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编者按野外观测研究站(以下简称野外站)是开展野外科学观测、实验、研究和示范的基础平台。它在资源、生态、环境领域具有与实验室同等重要的地位，发挥着不可替代的作用。第三阶段创新，我院将新建“近海海洋观测与研究网”，完善“日地空间环境观测与研究网”、“中国东部城市生态与区域环境监测与研究网”、“中国陆地生态系统通量观测与研究网”。本刊拟从本期开始以专栏的形式介绍上述野外台站网的建设与发展。
中国科学院日地空间环境观测与研究网络的现状和未来发展
作者:张洪祥1宁白棋2
(1中国科学院资源与环境科学技术局，北京100864。
2中国科学院地质与地球物理研究所，北京100101)
中科院日地空间环境观测网是在中科院地磁站链的基础上建设和发展起来的，目前覆盖9个主要野外站和1个数据中心，其中大部分是国家地球物理站网和“子午工程”的骨干站，为我国空间物理和空间天气科学的发展做出了重要贡献。通过该所知识创新项目三期建设，该所“日地空间环境观测与研究网络”将成为我国日地空间环境观测的研究基地和跨学科研究平台，在我国日地空间环境地基观测中发挥主导作用。
日地空间环境观测网络，发展
1的发展现状
自20世纪90年代以来，中国科学院开始建设大型野外台站。知识创新工程的第二阶段是我们野外台站的一个重要发展阶段。通过对现有台站资源的整合和完善，建成了中国生态系统研究网(CERN)、特殊环境与灾害监测研究网、区域大气本底观测网和地磁站链四个野外站网。在2006年开始的该所创新建设的第三阶段，以地磁站链现有台站为基础，建立和发展中科院“日地空间环境观测与研究网”，以满足国内外蓬勃发展的空间物理和空间天气应用研究的需要，是一项重要任务。
我院空间环境站的观测和研究是从原中国科学院地球物理研究所(现地质与地球物理研究所)开始的。新中国成立不久，在我国著名的大气物理学家、空间物理学家赵九章等老一辈科学家的领导下，建立了地磁、电离层和高层大气观测站网，开辟了我所的空间环境观测和研究工作。目前，我院从事空间环境观测的研究所主要有:地质与地球物理研究所、大气物理研究所、测量与地球物理研究所、高能物理研究所、空间中心和中国科学技术大学地球与空间学院等。观测和研究内容主要包括:地球磁场、重力场、中高层大气、电离层、磁层和宇宙射线。
近年来，在国际空间物理研究和空间天气研究以及我国应用需求的推动下，国内空间环境观测研究出现了一些新变化:(1)由中科院牵头的国家重大科学工程“子午工程”已经启动，不仅极大地促进了我院空间环境观测能力的建设，也促进了国内相关单位空间环境和空间天气观测研究水平的提高。(2)中国科学探测卫星“双星”系统的成功发射和科学成就，以及正在预研的“夸父计划”等科学探测卫星计划，推动了地基空间环境探测的发展，特别是中国一系列应用卫星的发射和应用，航天活动日益频繁，如载人航天计划“神舟”飞船系列、探月计划“嫦娥”系列、自主导航卫星计划“北斗”一代等。因此，这些需求有力地推动了空间环境观测和研究的发展。
目前，我院从事空间环境观测和研究的重要野外台站有六个，即:
1.1北京空间环境国家野外科学观测
研究站
含四站，北京主站:116.37？e，39.98？嘿n；漠河子站:122.34？e，53.49？嘿n；武汉分站:114.34？e，30.54？嘿n；三亚分站:109.62？e，18.34？n、全部依托地质与地球物理研究所，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站和“子午工程”项目骨干站。
