子午工程

2019年9月23日22:41:27子午工程已關閉評論 17 views

?裝置綜述關鍵歷程

●1994年初,子午工程項目構想作為中國空間物理發展規劃建議附件上報國家科委;

●1997年6月,國家科技教育領導小組會議確定子午工程為國家重大科學工程;

●2005年8月,國家發改委批復子午工程項目建議書,子午工程項目正式立項;

●2006年10月,國家發改委批復子午工程國家重大科技基礎設施項目可行性研究報告,將子午工程列入國家高科技產業發展項目計劃;

●2007年9月,中科院和國家發改委分別批復子午工程項目建設初步設計和概算,子午工程建設進入實施階段;

●2008年1月,子午工程正式開工建設;

●2010年1月,子午工程進入建設期試運行;

●2012年10月23日,子午工程通過國家驗收正式轉入科學運行;

●2015年2月4日,負責子午工程運行管理和后續發展工作的非法人機構國家空間天氣科學中心(籌)啟動運行,并召開第一屆理事會第一次會議,成立了國家空間天氣科學中心科技委員會暨子午工程用戶委員會。

子午工程

2012年10月23日,子午工程國家驗收會議

科學背景

東半球空間環境地基綜合監測子午鏈(簡稱"子午工程")是沿東半球120°子午線附近,利用北起漠河、經北京、武漢,南至海南并延伸到南極中山站,以及東起上海、經武漢、成都、西至拉薩的沿北緯30°附近的15個綜合性觀測臺站,建成一個以鏈為主、鏈網結合的,運用地磁(電)、無線電、光學和探空火箭等多種探測手段,連續監測地球表面20 km-30 km以上到幾百公里的中高層大氣、電離層和磁層,以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環境中的地磁場、電場、中高層大氣的風場、密度、溫度和成分,電離層、磁層和行星際空間中的有關參數,聯合運作的大型空間環境地基監測系統。子午工程長期、連續、高精度的觀測數據集是發展天基系統的重要參照基準,對于我國空間天氣地基綜合監測系統的建設具有基礎性、先導性作用,也是我國和平利用外層空間的重要內容之一。

組織管理機制

子午工程由中科院牽頭,教育部、工業和信息化部、中國地震局、國家海洋局、中國氣象局等 7 部委下屬 的12家單位共同參與建設,中科院國家空間科學中心(簡稱“空間中心”)作為項目法人,牽頭子午工程建設、 運行管理和后續發展工作。

建設管理機制

在子午工程建設期間,成立子午工程項目建設領導小組(簡稱“領導小組”)、下設項目建設工程經理部和項 目科學技術委員會(簡稱“科技委”),對子午 工程項目建設進行管理和指導。領導小組是工程 的領導機構,由中科院分管領導任組長,領導小 組下設辦公室,負責日常聯絡和溝通。項目建設 工程經理部是工程的實施機構,掛靠空間中心。 經理部設總經理、總工程師、總經濟師和總工藝 師,成員由領導小組審批。科技委是工程建設的 科學與技術咨詢機構,由相關科技領域學術造詣高的學者、專家組成。工程建設過程中實行 合同管理,有關管理和共享政策可以確保實 現監測數據的共享。

子午工程

子午工程項目組織結構

運行管理機制

根據國家發改委對子午工程可行性研究 報告的批復,子午工程建設完成轉入正式運 行時,由共建單位聯合組建國家空間天氣科 學中心負責子午鏈的運行管理和發展。中心 設立理事會,實行理事會領導下的主任負責 制。2015年2月 4 日,第一屆國家空間天氣 科學中心理事會第一次會議召開,國家空間 天氣科學中心科技委員會暨子午工程用戶委 員會成立。科技委員會是中心的學術指導、咨詢和評 議機構;用戶委員會是中心數據共享的監督和評議機 構。中心下設辦公室,負責子午工程運行的日常管理 工作以及科技委員會和用戶委員會的秘書工作。

