太阳活动预报

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第490页（4000字）

太阳活动是指太阳大气发生的缓变和瞬变现象，而太阳大气的瞬变扰动对地球环境的影响尤其引人注目，这种扰动一般与耀斑爆发有关，其扰动大小常由增强的X射线辐射度量。

太阳耀斑的电磁辐射和粒子辐射通过日地空间传播，其高能光子和高能质子使地球电离层电离急剧增强，干扰通过电离层传播的无线电波，甚至使短波通讯中断。高能质子能暂时或永久地损坏宇宙飞行器的电子元器件，威胁宇航员的健康乃至生命。

耀斑的激波压挤日昼侧的地球大气层，引起地磁场扰动和磁暴，在动力输电线中感应电流，导致过载而断电，一些耀斑前后还抛出日冕外层物质，以磁云形式抵达地球，除引起地磁扰动外，还可破坏地球磁层。

太阳紫外和X射线发射的周期性变化，使地球高层大气的温度和中性密度发生变化，导致低轨卫星、导弹等飞行器的轨道发生变化，甚至离轨，降低飞行寿命。太阳活动的长期变化除了会影响地球气候外，还与自然灾害有一定联系。太阳活动对人体健康的影响正受到人们关注。

因此，不仅太阳物理、地球物理和空间物理的研究，而且气象、水文、地震、通讯、航天和地质勘探等部门都十分关心重视太阳活动预报。

早在1931年，当时的国际无线电科学联合会(URSI)主席费里(G．Ferrie)在法国率先建立了太阳活动和地球物理资料的每天广播服务，实时研究太阳活动对电波传播的影响。随着气候灾变、地球物理现象的异常与太阳活动有关的记载日益增多、日地关系研究的深入，一些国家相继建立了类似的广播和日地警报中心，实时通报重大太阳活动及后随现象，并于1965年开始作提前几天的耀斑预报。太阳活动预报需要国际合作，以便获得完整的观测资料，1962年国际无线电科学联合会资料和世界日服务局(IUWDS)成立，旨在促进和协调国际间日地观测资料和预报的快速交换，指导全球性日地环境观测、研究和预报，于1979、1984、1989和1992年召开了日地环境预报国际学术讨论会，会议文集集中反映了近年来日地预报的研究工作和进展。美国科罗拉多州波尔多市空间环境服务中心，每天向其它区域警报中心(RWC)和用户通报头天太阳和地球物理活动，并发布提前1～3d的预报。中国于1991年成立了与IUWDS相应的中国日地物理预报中心，定期向用户发布资料和预报。

太阳活动预报通常按预报提前时间可分为短期、中期和长期预报。

短期预报 一般是提前1～3d甚至短至几十分钟的预报，预报爆发耀斑的活动区、耀斑级别以及质子事件。由于目前对耀斑的认识尚不完全，预报还没有可依据的可靠物理模型，同时耀斑发生在太阳大气的高温低密度区，还没有耀斑触发的直接观测资料，因此只能是经验和统计预报，预报水平取决于预报员的经验。

目前每天的观测资料最适于提前几天的预报，短期预报相对地说是准确的。

根据活动区黑子形态的复杂性，活动区磁场及其演化等资料，现已能正确识别会产生耀斑的活动区，几乎可达95%。人们根据大量观测资料，用各种统计分析方法，诸如回归分析、多元识别分析、模糊聚类分析和识别等，总结出了一系列短期预报判据并用于专家系统。

齐林(H．Zirin)提出的判据主要是：在相反极性黑子对中出现被拉长的本影；很亮的Hα谱斑遮盖了黑子本影或沿磁中性线分布；以纵向磁场梯度大和半影纤维平行磁中性线为标志的强磁剪切，中性线纽结；强δ结构或极性颠倒；新浮现的前导黑子正向相反极性黑子移动或黑子突然离开δ结构；黑子周围有旋转暗条等。提前数十分钟的预报，主要前兆是活动区出现异常现象如沿中性线的暗条活动，由磁通量突然变化引起的微波偏振变化，由耀斑区域预热引起的X射线、Hα、EUV和微波增亮等。对于用每天观测资料作提前一天的预报，预报耀斑发生的频率几乎是预报时间间隔的倒数，因而预报是病态的，而且还受短时间耀斑活动随机性的限制。