该站集成了该所地磁站链和武汉电离层观测站，沿东经120度经线均匀分布，从我国最北部的漠河到最南部的三亚，纬度间隔约为10度。从地理上看，站链经过东亚电离层异常区和蒙古地磁异常区，是观测和研究地球空间许多地球物理现象的“黄金链”。在观测和研究内容上，该站以空间环境涉及的磁层、电离层、中高层大气和地球磁场为主要观测和研究对象，形成了多手段、多参数的综合观测，具备同时观测中国空间环境不同经纬度变化、不同空间层次、不同观测参数的能力。其中，北京主站地磁观测于2001纳入国际地磁网络Intermagnet，是我国第一个加入该网络的国际参考表。漠河子站在观测和研究来自北极空间环境的扰动和能量输入过程中发挥着重要作用。武汉分站是我国观测和研究电离层特性的黄金地带。拥有我国60年的电离层连续观测数据，是我国历史最长、连续观测数据最多的国际知名台站。三亚分站是观测和研究电离层不规则结构以及高层大气动力学和电动力学的重要区域。该站主要研究电离层和地磁场的变化，具有鲜明的特点和典型的学科和地理代表性。
1.2安徽蒙城国家地球物理野外科学观测
研究站(33.33？n，116.50？e)
依托中国科学技术大学地球与空间学院，是科技部地球物理国家野外科学观测研究站，子午工程的主要设备高空激光雷达也将装备在该站。
该台由中国科学技术大学和安徽省地震局于2005年6月联合建立。该站结合了安徽省地震局在地震、重力、GPS、地电、地磁等方面的观测设备和中国科学技术大学地球与空间学院强大的科研实力。该台对中国东部地区的构造运动研究具有重要意义，通过长期积累的地电、地磁、形变、重力等观测资料，为安徽及邻省的地震活动、地震预报和地球物理研究提供了可靠的资料。同时监测高层大气物理过程，开展太阳物理和磁层物理研究，实现对固体地球、大气和磁层的整体综合观测。
1.3武汉大地测量国家野外科学观测
站(九峰站简称，30.52？n，114.49？e)
依托测绘与地球物理研究所，是科技部国家地球物理场科学观测研究站。
该站是中国长期的、综合性的大地测量和地球物理观测研究基地，是中国大陆国际潮汐中心(ICET)唯一的国际重力潮汐参考站，也是亚洲大陆唯一参与全球地球动力学国际合作计划研究的观测站。九峰站拥有多种国际先进的重力观测仪器和空间大地测量仪器，如动力大地测量观测仪器(超导重力仪、绝对重力仪、LaCoste G和ET相对重力仪、卫星激光测距仪(SLR)、全球定位系统(GPS)接收机、欧洲多普勒卫星定位(DORIS)发射机)。它是我国同类台站中唯一拥有如此完备观测条件的台站，也是世界一流强国。
1.4西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测
研究站(30.10？n，90.50？e)
依托高能物理研究所，是科技部首批国家地球物理场科学观测与研究先导站。
1995年，该站被美国《科学》杂志列为全国25个科研基地和可持续发展的六大科学计划之一，被誉为世界上质量最高的地面宇宙线天文台。该天文台由日本东京大学高能物理研究所和宇宙射线研究所于1990年建成。任意阵列探测器有833个探测器，面积约30000平方米。1998 28 NM？64型中子监测仪是目前世界上运行的60台中子监测仪中海拔最高、计数率最高的一台。2001年6月，ARGO 1万平方米实验大厅建成，2006年6月，5000平方米RPC“地毯”探测器正式投入运行。
1.5海南空间天气国家野外科学观测
站(19+0？n，109.08？e)
依托航天中心，是科技部国家地球物理场科学观测研究站，也是国家“子午工程”的骨干站。
该站拥有电离层DPS-4高度计、电离层GPS-TEC监测仪、电离层GPS闪烁监测仪、大气电场仪等一批世界先进的综合性空间天气探测仪器，并获得了多年的探测数据。该站主要探测和研究我国低纬度地区电离层、中高层大气和地磁扰动变化的物理过程及其对太阳活动风暴的响应，研究其在空间天气因果链过程中的作用，建立电离层和中高层大气扰动变化模型，研究电离层空间天气预报方法。为探索低纬度和赤道地区空间天气变化规律、建立相关空间天气模型提供科学探测数据，为我国通信、航天飞行和空间活动提供保障。
1.6河北香河大气物理综合观测研究站
(39.75?n，116.95？e)
依托大气物理研究所，该站将建设国家“子午工程”的骨干设备MST雷达。
该站拥有VHF/ST雷达、双波长天气雷达、多部移动测雨雷达、GPS臭氧探空系统、小气候观测塔、气球跟踪遥测系统和多台雨量记录仪等大中型观测仪器。香河站是我国大气探测研究的重要基地，也是我国北方大气环境监测和大气探测高技术自主研发的实验基地。
