子午工程：空间天气领域e-Science应用的典范.pdf

技 术 e-Science 应用 e-Science APPLICATION 空间天气学是一个多学科交叉的科学，主要体现在空间天气（状态或事件）的监 测、研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气 的开发利用和服务等方面的集成。其多学科交叉、强烈依赖探测数据与超级计算及其 国际合作特征使得传统的小范围、封闭式的科学研究方法和手段暴露出明显的不足， 迫切需要e-Science这个使得在空间天气学领域中实现全球性合作成为可能的下一代 基础设施。“十一五”国家重大科学基础设施项目——“东半球空间环境地基监测子 午链”（简称子午工程）有机融合了观测台站、网络通信系统、数据和高性能计算等 多种e-Science的要素，是空间天气领域e-Science应用的典范。 本图片由作者提供 6 e-Science 2009年 APPLICATION e-Science 应用 子午工程：空间天气领域 e-Science应用的典范 王赤 黄朝晖 冯学尚 中国科学院空间科学与应用研究中心空间天气学国家重点实验室，北京 100190 摘 要： 本文简要分析了空间天气领域的发展现状和趋势以及对e-Science的需求，介 绍了子午工程的建设思路和内容，阐述了子午工程涵括的e-Science基本要 素，表明子午工程是空间天气领域e-Science应用的典范。 关键词： 空间天气；子午工程；e-Science Meridian Project: a Typical Example of e-Science Application in Space Weather Wang Chi, Huang Zhaohui, Feng Xueshang State Key Laboratory of Space Weather, Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China Abstract: We briefly analyzed the development status and trend of the space weather and its demand of e-Science, and introduced the Meridian Project, which covers all the basic elements of e-Science. In a word, the Meridian Project is a typical example of e-Science application in space weather. Keywords: Space weather; Meridian Project; e-Science e-Science 总第五期 7 技 术 e-Science 应用 e-Science APPLICATION 1. 空间天气领域的发展现 状、趋势和对e-Science的 需求 空间天气学是一个多学科 有探测太阳风的卫星，还有研究 交叉的科学，主要体现在空间天 地球空间的卫星，组成了日地空 气（状态或事件）的监测、研 间的“大观测台计划”。国际上 究、建模、预报、效应、信息的 在着力发展空间探测的同时，也 1957年人造卫星上天，标 传输与处理、对人类活动的影响 十分注重地基观测。事实上，大 志着人类进入了空间时代。历经 以及空间天气的开发利用和服务 型国际合作计划“国际与日同在 其后短短50年的飞速发展，人类 等方面的集成，是多种学科（太 计划”和“日地系统空间气候和 对其生存环境有了全新的认识， 阳物理、空间物理、地球物理、 天气计划”中，地基观测是非常 即地球是处在从太阳发出的超声 大气物理、宇宙线物理、空间等 重要的组成部分。正是由于具有 速等离子体流和磁场的包围之中 离子体物理、磁流体力学、数值 “5C”（连续、方便、可控、可 的。地球的空间系统由大气层、 计算、图像处理等）与多种技术 信和便宜）的优越性，地基观测 电离层和磁层构成，它和太阳大 （信息技术、计算机技术、各种 既是空间环境监测的基础，也是 气、行星际介质一起构成相互耦 探测技术和成像技术、空间和地 空间探测计划的重要补充。由于 合的系统——日地系统。来自太 面技术系统与环境相互作用等） 要对空间环境进行全天时和整体 阳的能量、动量和质量输出的 的高度综合与交叉。 性监测，世界空间环境地面监 空间环境探测是空间天气 测正沿着多台站、网络式综合 研究的基础，没有探测，空间天 监测的方向迅速发展。加拿大 空间物理学是伴随人造卫星 气研究就成为无本之木，无源之 最近提出了地球空间监测计划 发射进入空间而迅速发展起来的 水，空间天气学研究对大量有效 （CGSM），包括了协调观测、数 一门新兴的、前沿的多学科交叉 的观测数据的需求不言而喻。