子午工程

        空间已经被普遍认为是地球除陆地、海洋、大气之外的第四环境，成为发达国家竞争的战略高地；空间环境的天基和地基的综合监测已成为国际科技活动热点之一。我国社会正面临发展高科技、实现国防现代化、建设世界强国的历史重任，为减轻和防止灾害性空间天气给航天、通信导航、电力、国家安全和人类健康等领域带来的巨大损失，全面、系统地开展空间环境监测已成为一种迫切的国际需求。

        空间环境中的地球磁力线接近地球子午线的分布，太阳电磁辐射(可见光、X射线、紫外辐射等)沿子午线的天顶角效应，以及地球自转和绕日的公转效应，使地球空间环境具有随时间、地域的全球三维结构。它们对磁层结构、电离层结构、带电粒子和等离子体输运过程等起重要的调控作用，使许多基本的物理过程沿子午圈发生。因而，沿地球的子午线经圈配置空间环境监测链，对于了解近地空间环境全球结构的时间和空间变化规律具有重要科学意义。

        东半球空间环境地基综合监测子午链（简称子午工程）是沿东半球120º子午线附近，利用北起漠河、经北京、武汉，南至海南并延伸到南极中山站，以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30º附近共15个综合性观测台站，建成一个以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种探测手段，连续监测地球表面20—30km以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层，以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、中高层大气的风场、密度、温度和成分，电离层、磁层和行星际空间中的有关参数，联合运作的大型空间环境地基监测系统。子午工程长期、连续、高精度的观测数据集是发展天基系统的重要参照基准，对于我国空间天气地基综合监测系统的建设具有基础性、先导性作用，也是我国和平利用外层空间的重要内容。

        1994年初，子午工程项目构想作为中国空间物理发展规划建议附件上报国家科委。1997年6月，国家科技教育领导小组会议确定子午工程为国家重大科学工程。2005年8月，国家发改委批复子午工程项目建议书，子午工程项目正式立项。

        2005年10月，子午工程项目领导小组、项目建设工程经理部和项目科技委等领导、执行和咨询机构相继成立。2006年10月，国家发改委批复子午工程国家重大科技基础设施项目可行性研究报告，将子午工程列入国家高科技产业发展项目计划。2007年9月，中科院和国家发改委分别批复子午工程项目建设初步设计和概算，子午工程建设进入实施阶段。

        2008年1月，子午工程正式开工建设。2010年1月，子午工程进入建设期试运行；2011年9月1日至10月31日，子午工程开展为期两个月的联合测试；2012年8月1日至10日，子午工程通过工艺测试；2012年7月14日至10月19日，子午工程通过建安、设备、工艺、财务和档案5个专业组的验收；2012年10月22日，子午工程通过中科院组织的预验收；2012年10月23日，子午工程通过国家验收转入正式运行。

        子午工程由中科院牵头，教育部、工业和与信息化部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等7部委下属的12家单位共同建设，中科院空间科学与应用研究中心(简称空间中心)作为项目法人，牵头子午工程建设和运行管理工作。

        在建设期间，成立子午工程项目建设领导小组(简称领导小组)、下辖项目建设工程经理部和项目科学技术委员会(简称科技委)，对子午工程项目建设进行管理和指导。领导小组是工程的领导机构，由中科院分管领导任组长，成员包括国家发改委、各参加部委职能部门负责人和工程挂靠单位空间中心负责人。领导小组下设办公室，负责日常联络和沟通。

        项目建设工程经理部是工程的实施机构，挂靠空间中心。经理部设总经理、总工程师、总经济师和总工艺师，成员由领导小组审批。

        科技委是工程建设的科学与技术咨询机构，由相关科技领域学术造诣高的学者、专家组成。科技委听取工程进展情况报告，研究工程中出现的重大关键科技问题并提出建议，确保工程建设实现预期科学设想和目标。

