空間天氣預測在航空領域的應用

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摘 要：該文簡述了空間天氣科學的發展概況及其在人類生活中各領域日趨增加的應用情況。通過空間天氣科學在航空業的應用方法，介紹了如何以建模方式將某一種科學主題的顯著性和可靠性加以強調并使其合法地推廣使用。重點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重危害，并結合相關事實，證明了空間天氣科學應用的顯著、可靠、合法。并對空間天氣科學的應用前景做出了進一步的展望。

關鍵詞：空間天氣 應用 建模 航空業

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

1 空間天氣科學目前應用現狀

1.1 應用現狀

如何更好地將最新的科技成果應用于決策科學中，無論對科學家還是各決策機構來說都是一個突出的問題。在日常工作與各項社會活動中，相關的科技知識在各領域的決策中都起到非常重大的作用。今天，管理層對計算機等現代科技的有效運用，讓他們能輕易解決許多復雜、繁瑣的問題。另一方面，科學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。這種科學研究與應用的距離在很多學科中普遍地存在，空間天氣領域也不例外。

1.2 應用的重大意義

隨著科技的進步和和社會的發展，社會生活的諸多方面對空間天氣的依賴也日趨顯著。由于各學科應用技術的發展，人們對電和衛星系統的依賴性顯著提高。同樣，隨著太陽活動的進一步活躍，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峻的考驗。例如，人們日常生活和工業活動比以往更依賴全球定位系統（GPS）和衛星無線技術，任何中斷和錯誤都將造成嚴重經濟影響。因此，在相關科學領域建立空間天氣和應用決策之間的聯系顯得尤其重要。

2 將空間天氣預測應用于各行業中的方法

2.1 建模

但是你怎樣強調某一（科學）主題對決策的制定應該是重要的？為回答這個問題，一個社會科學研究小組研發出一個結構，通過這個結構科學家們能夠將信息與決策有效地聯系起來。他們的研究顯示，所謂的信息需要有三個屬性，顯著性、可信性、合法性，對信息的范圍做出了限定。突出的信息是有關決策者的需要；可信的信息順理成章地體現了科學技術的特征和觀點；合法的信息反映了信息生產過程的“公正性”，并反映出此過程對不同利益者所具有的不同價值觀和信仰。雖然沒有計劃正式應用這一框架，空間天氣一個領域的研究工作已成功地和決策接口：航空預報方面的應用。隨著空中航線的日益增多，航空業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，引起衛星導航系統出現錯誤，增加輻射對人類和航空設備的傷害。由于科學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。仔細看看空間天氣領域接下來在航空工業方面要做的重要研究，這些研究將幫助科學家將這個框架應用于其他對空間天氣來說重要的研究領域。

2.2 航空業

2.2.1 會議空間氣候的獨特挑戰

盡管所有科學領域的競爭都和決策研究相關，但空間天氣領域面臨的挑戰更加獨特。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濟發展帶來的危害。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展緩慢，只在最近才剛剛取得較顯著的技術成果。加上當前的科研經費有限，與眾所周知的洪水、地震等自然災害相比，對政府有關政策的制定者而言，進一步提升空間天氣研究的地位實在不算明智。面對這些挑戰，需要空間天氣從業者加倍努力工作，使研究與決策有機結合起來。雖然有些決策者考慮到空間天氣信息有助于減少風險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濟產生嚴重破壞的?；仡欉^去的成就，像空間天氣在航空領域所發揮的作用，為未來的發展提供了有用的指南。但科學家們在航空工業領域究竟是如何有效地克服在研究和制定政策之間的障礙？答案是通過仔細檢查組織結構獲得的發現。