子午工程

子午工程運行管理架構

建設內容

子午工程的建設內容主要包括空間環境監測、數據與通信和研究與預報3大系統。

空間環境監測系統

空間環境監測系統是由地磁(電)監測分系 統、無線電監測分系統、光學監測分系統以及探 空火箭綜合監測分系統組成。地磁(電)監測分 系統,利用 6 種地磁、地電監測設備,由處于東 經 120°、北緯 30° 附近、呈條帶分布的 14 個臺站組 成地磁(電)監測鏈;無線電監測分系統,沿我國東 經 120° 子午線附近的漠河、北京、武漢、曲靖、海 南及南極中山站等,建設多種具有當前國際空間環境 監測領域最重要和最先進的無線電監測設備,包括非 相干散射雷達、MST 雷達、VHF 雷達和數字測高儀 等;光學監測分系統,在北京、武漢、合肥、海南和 南極中山站5 個觀測臺站,建設多種具有目前世界上 先進水平的地基監測設備,包括激光雷達、光學干涉 儀、全天空氣輝成像儀和極光光譜儀等;探空火箭綜 合監測分系統,在海南建設以探空火箭為中心的空間 環境綜合監測站,利用氣象火箭、探空火箭和地基配 套監測設備等,實現對我國低緯度地區臨近空間大氣 環境參數的綜合監測。

數據與通信系統

數據與通信系統由數據通信、數據庫和數據服 務 3 個分系統組成,該系統將分散在東經 120° 和北 緯 30° 附近的 95 臺監測設備有機聯網,實現地面臺 站的聯合觀測和數據的傳輸、存儲、處理、分發和服 務。該系統是連接空間環境監測系統和研究與預報系 統的橋梁和紐帶,它利用現代通信技術把空間環境監 測系統的監測數據匯集到各個節點站,并傳送至子午 工程數據中心。

研究與預報系統

研究與預報系統由科學運行、研究建模和預報服 務 3 個分系統組成。科學運行分系統負責整個系統的 日常管理,制定子午工程科學監測計劃,協調各臺站 空間天氣信息的探測;研究建模分系統結合已有探測 數據(如天基探測數據、氣象探測臺網數據等),進 行空間天氣過程和規律的研究,開展空間天氣預報模 式和方法的研發,生成相應的空間天氣初級產品,為國內外科技專家進行合作研究提供必備的工作平臺; 預報服務分系統通過獲得空間環境監測數據,結合已 有的數據信息,經過加工處理,為各類用戶提供空間 天氣預報產品和服務。

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子午工程建設內容

設施運行成果

自建設以來,子午工程已完成了建設期試運 行和 3 大系統聯合試運行,并順利通過國家驗收轉 入正式科學運行,截至目前,已連續探測 5 年,并 獲取到我國上空空間環境科學數據,累計匯集數 據 583 萬個,總大小 2.65 TB,為我國從事空間天氣 領域的科學研究和國家重大保障任務積累了寶貴的 數據。

子午工程2010—2014年數據匯集及使用量
子午工程

在“邊建設,邊運行,邊產出”的指導思想下,子午 工程配合我國“神舟 8 號”、“神舟 9 號”、“神舟 10 號”、 “天宮一號”、“嫦娥 2 號”、“嫦娥 3 號”等系列重大航 天發射任務,提供了大量數據支持服務,同時在空間環境 探測、科學研究、應用服務等方面也提供了數據和產品 服務,并獲得大量具有原創性的科學成果。據不完全統 計,2012—2014年,在Journal of Geophysical Research, Annales Geophysicae, Journal of Atmospheric and SolarTerrestrial Physics?等著名期刊上發表論文近 40 篇,專 利10項,著作1部,獲其他獎6項。

子午工程成果產出
子午工程

應用成果

目前,科學家們利用子午工程探測數據在我國區 域上空空間環境變化的特征研究、空間天氣子午線擾 動現象研究以及地球空間不同層次的耦合研究等方面 取得重要進展,同時在電離層、中高層大氣等重點研 究領域取得重要研究成果,為了解研究空間圈層間耦 合和能力傳遞提供了新證據,有助于了解空間天氣的 變化規律。以下是部分已發表的成果。