        工程建设过程中实行合同管理。有关管理和共享政策可以确保实现监测数据的共享。

        拟由7部委及12家共建单位联合组建“国家空间天气科学中心”负责子午工程的运行管理和后续发展，使之成为资源充分开放共享的国家公共科研平台。

        子午工程作为实施我国空间天气天地一体化综合监测体系战略构想的战略步骤，是“十一五”国家重点建设的12项重大科技基础设施项目之一，也是我国空间物理和空间环境领域部署的第一个重大科技基础设施，整体科学寿命预计超过11年。子午工程的总体建设目标包括：

        了解空间环境中灾害性空间天气的变化规律；逐步弄清我国东经120º子午链附近和北纬30º纬度链上空空间环境的区域性特征和全球变化的关系；与天基探测相结合，建立相应的空间天气因果链模式，发展综合性的预报方法；做出有重要原始性创新的科学成果。

        建设与国际接轨，由具有世界先进水平的空间环境监测系统(包括非相干散射雷达、中间层-平流层-对流层雷达、甚高频相干散射雷达、激光雷达、光学干涉仪和探空火箭等大型先进科学装置)、数据与通信系统、研究与预报系统组成的东半球120ºE附近空间环境地基综合监测子午链；以子午工程为基础，推动国际空间天气子午圈计划。

        为我国社会各类用户提供子午工程的地基观测数据、有关的空间天气模式、产品和成果；为减少或避免空间和地面技术系统以及人类健康遭受灾害性空间天气的损伤和破坏、为提高我国空间天气预报能力和服务水平做出重要贡献。

        子午工程的建设内容主要包括空间环境监测、数据与通信和研究与预报3大系统。组成框架如下图所示。

        空间环境监测系统由地磁(电)、无线电、光学和探空火箭四个分系统组成。主要利用分布于东经120º附近和北纬30º附近的15个综合台站、23类、94台监测设备，采用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等监测手段，随着地球的自转在子午链上对地表、中高层大气、电离层和行星际实现三维立体观测。各台站分布及主要监测设备如图所示。

         地磁(电)监测分系统，利用6种地磁、地电监测设备，由处于东经120º、北纬30º附近、呈条带分布的14个台站组成地磁（电）监测链；无线电监测分系统，沿我国东经120º子午线附近的漠河、北京、武汉、曲靖、海南及南极中山站等，建设多种具有当前国际空间环境监测领域最重要和最先进的无线电监测设备，包括非相干散射雷达、中间层-平流层-对流层雷达、甚高频相干散射雷达和数字测高仪等；光学监测分系统，在北京、武汉、合肥、海南和南极中山站等5个观测台站，建设多种具有目前世界上先进水平的地基监测设备，包括激光雷达、光学干涉仪、全天空气辉成像仪和极光光谱仪等；探空火箭综合监测分系统，在海南建设以探空火箭为中心的空间环境综合监测站，利用气象火箭、探空火箭和地基配套监测设备等，实现对我国低纬度地区临近空间大气环境参数的综合监测。

        数据与通信系统由数据通信、数据库和数据服务3个分系统组成，该系统将分散在东经120º和北纬30º附近的94台监测设备有机联网，实现地面台站的联合观测和数据的传输、存储、处理、分发和服务。该系统是连接空间环境监测系统和研究与预报系统的桥梁和纽带，它利用现代通信技术把空间环境监测系统的监测数据汇集到各个节点站，并传送至子午工程数据中心。

        研究与预报系统由科学运行、研究建模和预报服务3个分系统组成。科学运行分系统负责整个系统的日常管理，制定子午工程科学监测计划，协调各台站空间天气信息的探测；研究建模分系统结合已有探测数据(如天基探测数据、气象探测台网数据等)，进行空间天气过程和规律的研究，开展空间天气预报模式和方法的研发，生成相应的空间天气初级产品，为国内外科技专家进行合作研究提供必备的工作平台；预报服务分系统通过获得空间环境监测数据，结合已有的数据信息，经过加工处理，为各类用户提供空间天气预报产品和服务。

        为考察子午工程3大系统间的协同工作能力和总体性能，考核子午工程初步设计指标实现情况，检验子午工程成果产出和科学目标的实现能力。2012年8月1—10日，中科院高技术局组织工艺测试专家组进行了子午工程工艺测试。