新近研究表明，活动区光球横向磁场和横向速度场与耀斑产生密切相关，磁场和速度场的剪切对于耀斑的建立过程是基本的。

预计应用磁场速度场的观测分析，加上从空间得到的中等分辨率的软X射线象，将有助于短期预报的改进。准确预报有赖于太阳大气各层次的磁场和等离子体的高分辨率空间观测。

中期预报 通常是指提前3d以上，一个自转周乃至几个月的预报。以预报耀斑和太阳指数如10cm射电流量和黑子数为主，实际上是预报新活动区的产生以及新老活动区产生耀斑的能力，但目前人们对活动区演化规律的认识还较贫乏，要可靠作出预报还比较困难，只能给出趋势预报，方法仍属经验统计预报。

目前主要利用太阳现象的27d重现，例如特定经度的分布特征及其统计性质，反映太阳活动大尺度特征的太阳综合图，以及对老活动区回转能力的分析估计等经验方法。

由于太阳现象的重现在整个太阳周是变化的，于是还应考虑长期预报的结果，在太阳周上升段，活动区寿命短，特定经度尚未形成，这时预报精度较差。其次利用太阳活动的周期性，如里格(E．Rieger)发现的154d周期，尽管该周期在整个太阳周中的振幅、持续时间及其分布还有待研究。此外，中国天文工作者根据观测资料，拟定能表征太阳活动的综合指数，用时间序列分析方法得到的模型作预报，效果还不错。

常规观测大尺度对流环流分布，识别将导致磁通量浮现或组合形成新活动区的磁场会聚或长寿命剪切区。用正在研制中的声学层析成象法，测绘日面下磁场和速度场结构，来揭示将要形成的活动区。用非线性时间序列分析方法于表征太阳活动的参数序列，这些方法将会有效地改进中期预报。

长期预报 是指提前1年或几年以上的预报，以预报太阳指数如黑子数的变化，特别是太阳周的特征值为主。

太阳周的预报受两个因素影响：一是太阳本身固有的变化，观测表明太阳黑子数的变化不存在严格的周期，还具有浑沌系统特征，这种特征最好要用奇异吸引子描述。另一是观测资料的质量。

因此，目前太阳周的预报是粗略的。

有两种较可靠的方法，预报的太阳周峰值与观测值仅相差10%左右。维廷斯基(I．Vitinskii)曾总结了20世纪60年代前的各种统计方法，包括着名的麦克尼希－林肯(MacNishLincoln)方法。但是，1849年前的黑子数据并不完全，使前十个太阳周的振幅和长度有很大误差。

此后的数据虽是可靠的，但却十分有限，用纯粹统计方法预报太阳周可靠性较低。直至太阳周实际已经开始一年或更长时间，通过对黑子数上升速度的估计能作出较好的预报，但预报提前时间较短。

另一方法基于太阳发电机理论，沙顿(H．Schatten)等人认为，太阳较差自转使太阳周开始时出现在极区的角向磁场扭绞起来，形成中低纬处太阳活动的环形磁场、太阳周的强弱与该角向磁场线性相关。另外，奥尔(I．Ohl)发现太阳周后期复现的地磁活动与下个太阳周的强度有极高的相关性，这里的地磁活动可看作太阳极区角向磁场的一种间接表示。这种方法的预报值较接近实测值，且可较早作出，但不能预报峰值时间。

根据目前扩展太阳周概念，在太阳周正式开始之前就已存在太阳周的信息，寻找这些信息及其它有效指标，如扭曲振荡的振幅、探讨日冕绿线(5303×10^－10m)的强度与太阳周大小的关系、研制更复杂的太阳发电机模型等，都有可能改进太阳周的预报，随着用太阳对流产生的低频声波来探测太阳内部结构的日震学的进展，在认识太阳周方面可能会有关键性突破。

展望未来，太阳活动预报将象气象预报一样为人们所需要，它的进展有赖于对耀斑、活动区和太阳周观测研究的进展和突破。

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【参考文献】：

1 Vitinskii I. Solar-Activity Forecasting. London: Oldbourne Press,1965

2 Donnelly F. Proc of Solar-Terrestrial Predictions Workshop 1979. Boulder:NOAA, 1980

3 Simon A, et al, Proc of Solar-Terrestrial Predictions Workshop 1984. Boulder:NOAA 1986 r

4 Rieger E,et al. Nature, 1984,312:623

5 Thompson J,et al. Proc of Solar-Terrestrial Predictions Workshop 1989. Boulder:NOAA, 1990

6 Zirin H,et al. Solar Physics, 1991,131:149.

7 Mcintosh S. Sky , Telescope,1991,81:21

(云南天文台张勤副研究员撰；张柏荣审)