中高層大氣科學成果重大成果之一:高緯度偶發鈉層季節和地方時變化的 形成機制和中緯度低E層下傳的Es事件的研究

科學家基于 Utah State University(41.7°N, 111.8°W) 鈉激光雷達和附近的Bear Lake Observatory (41.9°N, 111.4°W)的數字測高儀 數據,研究它們的季節和地方時變化,這與北京的鈉 層突發比較,發現了類似的變化,但也有很大不同。 該項研究是基于美國猶他州 2010年9月到 2014年1 月針對 Es 和 Nas 的統計分析研究,證實了低E層區 域兩種現象的正相關性,研究成果發表在Journal of Geophysical Research

子午工程2013?年?7月10—11日CADI Es (下)?和鈉激光雷達Nas (上)的同時觀測。數據時間從03:00 UT到08:00 UT。 CADI數據的高度在70km和150km之間,猶他州立大 學鈉激光雷達Na密度數據的高度在95 km到110 km之間

重大成果之二:子午工程興隆和Millstone Hill的FPI觀 測的行星尺度類型擾動研究

科學家利用東、西半球的 FPI 觀測數據研究行星 尺度類型擾動,為了解熱層大氣的物理過程提供了一 個新的研究內容,為進一步認識和理解熱層大氣對太 陽活動的響應以及上下層耦合提供最新的研究成果。 本研究成果成功運用了國際聯合觀測的地基數據,為 今后的研究與合作創造條件,研究成果發表在Journal of Geophysical Research

子午工程興隆和?Millstone Hill(3a, 3b, 3c, 3d)上空緯向風(左)和 經向風(右)周期為?4?到?19?天的PWTOs?的幅度(a, b, e, f)和置信度(c, d, g, h)的時間變化

重大成果之三:首次美國-中國地基 F-P 干涉儀聯合 觀測研究熱層風隨經度的變化

科學家首次利用位于美國 Boulder 和中國興隆站 與山西岢嵐站的 3 臺 FPI 干涉儀,利用東、西半球的 聯合觀測數據研究美洲和亞洲地區不同磁緯度區域的 熱層風場隨經度的變化,并與模式模擬結果進行比 較,將為了解熱層大氣的物理過程提供一個新的研究 內容,為進一步認識和理解熱層大氣對太陽活動的 響應以及極光加熱等提供最新的研究成果,有助于 繼續開展國際合作研究,研究成果發表在Journal of Geophysical Research

子午工程
2012年10月22日Boulder?的?TIEGCM(點劃線)重力勢高度 梯度在黎明時朝西,相應地,在這個時間附近將風推向西側

電離層研究成果重大成果之四:北美和中國地區大尺度電離層擾動統 計特性的對比研究

科學家使用自行編制的 TEC 二維地圖解算方 法,通過北美和中國的密集 GPS 臺網觀測,比較研 究了兩個地區在太陽活動低年期間(2011—2012 年)大尺度電離層行進式擾動傳播特征的統計結 果。研究組首次使用北美中高緯和中國中低緯兩個 地區的同時觀測,給出了電離層擾動從高緯亞極光 帶直到赤道異常區這樣一個廣闊范圍內的分類、日 變化和季節變化,從全球傳播的角度給出了電離層 擾動長期變化的完整圖像,研究成果發表在Journal of Geophysical Research

子午工程
地磁擾動時間發生率的季節變化(a)和北美(b)、中國 (c)上空?LSTIDs?發生率的季節關系

重大成果之五:長時間流星尾跡不均勻體的空間結構 與變化研究

科學家利用子午工程流星雷達數據對流星尾跡 不均勻體的空間結構和變化進行了研究。該項研究的 科學意義在于完整地重現了背景風場驅使的長時間 流星尾跡不均勻體空間結構與演變過程,給出了其 長時間存在的可能原因,研究成果發表在Journal of Geophysical Research