        子午工程工艺测试执行期为3天，即8月1—3日。其中8月1—2日，各运行单元执行空间环境监测常规探测计划，8月3日执行以电离层暴/电离层扰动子午传播研究的任务探测计划。

        参加子午工程工艺测试的运行单元均能按计划开展运行，按要求及时更改探测模式，按数据接口要求汇交探测数据，并且积极配合测试专家组开展测试，总体运行稳定。

        子午工程科学运行中心、数据中心、8个节点站以及预报服务平台均实现常态运行。参加子午工程工艺测试的监测设备共计89台，计划上传数据监测设备共87台（不包括气象火箭和探空火箭），除漠河台站的感应式磁力仪和磁通门经纬仪因数据传输问题没有上传数据外，其余85台监测设备均能按照数据接口文件要求上传数据。

        在子午工程工艺测试期间，测试主要包括总体功能和性能指标测试、实地考核测试和数据评估3项考核内容。其中实地考核一组（中心组）负责总体功能和性能指标测试，包括监测地理范围、监测高度范围、监测参数、监测设备成链、数据时效性、数据处理量、空间天气产品和模式等指标；实地考核二组、三组和四组分别负责北京、武汉和海南台站的实地考核；数据评估组负责利用子午工程历史数据和现场数据进行分析、评估。

        经子午工程工艺测试专家组测试，测试内容涵盖了子午工程初步设计规定的所有功能和性能指标，测试验收指标均达到或优于初步设计指标。主要结论如下：

        （1）子午工程新建成了79套空间监测设备，分布在沿我国东经120º子午线和北纬30º附近的15个台站，监测参数覆盖了从地表到20—1 000km的中高层大气、电离层、磁层和行星际空间，建设任务满足要求，指标达到或优于初步设计。

        （2）子午工程建成了我国唯一的、全亚洲功能最强大的空间环境监测设备——非相干散射雷达、基于国际上极为先进的数字波束形成技术的可扫描的甚高频相干散射雷达、国内首台具有大气高中低层风场全天时、全天候监测能力的中间层-平流层-对流层雷达、国内首台中低层大气测风激光雷达、全高程大气监测的激光雷达、国内唯一的探空火箭平台和国际少有的低纬度探空火箭发射场，可向用户提供涵盖地磁、中高层大气、电离层、行星际等多个学科范围数据的数据中心、能独立开展研制空间天气预报模式及进行空间天气预报、警报或现报的研究与预报系统等一系列在国际上技术水平领先或先进的关键设备。

        （3）子午工程采用无线电、光学、地磁（电）、探空火箭等多种探测手段，实现了我国120º子午线上空整个日地空间环境的垂直因果链监测，以监测空间范围最广、地域跨度最大、监测方法和手段最全、监测参数最多、综合性最强等优势达到国际同类装置最先进水平，属于目前中国唯一、世界第一的大科学装置。经过联合测试，获得了多种类别的高精度、高质量的数据，其综合性在当前国际同类观测中是独一无二的，可满足子午工程科学目标的需求，有望在以后国际科研活动中得到认可。

        通过近4年的建设，子午工程已经全部完成了初步设计的全部建设任务，达到或优于初步设计指标，顺利通过了国家验收。子午工程完成了15个观测台站环境建设改造任务，改建的环境改造面积2 610平方米；建成了包括空间环境监测系统的23种94台监测设备，数据与通信系统的数据中心和8个节点站，以及研究与预报系统的科学运行中心和2个预报服务平台；形成了23个标准规范。

        截至2012年底，子午工程数据中心共收集了地磁(电)场、电离层、中高层大气、行星际的64种科学数据，数据文件390万个，大小超过1.2TB。29种数据做了标准化处理，35种数据绘制了可视化图形，产生了约1.5TB的数据产品。向民用预报服务平台、预报保障平台和科学运行中心累计分发了超过2.6TB的科学数据和数据产品。面向公众的数据网站已注册用户174人，下载数据总量约300GB。

        利用子午工程数据开展了我国区域上空空间环境变化的特征研究、空间天气子午线扰动现象研究以及地球空间不同层次的耦合研究，并取得了系列研究成果；2012年子午工程在国内外著名刊物上就发表文章23篇，以下是部分已发表的成果。

