牢记使命,用科技服务空间天气预报

——中国空间科学学会阿尔察的成长故事

  人们日常生活中会经常谈论天气,因为它和我们的生活息息相关,所以天气预报也必不可少。但生活中很少有人会提到空间天气,而通过1989年的魁北克停电和2003年的万圣节磁暴事件,人们切身体会了以太阳风暴为代表的空间天气对关键基础设施和人类安全所造成的巨大影响和危害。可是空间天气能像日常的天气现象那样进行预报吗?

  目前,世界上开展空间天气服务的国家并不多。最典型的比如美国国家海洋和大气管理局(NOAA)就有下属的空间天气预报中心(SWPC)提供空间天气的预报服务。而在我国,中科院空间中心自1992年开始首次正式发布面向航天领域空间天气预报,是我国最早的空间天气预报机构。2012年,空间物理专业博士毕业的阿尔察加入了空间中心,成为了一名正式的“空间天气”预报员,并在2016年入选了中国科协的青年人才托举工程项目。借助这一平台的支持,他在所学专业和空间天气预报领域找到了恰当的结合点。

  阿尔察的研究领域是电离层建模,电离层作为日地空间环境的关键一环,既是电磁波传播的物理载体,又是影响电波传输特性的重要媒介。电离层受到太阳辐射、地磁扰动、大气活动等多种空间环境因素作用,呈现出复杂的气候学和天气学变化特征,会对卫星导航、雷达成像、短波通信等涉及电波传播和电磁环境的技术手段产生严重影响。如何对电离层的“天气”变化和中小尺度结构进行更为精准的现报预报,一直是科学研究和工程应用领域所共同关注的重要问题。另外,电离层的地域特征和变化很大,中国扇区所覆盖的地磁纬度较低,且包含了电离层赤道异常峰的北驼峰;这导致了该区域有着较大的梯度变化和相对复杂的电动力学过程。而随着我国自主的北斗系统和地基GNSS观测网的迅速发展和日益完善,充分利用多源电离层观测资料,研究电离层区域扰动变化规律,构建针对太阳爆发等空间天气事件时期的电离层现报预报模型至关重要。

  在导师团队的指导下,阿尔察选择了电离层数据同化建模这个研究方向。数据同化在气象学和海洋学领域已经得到了应用。其基本原理是,在基于物理机制的背景模型上加入时空不规则分布的观测资料,将观测值通过同化过程融合到背景模型中,使模型与数据相互匹配以达到更精确的分析结果,这是现代天气预报所广泛采用的方法。随着近年来电离层数据同化理论的蓬勃发展,利用数据同化方法,建立既包含内在物理过程,又反映真实观测,同时满足人们对电离层空间天气现报预报要求的模型,成为了电离层研究领域的重点内容之一。

  阿尔察和研究团队针对中国及周边区域开发了电离层数据同化模型,模型使用国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和中国大陆构造环境监测网的GNSS地基数据和COSMIC卫星的天基掩星观测作为驱动。在此基础上,阿尔察进一步开发了针对中国区域的电离层数据同化现报系统,能够准实时地在中国科学院空间环境预报中心的网上发布电离层总电子含量和GPS单频接收机延迟误差的格点化现报地图。该系统已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测和现报预报服务,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层误差修正信息。

  借助于青年托举工程平台的支持,阿尔察实现了基础研究与预报服务应用的结合,也光荣地加入了中国共产党,成长为硕士研究生导师,合作指导了两名研究生,申请并主持了自然科学青年基金、面上基金、军委发展装备部预研基金等多项国家级和省部级项目,在国内外SCI期刊上发表文章十余篇。

  习近平总书记要求广大党员“不忘初心,牢记使命”,而习总书记在2013年考察中国科学院时还曾经强调:“具有强烈的爱国情怀,是对我国科技人员第一位的要求”。经过三年多的成长,阿尔察更加深刻地认识到一名科研人员的使命,作为当代科研工作者要关注国家,自觉地将自己的学习、工作与国家的需求结合起来,将知识学习和思想品德修养结合起来,将创新思维与社会实践结合起来,一个人才能真正成才、真正成为社会发展的有用之人。阿尔察和他的团队将志存高远、脚踏实地,继续在空间环境和空间天气预报研究这一事业中奋斗下去,在为祖国和人民的真诚奉献中让青春更加绚丽多彩!