子午工程
月度平均水平風(a)和垂直風(b)的時間高度關系圖

重大成果之六:基于武漢無線電探測雷達的對流層慣 性重力波統計分析

科學家利用子午工程武漢 MST 雷達 2011年 9月 到 2013年2月之間觀測到的對流層三維風場數據, 反演得到 2 666 個下行慣性重力波和 1 735 個上行慣 性重力波,并利用統計學方法對其進行了分析。結 合三維風場統計信息和湖北省的氣候特征,得出大 氣濕對流在夏天最盛行,證實上行和下行對流層慣 性重力波的各參數特性并沒有明顯的不同,研究成果 發表在Journal of Geophysical Research

子午工程圍繞科學目標開展子午線附近的空間 環境日常監測,并針對國家重大航天任務、特定科學 任務以及空間天氣事件開展探測研究。在“神舟八號”、“神舟九號”、“神舟十號”、“嫦娥三號” 和“天宮一號”、“風云二號”G 星發射等系列航天 任務發射期間,利用子午工程數據進行了空間天氣預 報和現報,為航天任務對接等多次重大航天活動提供 了大量的空間環境數據支持服務。子午工程為重大專 項任務也提供了大量的空間天氣數據和產品保障。子 午工程數據廣泛應用于科學研究,監測數據在空間環 境預報服務中發揮了重要作用。

子午工程
(a)流星雷達接收的長短時后向散射回波強度圖,(b、 c)高時間精度回波強度圖展示了長時射距散布追蹤信號的 變化

未來展望子午工程II期

以子午工程為骨干網,向緯向和經向延拓,升級 或新建5個大型綜合觀測臺站和6個專業觀測臺站,新 部署東經100°和北緯40°的兩條監測鏈,與子午工程東 經120°和北緯30°監測鏈共同構成覆蓋我國主要區域上 空的“#”字型空間環境地基綜合監測網(即子午工 程 II 期)。子午工程 II 期將完成我國地基空間環境監 測網基本框架的建設,滿足精確、可靠、實時、連續 的空間環境監測能力的新要求。通過子午工程 II 期建 設,將大幅提高我國對空間環境的認知能力、建模能 力和保障服務能力,成為我國空間天氣科學領域率先 進入國際先進國家行列的標志性工程之一。

子午工程
子午工程?II?期臺站布局示意圖

國際空間天氣子午圈計劃

以子午工程為基礎,通過國際合作,向北延伸至 俄羅斯、蒙古,向南經過澳大利亞等國,并和西半球 60°經線附近相關國家(加拿大、美國、巴西等)的 若干局域子午鏈形成閉合,構成第一個環 繞地球一周的空間環境監測子午圈,實施 由中國科學家率先創意并具有牽頭引領地 位的“國際空間天氣子午圈計劃”(簡稱 “國際子午圈計劃”)。利用子午工程建 立的基礎和優勢,通過國際子午圈計劃來 推進國際合作,可以調動國際上的各種資 源,發展和建立地域更為廣泛的數據獲取 能力,從而推動國際空間研究的發展,促進我國和平利 用外層空間,實質提升我國科技創新能力和中國對人類 科學發展的貢獻度。

子午工程
國際空間天氣子午圈計劃

中國-巴西空間天氣聯合實驗室/中國科學院南美空間天氣實驗室

中國-巴西空間天氣聯合實驗室是由中科院國家 空間科學中心和巴西國家空間研究院(INPE)聯合 建設的,目的是聯合開展東西半球和南北半球處于共 軛區域的地基空間天氣的監測與研究。實驗室的建設 有助于了解空間天氣的區域性特征及全球變化規律, 具有鮮明的創新特色和重要的科學與應用價值,是中 國與巴西及其周邊國家空間環境地基探測與研究等相 關資源共享的重要合作交流平臺,對于推動以我為主 的空間科學重大國際合作計劃(包括構建完整的國際 空間天氣子午圈框架等)有重要意義,也是中科院海 外科教基地計劃的重要組成部分,將有效發揮聯合人 才培養橋頭堡的作用。聯合實驗室設在INPE空間天氣 部,項目于2014年正式啟動,2014年8月6日,聯合實 驗室正式揭牌運行。

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2014?年?8?月6日,中科院副院長陰和俊和巴 西INPE主任?Perondi?共同為聯合實驗室揭牌
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