2取得的代表性成果
中国科学院空间环境观测站的建立为推动中国空间科学研究和应用的发展做出了重要贡献，主要代表性成果有:
(1)通过利用高频多普勒站和电离层高度计对电离层的长期观测和分析，首次创造性地提出中国电离层扰动与青藏高原地形抬升和涡旋天气密切相关，揭示了中国中部电离层扰动的区域特征，为解释困扰国际航天界60多年的电离层远东异常提供了重要依据。
(2)利用我国空间环境站半个多世纪积累的观测数据，结合国际上同类观测数据，采用先进的统计分析方法，对电离层、地磁扰动等空间气候学所涉及的长期趋势、太阳活动变化、年变化和半年变化进行系统研究。
(3)在我国青藏高原羊八井宇宙线观测站，利用宇宙线扩展大气簇阵列成功观测到“宇宙线太阳阴影”的偏移量及其随时间的变化，获得了世界上最清晰的阴影图像，反映了太阳活动对日地空间磁场的扰动，从而建立了新的地面长期连续监测日。地-地空间大尺度磁场和太阳活动变化的研究方法，促进了太阳活动变化对地球环境影响的跨学科研究，使研究太阳活动与行星际磁场变化的关系，探索其在空间环境预测中的应用成为可能。
(4)围绕地球潮汐形变精确测定、大气、海洋和重力场耦合机制、地球简正波、其液核振动和地球自转变化等国际前沿领域，创新的“小参数摄动”方法是国际上三大潮汐理论模拟解决方案之一，被国际同行认为是考虑地球地幔横向不均匀性的最有效解决方案。建立了中国大陆东西向重力潮汐剖面和沿海重力潮汐剖面、武汉国际重力潮汐基准和重力仪国际校准系统。
(5)在香河大气综合观测站建立我国自主研制的第一台大型VHF/MST雷达，采用1/4阵列进行常规探测，先后进行边界观测实验，利用对流层上层和对流层下层，平流层下部综合观测实验和大气环境参数垂直分布观测研究。
3.太阳和地球空间环境研究的一个重要分支。
学习问题和国家需求
3.1重要科学问题
(1)日地空间系统的整体行为和能量传递过程。本文从整体上研究太阳表面、太阳风和地球空间的形状和变化特征，主要关注太阳能量辐射和地球空间的响应，特别强调日地空间整体行为中的能量传递过程。
(2)空间天气的产生和发展，日地空间系统的剧烈特征。本文研究日地空间中的灾变扰动过程，主要是与太阳爆发及其引起的行星际扰动和地球空间风暴(磁暴、磁层亚暴、电离层暴等)有关的空间现象的产生和演化特征。).
(3)日地空间系统各层次的相互作用和相互耦合。主要研究涉及日冕？太阳风的耦合，太阳风对磁层的影响，磁层？电离层耦合，电离层？热大气层？-中高层大气和电离层的耦合？大气？-地球表面(岩石圈、海洋)和空间环境界面上发生的其他复杂物理过程的耦合。
(4)空间环境的气候学特征和建模。本文主要研究空间环境及其特征参数的平均特征和长期变化，运用数理物理方法和数理统计方法建立描述空间环境分布和变化的基本模型，用于空间物理研究和空间环境预测。
(5)空间物理中的基本等离子体物理过程。包括等离子体的加速、辐射、涨落、不稳定性和非线性以及相关的磁重联。
3.2主要的国家需求
(1)航天工程安全保障。空间环境中的辐射增强等剧烈扰动过程，破坏了飞行器的电子设备，中断了飞行器与地面的通信，威胁了航天员的安全，已成为航天工程的第一杀手。空间环境观测可以为航天工程提供空间环境预报，从而采取必要的措施避免和保护空间灾害，避免造成大量的经济损失和人员牺牲。
(2)地面技术系统的安全性。空间环境的剧烈扰动会导致高风险区域的地面输电线路、输油管道和通信电缆的损坏。特别是在中国与俄罗斯远东地区能源联系日益紧密的情况下，这种太空环境的破坏性应该引起我们的注意。
4未来发展
4.1日地空间环境观测研究网的定位
根据国内外日地空间环境观测研究的发展和趋势，我院“日地空间环境观测研究网”的定位是观测和研究我国陆地空间环境(同时考虑太阳活动和全球变化)，形成地磁基本场和变化场、各种尺度电离层结构、 和中高层大气物理场，具有宇宙线、地球重力、地球动力学高精度测量的综合观测能力。 该网络将成为中国空间物理研究的基础研究平台和长期观测研究基地，如磁层动力学、电离层结构和扰动传播、中高层大气波动的激发和传播、磁层、电离层和中高层大气耦合、地球各圈层耦合、空间环境预测模型研究等。“日地空间环境观测与研究网”的实现，将拓宽我院地球物理和空间物理的研究内容，提高观测与研究能力，通过观测与研究的紧密结合，进一步扩大相关学科基础研究的国际影响力，进一步提升科研创新能力和竞争力。该网络将成为技术全面、管理先进、特色鲜明、在国际上具有重要影响、在我国日地空间环境地基观测研究中具有引领作用和不可替代地位的“日地空间环境观测与研究网络”。