        利用子午工程漠河地磁脉动的观测，可以反演出等离子体层在L-2（大约1.3万公里）赤道处的等离子的密度变化。同时，通过电离层的垂测仪，可以得到电离层的F2层（约200 — 400公里）的电子密度峰值；通过GPS-TEC监测仪，可以得到总电子含量。利用子午工程2011年5个中等磁暴（-47nT < Dst < -103nT) 时对电离层与等离子体层的同时观测表明，磁暴期间等离子体密度有20%—50%的密度减少，而且电离层密度的减少总是发生在等离子体密度减少之前。初步的分析认为，等离子体层的消减是由于电离层物质供给减少造成的，表明磁暴期间电离层对等离子体层的物质调控作用。这是子午工程综合监测参数可以用来研究地球空间不同圈层耦合作用的一个典型事例。美国《地球物理研究》（JGR）评审人认为：“该成果提供了一个磁暴期间等离子体-电离层耦合的新认识，是空间天气理解和预报的重要部分”。该文已被JGR接收发表。

        2011年3月11日北京时间13点46分，日本东北部宫城县以东太平洋海域爆发里氏9级地震，在地震发生10分钟后，子午工程设在北京大学的电离层高频多普勒接收机监测到了电离层中特殊类型的强烈扰动，表现为多种频率组成的次声波波包，及单一频率（周期3-5分钟左右）的电离层次声波扰动。后一种电离层扰动是一种未曾发现的新现象，是岩石圈-大气层-电离层之间存在能量耦合的一个新的有力证据。此外，在震后电离层扰动发生的同时，在地磁场的观测中也发现了异常的扰动，这种地震导致的地磁场扰动的例子在以往的研究中很少被报道。分析表明，这是电离层中的等离子体和电流被扰动的反映，是地震引发的近地空间电磁效应的综合体现。美国《地球物理研究》（JGR）的评审人就认为：“利用多手段的观测数据来研究震后电离层的现象是个很好的想法，因为各种手段的数据可以互相验证，从而增加结果的可信度”。 上述工作和研究结果已在美国《地球物理研究》（JGR）上发表。

        利用子午工程新建成的东经120º观测链上的流星雷达台站的风场观测数据，研究人员提出了一种中间层和低热层（Mesosphere and low thermosphere, MLT；80 - 100 km）潮汐风场的Mapping技术。该技术结合经典潮汐理论和该流星雷达子午链（三亚（18.3ºN, 109.6ºE）、武汉（30.5ºN, 114.6ºE）、北京（40.3ºN, 116.2ºE）和漠河（52.5ºN, 122.3ºE）4个台站）的风场观测数据，给出空天天气学尺度上的MLT区域潮汐风场详细的纬度、高度和地方时分布。截至目前，虽然地面观测和卫星观测都为MLT区域潮汐风场的研究提供了大量信息，但卫星观测的风场数据由于缺乏地方时覆盖只表征了统计气象学意义上的潮汐震荡的平均特性；地面观测由于台站分布的限制无法给出潮汐风场完整的经、纬度结构。该Mapping技术在某种程度上解决了这两个问题。因此，由该观测链上已有流星雷达观测数据，实现MLT区域潮汐参量的Mapping对MLT区域潮汐结构的深入研究和监测都具有重要意义。美国《地球物理研究》（JGR）评审人认为：“该方法的提出填补了现有潮汐风场Mapping技术的空白”。该文已被JGR接收发表。

        双钠层现象是由我国学者最先发现并自主命名的一种高空钠层特殊现象，仅2000年在武汉地区探测发现过一次。直到利用子午工程北京激光雷达开展观测，在近2年的观测时间里发现有17次出现于双钠层现象。这不仅证实了这一特殊现象可以在不同的纬度出现，而且从多次观测结果的分析中得到了该现象许多特征的信息，如时间空间的演化特征、发生频度的季节特征，以及它与主钠层及其它钠层现象的关联等。同时，该结果还在一定程度上提供了进一步研究该现象成因的一些线索。美国《地球物理快报》评审人认为：“该论文是足够新奇和令人激动的将促进许多的研究兴趣”。该文已在GRL上发表。