半 据同化和模式研究等各个方面。 基础学科。它把日球作为一个系 个世纪以来，人类发射了数百颗 作为世界最先进的空间环境监测 统，研究太阳、太阳风与行星、 航天器用于空间物理探测，人们 国家，美国在众多的卫星探测计 彗星的上层大气、电离层、磁 发现了辐射带的存在，发现和证 划之外，也提出了先进模块化的 层、高能量粒子以及其它星际物 实了太阳风的存在，相继发现了 可移动雷达（AMISR）计划，通 质间的相互作用。人类特别关注 太阳风中激波、高速流、Alfven 过2007～2012年和2013～2016年 的是地面二三十公里以上直到太 波和各种磁流体间断面的存在。 两个阶段的研制与发展，为研究 阳大气这一广阔的日地空间环境 从90年代开始，人们将日地系统 迅速变化的高层大气以及观测空 中的基本物理过程，这是当代自 作为一个整体进行研究。由于人 间天气事件提供强有力的地面空 然科学最活跃的前沿学科之一。 类社会发展诸多领域如航天、通 间环境监测手段。在此基础上， 20世纪90年代末是空间物理走向 信、导航等高科技领域和国家安 美国宇航局针对空间探测计划建 “硬”科学时代的一个新的发展 全的强烈需求，空间物理和空间 立了一系列数据中心，美国国家 阶段，研究者强调科学与应用的 天气正迅速发展成为国际科技活 空间科学数据中心（NSSDC）是 密切结合，从而产生了一门专门 动的热点之一。人们逐渐认识到 美国空间探测计划长期的数据中 研究和预报空间环境中灾害性过 把日地系统整体作为一个有机因 心，也是美国宇航局空间科学数 程变化规律、减轻或防止空间灾 果链进行研究的重要性。目前美 据永久的存档库（http://nssdc. 害、为人类活动服务的空间环 国、欧洲、日本等航天大国既有 gsfc.nasa.gov）。 变化，制约着地球空间环境的形 成、结构和变化。 境、空间天气学科 8 [1-2] 。 监测和研究太阳活动的卫星，也 20世纪迅速发展起来的IT e-Science 2009年 APPLICATION e-Science 应用 技术（国际互联网、XML和网络 报等方面仍然存在许多需要改 范围交流协作的协同工作环境； 服务、高性能计算等）大大提升 进、完善的环节，所以他们在积 在e-Science基础设施支撑下， 了探测数据的共享和利用,分散 极发展自己的空间天气研究的同 科研人员组成跨学科、跨组织、 的数据由于网络观测台而虚拟集 时，广泛谋求国际合作。空间天 跨地域的虚拟研究团队，通过 成在一起。然而对数据的充分利 气的全球性和局域性的二重性决 远程实验观测、计算模拟、协 用、让数据转化为知识还需要模 定了空间天气研究的国际性。任 同工作等新的科研方法和手段 型和高性能计算的运用。空间天 何国家的探测卫星和地基设备所 开展科学研究活动，这就是科 气的建模具有重要的需求，主要 探测的空间对于广袤的空间而言 研活动的信息化或e-Science。 表现在以下几个方面：第一，任 都是非常有限的，没有一个国家 其中，分布式的、海量的科学 何探测卫星所探测的区域对于广 的卫星和地基探测设备可以覆盖 数据是e-Science的基础，与观 袤的空间而言都是非常有限的， 整个日地空间，这也是促成更有 察实验、理论分析鼎足而立的 如何利用有限的轨道探测设计出 效与更积极的国际合作的重要原 科学计算是e-Science的核心， 揭示重大物理过程和规律的空间 因，比如 “国际与日共存”计划 e-Science的基本特点是开放式 探测计划，建立在基本物理过程 (International Living With a 的科学研究、大范围的资源共享 基础上的空间模型是不可或缺的 Star简称ILWS)就是21世纪前20年 和广泛的协同合作，这意味着空 工具；第二，空间建模所提供的 最大规模的国际合作日地空间探 间天气学研究者将越来越多地通 空间环境的背景要素是进行航天 测计划，目前已有美、欧、俄、 过因特网等先进的信息化基础设 器空间环境防护辅助设计的重要 日、加拿大和中国等24个国家空 施开展研究工作，比如可以通过 依据，特别是对于以前航天器很 间局和两个国际空间学术组织加 高速网络完成极大规模的数据获 少涉足的空间区域；第三，空间 入，该计划旨在协调各国系统探 取、先进计算和可视化实现以及 建模还是人们从空间探测的有限 测从太阳到地球之间的各种空间 其他协同工作和科研管理。 区域数据中了解整个空间全貌和 活动。 2. 子午工程和e-Science 理解空间探测数据的重要手段。 