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，可以為各個利益階層所應用。為實現顯著性，所做的研究應當與專業領域外的真實世界緊密相連，以使研究結果成為形象的東西。例如，一定程度的太陽暴輻射可能不會對一顆人造衛星或航空飛行產生顯著影響，他們可能更關心空間天氣現象會對這些過程產生何種程度的影響。為獲得顯著的信息，NOAA的空間天氣預報中心（swpc）和商業服務供應商攜手推出了空間天氣信息應用，以確保預報對決策過程是有用的。特別是在太陽風暴和無線電中斷的空間環境下，空間天氣信息對一家航空公司用來預測決定是否要中斷和恢復飛行的發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美國國家洋和大氣局所發布的空間天氣指示——如果是發出了警報的太陽輻射水平達到4級或更高，操作人員可要求中止此區域的航線，因為高頻通信交流的喪失可能會使飛機無法從空中交通管制中心收發資料信息，對旅客和機組人員的生命安全造成危害。事實上，美國聯邦航空管理局規定：在飛行航線設置前，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測中心制作發布的這張圖，頻率在35 MHz以內的信號，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，當被激活的質子穿透高緯度時，侵襲了極地高緯度地區的通信系統。因為高頻信號在跨洋飛行和大部分極地航線的飛行中的遠程通信是很易受干擾的。對航空工業來說，像這些問題的出現，突顯了空間天氣的影響。

集中了科學家和航空公司代表的會議——NOAA空間天氣預報室和美國的氣象協會新成立的太陽光譜工作室舉行的年度會議，是一個旨在綜合用戶在空間天氣方面的需求而提高空間天氣預報產品針對性的特別會議。氣象協會太陽光譜工作室的與會者決定成立一個越極地工作組（CPWG）——個國際航空代表參與的開發一系列用戶極地業務需求的特別小組，該小組服從聯邦航空管理局（FAA）和國際民用航空組織（ICAO）的領導。由于這一過程，空間天氣研究的價值和對航空工業的重要性就可以獲得人們進一步的了解，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

可靠性是在科學和同行公認的基礎上建立的。對于信息的可靠性，研究者必須向決策機構展示其可信度，而決策機構必須明白數據和預報的局限性。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家們那里了解對觀測數據和預報評估的第一手資料。在這樣的會議上提出數據、方法和分析、解釋，使研究人員和決策者對彼此表述的觀點變得互相熟悉。一旦在觀測數據和預報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報中心發布的預報來在制定或修改他們的飛行計劃。為增強可信度，NOAA努力有效使用行業熟悉術語和信道來有效傳遞預報結果。此外，他們還為航空公司的決策者提供了空間天氣培訓和教育的基礎資料。

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、信息的生產方式、以及對它的修改和散發等步驟來檢驗。開發的合法信息需要用決策者的期望值和對預報產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、發布的過程，被認為是不是合法的，那么這種信息就有很大可能的不會被使用。很多步驟的設置，都是為了確保信息的和諧、公正，例如，國家空間天氣計劃，要求各部門間主動提供及時、準確的空間天氣觀測資料和警報，通過合法渠道支持和幫助不同機構合作以滿足公共需要。這涉及確保注冊的各機構的利益。為航空產業的特殊需要，將科學家和航空公司的代表召集在一起，舉行了一個會議，會議旨在根據用戶的需求決定產品研發的次序。此外，科學界通過參加越極地工作組（CPWG）、國際航空運輸協會（IATA）和國際民用航空組織（ICAO）等機構組織的航空會議，協助定義的用戶的條件和要求，增強了空間天氣信息的權威性。使空間天氣有關應用更加合法。

3 空間天氣未來應用的展望

對政策的決策來說，空間天氣信息的應用具有巨大的潛力。對連接科研與決策感興趣的所有人都認為以這一框架為向導是一個方向。空間天氣研究和航空工業結合的成就正在穩步取得。類似的與決策者穩固的伙伴關系已經在電力和GPS工業等行業中建立。

連接科研與決策的關鍵點在于確保掌握的信息具有顯著性、可信性、合理性等這三個屬性。為達到這一目標，科學家們需要了解決策者的觀點，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間的推移而發生變化。這樣，隨著未來科技的發展，在科學家和決策者之間建立持續的溝通就是非常必要的。

參考文獻

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