        子午工程为建立我国以自主观测为基础的近地空间环境地基综合监测网迈出了历史性的第一步，空间科学的发展任重道远。2010年6月，胡锦涛总书记在院士大会上明确指出要大力发展空间科学技术，提高空间探测能力。为落实科学发展观，我国制定了空间科学技术发展的长远规划。将在子午工程基础上，进一步推动子午工程二期和以我为主的国际空间天气子午圈计划，大幅提升我国在空间环境领域的认知能力，使我国在空间科学领域进入到国际先进行列。

        子午工程到达了“投资少，见效快，有限目标，重点突破”的建设目标，实现了东经120º和北纬30º我国区域空间环境的监测，通过在15个台站上布局了地磁电、无线电、光学以及探空火箭等多手段监测，形成了监测我国上空地磁电、中高层大气和电离层监测的3条子午链，以及行星际宇宙线监测网。为我国空间环境探测和研究积累了第一手探测数据，是我国空间环境监测体系建设的第一步。

        我国地域广袤，子午工程仅实现了东经120º和北纬30º的局域性监测，要实现我国国土上空广袤区域的空间环境监测的大范围、大尺度的覆盖，为建立以我国自主观测为基础的中高层大气和电离层模式提供观测基础；实现空间天气变化过程包括太阳大气－行星际－磁层－电离层－中高层大气－地面的空间天气连锁变化全过程监测；满足精确、可靠、实时、连续的空间环境监测能力的当前发展时期的新要求。还需要进一步加密布局，建设更多的监测台站和监测设备，以覆盖我国大部分的地区空间环境的监测和研究

        因此，我们将以子午工程为骨干网向纬向和径向延拓，新建大型综合观测台站3个及一般性的专业观测台站5个, 充实完善沿东经100ºE和北纬40ºN的两条观测链，与子午工程的东经120ºE和北纬30ºN观测链共同构成覆盖我国区域上空的空间环境地基综合监测网。

        利用地磁（电）、无线电、光学监测设备，对地磁（电）场、中高层大气、电离层、磁层和行星际空间开展多层次、多学科的连续的、同时性的综合观测，形成地磁（电）监测网、中高层大气监测网、电离层监测网的完备空间环境地基综合监测网，与天基观测相配合，构成天地一体化的空间环境监测系统。

        为研究我国空间环境变化与全球变化关系的研究，充分发挥子午工程的社会效应、科学效应和经济效应，更好的服务于全人类的空间事业，我们将通过加强国际合作，积极推动国际空间天气子午圈计划的实施。

        国际空间天气子午圈计划是以国家重大科技基础设施项目子午工程为基础，旨在通过国际合作，充分利用国外资源，向北延伸至俄罗斯，向南经过东南亚的有关国家、澳大利亚等，并和西半球60º附近的子午链构成第一个、也是唯一一个环绕地球一周的空间环境监测子午圈。计划将与俄罗斯、澳大利亚、加拿大、美国、巴西等国的120ºE+60ºW子午线附近的近百个监测台站进行合作，共同对子午线附近空间环境进行监测，实现日夜24小时、全球纬度的同时观测，大幅提升我国对空间环境的认知能力。将构建沿子午线的中高层大气监测圈、地磁（电）监测圈、电离层监测圈、宇宙线监测圈、极区极光监测网等科学运行协调组织和数据交换系统，进而构成沿120ºE+60ºW子午线的国际空间天气子午圈。

        国际子午圈计划将使得了解空间天气全球结构的时空变化规律第一次成为可能，是世界空间天气地基综合监测史上从未有过的创新，将协调全球空间天气联测及共同研究，以我为主推动国际空间研究的发展，大幅提升我国在国际空间届的地位和影响力，实现重点跨越，引领未来国际空间天气的发展，使我国成为世界空间天气领域的先进国家。将促进我国和平利用外层空间，实质性地提升我国的科技创新能力和中国对人类科学发展的贡献度。