4.2日地空间环境观测和研究网络的发展模式
风格
该所“日地空间环境观测与研究网”的实施采取分两步走的方式:一是建成由北京国家空间环境观测研究站(北京主站及漠河、武汉、三亚分站)、安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站、武汉大地测量国家野外科学观测研究站和北京数据中心组成的网络，以地球子午线为主线，合理布局，由地磁观测、中高层大气观测和电离层组成。在仪器数字化、自动化综合观测的基础上，通过现代网络通信技术开发相应的数据分析处理软件，实现各台站与北京网络中心之间的实时数据传输和在线显示能力，将北京数据中心建设成为一个具有数据采集、处理和共享的交换平台，并与中国地球系统科学数据共享平台对接。
在第二步发展规划中，将西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测研究站、海南空间天气国家野外科学观测研究站、香河大气综合观测站纳入该所“日地空间环境观测研究网”，并在羊八井观测站增加电离层、中高层大气和地磁观测，建设具有中国区域特色的世界最高的综合性空间环境观测研究站。海南福的空间天气观测站将与海南三亚的地磁站一起，形成中国低纬度空间环境的综合观测和研究基地。整合香河大气综合观测站等北京地区与空间环境相关的台站资源，形成北京地区从大气、中高层大气、电离层、磁层的综合观测研究体系。
4.3日地空间环境观测和研究网络的未来发展
的工作
(1)基于多点高剖面电离层结构和扰动连续观测数据，在中国不同尺度的电离层扰动和传播特征，特别是电离层对固体地球和大气活动的响应过程、远东电离层异常成因等重大科学问题上取得了原创性研究成果。
(2)利用中层大气综合观测网提供的具有空间、时间和高度变化的资料，揭示中国中高层重力波、潮汐、行星波等大气波动激发和传播的特征，对中高层大气波动激发和传播、中间层顶进过程等相关学科前沿的研究做出重要创新贡献。
(3)利用综合地球动力学调查资料，获得了武汉国际重力潮汐基准、中国南北向和东西向重力潮汐剖面。结合国际地球动力学调查数据，在全球重力场潮汐和非潮汐变化特征研究、地球潮汐形变精确测定、大气海洋与重力场耦合机制、地球及其液核* * *振动简正波、地球自转变化等地球动力学基础研究方面取得突破性和创新性成果。同时为国家重大项目“中国地壳运动观测网”中的绝对重力测量和中国微伽玛绝对重力参考网的建立和完善做出了重要贡献。
(4)在日地空间环境观测研究网观测数据实时组网和处理的基础上，结合物理模型和数据同化方法，开展中国空间环境特别是与导航、通信等航天工程密切相关的电离层空间环境的现场报告和预报方法研究，建立相关示范系统，为中国航天工程应用做出重要贡献，满足国家需求。
总之，通过相关学科的有机结合，日地空间环境观测与研究网将成为我国和我院日地空间环境观测与研究的基地和跨学科研究的基础研究平台，在我国日地空间环境地基观测中发挥主导作用，在我国所在的中低纬度地区近地空间环境研究中发挥不可替代的作用，为国民经济发展和国防建设的应用研究做出贡献。
张洪祥，男，中国科学院资源与环境科学技术局固体地球科学部副主任、副研究员。出生于1972。2001，中国科学院地质与地球物理研究所地球动力学博士。主要从事地幔地球化学和环境地球化学研究，先后参与科技部攀登计划预选项目“地质流体作用及其成矿效应研究”和杰出青年基金“流体-岩石反应体系中稀土元素(及钇)地球化学”研究工作，发表科研论文16篇。2002年到中国科学院工作，先后以主要作者身份撰写报告30余篇，发表管理文章10余篇。E-mail:hxzhang@cashq.ac.cn