更高，操作人員可要求中止此區(qū)域的航線，因?yàn)楦哳l通信交流的喪失可能會使飛機(jī)無法從空中交通管制中心收發(fā)資料信息，對旅客和機(jī)組人員的生命安全造成危害。事實(shí)上，美國聯(lián)邦航空管理局規(guī)定：在飛行航線設(shè)置前，為安全考慮，要求考慮保持雙通道通信。

如圖1所示在2006年12月，地球遭到一連串強(qiáng)烈太陽暴襲擊。類似于目前美國國家海洋和大氣局的空間天氣預(yù)測中心制作發(fā)布的這張圖，頻率在35 MHz以內(nèi)的信號，在極地被削弱至少1 dB，西半球尤為突出。紫外線和X輻射線噴射向地球，影響著中低緯朝向太陽一側(cè)，當(dāng)被激活的質(zhì)子穿透高緯度時(shí)，侵襲了極地高緯度地區(qū)的通信系統(tǒng)。因?yàn)楦哳l信號在跨洋飛行和大部分極地航線的飛行中的遠(yuǎn)程通信是很易受干擾的。對航空工業(yè)來說，像這些問題的出現(xiàn)，突顯了空間天氣的影響。

集中了科學(xué)家和航空公司代表的會議——NOAA空間天氣預(yù)報(bào)室和美國的氣象協(xié)會新成立的太陽光譜工作室舉行的年度會議，是一個(gè)旨在綜合用戶在空間天氣方面的需求而提高空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品針對性的特別會議。氣象協(xié)會太陽光譜工作室的與會者決定成立一個(gè)越極地工作組（CPWG）——個(gè)國際航空代表參與的開發(fā)一系列用戶極地業(yè)務(wù)需求的特別小組，該小組服從聯(lián)邦航空管理局（FAA）和國際民用航空組織（ICAO）的領(lǐng)導(dǎo)。由于這一過程，空間天氣研究的價(jià)值和對航空工業(yè)的重要性就可以獲得人們進(jìn)一步的了解，這將有助于未來突顯空間天氣的顯著性。

2.2.3空間天氣信息的可靠性

可靠性是在科學(xué)和同行公認(rèn)的基礎(chǔ)上建立的。對于信息的可靠性，研究者必須向決策機(jī)構(gòu)展示其可信度，而決策機(jī)構(gòu)必須明白數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)的局限性。例如，為確保信息的可靠性，空管和氣象人員參加空間天氣會議直接從科學(xué)家們那里了解對觀測數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)評估的第一手資料。在這樣的會議上提出數(shù)據(jù)、方法和分析、解釋，使研究人員和決策者對彼此表述的觀點(diǎn)變得互相熟悉。一旦在觀測數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)之間建立起高度的可信任度，空管人員就會按照空間天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的預(yù)報(bào)來在制定或修改他們的飛行計(jì)劃。為增強(qiáng)可信度，NOAA努力有效使用行業(yè)熟悉術(shù)語和信道來有效傳遞預(yù)報(bào)結(jié)果。此外，他們還為航空公司的決策者提供了空間天氣培訓(xùn)和教育的基礎(chǔ)資料。

2.2.4空間天氣信息的合法性

信息合法性的概念是指信息的無偏見和諧公正性，可以通過參與研究者、信息的生產(chǎn)方式、以及對它的修改和散發(fā)等步驟來檢驗(yàn)。開發(fā)的合法信息需要用決策者的期望值和對預(yù)報(bào)產(chǎn)品的綜合反饋來判斷。無論怎樣的顯著的、可信的信息，如果生產(chǎn)、發(fā)布的過程，被認(rèn)為是不是合法的，那么這種信息就有很大可能的不會被使用。很多步驟的設(shè)置，都是為了確保信息的和諧、公正，例如，國家空間天氣計(jì)劃，要求各部門間主動提供及時(shí)、準(zhǔn)確的空間天氣觀測資料和警報(bào)，通過合法渠道支持和幫助不同機(jī)構(gòu)合作以滿足公共需要。這涉及確保注冊的各機(jī)構(gòu)的利益。為航空產(chǎn)業(yè)的特殊需要，將科學(xué)家和航空公司的代表召集在一起，舉行了一個(gè)會議，會議旨在根據(jù)用戶的需求決定產(chǎn)品研發(fā)的次序。此外，科學(xué)界通過參加越極地工作組（CPWG）、國際航空運(yùn)輸協(xié)會（IATA）和國際民用航空組織（ICAO）等機(jī)構(gòu)組織的航空會議，協(xié)助定義的用戶的條件和要求，增強(qiáng)了空間天氣信息的權(quán)威性。使空間天氣有關(guān)應(yīng)用更加合法。

3 空間天氣未來應(yīng)用的展望

對政策的決策來說，空間天氣信息的應(yīng)用具有巨大的潛力。對連接科研與決策感興趣的所有人都認(rèn)為以這一框架為向?qū)且粋€(gè)方向。空間天氣研究和航空工業(yè)結(jié)合的成就正在穩(wěn)步取得。類似的與決策者穩(wěn)固的伙伴關(guān)系已經(jīng)在電力和GPS工業(yè)等行業(yè)中建立。

連接科研與決策的關(guān)鍵點(diǎn)在于確保掌握的信息具有顯著性、可信性、合理性等這三個(gè)屬性。為達(dá)到這一目標(biāo)，科學(xué)家們需要了解決策者的觀點(diǎn)，包括語言、文化和尊重他們的需要，而且要了解他們的需要可能會隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化。這樣，隨著未來科技的發(fā)展，在科學(xué)家和決策者之間建立持續(xù)的溝通就是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

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