空间天气学的多学科交叉、 然而日地系统的太阳日冕、行星 强烈依赖探测数据与超级计算及 际、地球空间（磁层、电离层和 其国际合作特征使得传统的小范 “十一五”国家重大科学基 中高层大气）的物理结构和动力 围、封闭式的科学研究方法和手 础设施项目——“东半球空间环 学过程的复杂性, 使得传统的理 段暴露出明显的不足，迫切需要 境地基监测子午链”（简称子午 论分析变得非常困难, 大规模计 e-Science 这个使得在空间天 工程）[4]有机融合了观测台站、网 算的数值模拟方法成为攻克这一 气学领域中实现全球性合作成为 络通信系统、数据和高性能计算 世界难题的最有效的途径。 可能的下一代基础设施。高性能 等多种e-Science的要素，是空间 空间天气学研究特点决定 计算资源、海量科学数据库、科 天气领域e-Science应用的典范。 其国际合作与交流的日益扩大， 学数字图书馆、野外观测台站、 这是一种需求互动的过程。美国 空间探测计划、大型科学装置、 和欧洲等空间强国尽管在空间天 计算模拟的软件工具等通过高速 空间环境系指地球表面 气的探测、研究和应用领域已经 的网络联接，组成e-Science的 20～30公里以上的中高层大气、 取得了实质性的重要进展，但在 基础设施与资源，实现资源的集 电离层、磁层、行星际空间和 空间天气探测、研究、建模、预 成与共享，形成支撑科研人员大 太阳大气。它是由太阳不断向 e-Science 总第五期 [3] 2.1 子午工程的建设思路和目标 9 技 术 e-Science 应用 e-Science APPLICATION 约4000公里，东西跨度约3500 公里）、监测方法和手段最全 （采用地磁（电）、无线电、 光学、探空火箭等多种综合监测 手段）、综合性最高（多学科交 叉）的空间环境地基监测子午 链。子午工程建成后将监测和研 究我国上空空间环境的区域性特 征和空间环境的全球变化规律， 为我国各类用户提供完整、连 续、可靠的多学科、多空间层次 的空间环境地基综合监测数据。 图1 子午工程台站分布图 外输出巨大的能量和物质与地球 链，对于了解近地空间环境的全 这将全面提升我国在日地关系这 相互作用形成。它的形态、结构 球结构的时间和空间变化规律具 一重大基础科学领域取得原创性 和变化主要受到太阳活动制约。 有重要的科学意义。 重大科研成果的能力，提高我国 此外，地球系统动力学过程，如 子午工程是对沿东半球 空间天气预报能力和服务水平， 地震过程和火山活动等，以及人 120°E子午线附近，利用北起漠 减少和避免灾害性空间天气对空 类的各种生产、空间和军事等活 河、经北京、武汉、南至海南并 间和地面高技术系统以及人类健 动也对地球空间环境施以重要影 延伸到南极中山站，以及东起上 康造成的破坏和损伤。 响。它是空间科学研究的主要空 海、经武汉、成都、西至拉萨的 间范围，也是现代人类航天、通 沿北纬30°N附近共15个综合性观 2.2 子午工程的建设方案和采用的 信和空间军事等高科技活动的重 测台站（台站分布图见图1）, 建 技术 要场所。 成一个以链为主、链网结合的， 子午工程的建设包括空间环 空间环境中的地球磁场线接 运用无线电、地磁、光学和探空 境监测系统、数据与通信系统、 近地球子午线的分布，太阳电磁 火箭等多种探测手段，连续监测 研究与预报系统三大系统，结构 辐射（可见光、X射线、紫外辐射 地球表面20～30公里以上到几百 框图如图2。 等）沿子午线的天顶角效应，以 公里的中高层大气、电离层和磁 空间环境监测系统按观测 及地球自转和绕日的公转效应， 层，以及十几个地球半径以外的 手段不同分为地磁（电）、无线 使地球空间环境具有随时间、随 行星际空间环境中的地磁场、电 电、光学和探空火箭四个分系 地域的全球三维结构。它们对磁 场、中高层大气的风场、密度、 统，由15个监测台站（共95台监 层结构、电离层结构、带电粒子 温度和成分，电离层、磁层和行 测仪器）组成。数据与通信系统 和等离子体输运过程等起重要的 星际空间中的有关参数，联合运 利用互联网将监测数据传送到子 调控作用，使许多基本的物理过 作的大型空间环境地基监测系 午工程数据中心，并对数据进行 程沿子午圈发生，随着地球的自 统。子午工程于2008年1月开始动 集中存储、加工和服务。研究与 转，子午圈上的空间环境将经历 工建设，预期3年完成建设。 预报系统将制定科学监测计划， 白天和黑夜的变化。因而沿地球 子午工程将建造一条目前 建立必要的空间天气预报模式， 的子午线经圈配置空间环境监测 世界上跨度最长（南北陆地跨度 并充分利用高性能计算条件，生 10 e-Science 2009年 APPLICATION e-Science 应用 技术和应用（基础网格技术和空 间天气物理和应用模式）。子午 工程的建设中的探测设备、数据 中心、高性能计算，都是通过互 联网而有机联系在一起，为广大 科研人员提供服务的研究与建模 虚拟平台由研究平台、建模平台 以及为虚拟平台服务的空间天气 基础网格组成[5-6]。 空间天气基础网格是基于互 联网的面向空间天气模式的虚拟计 算环境，可实现资源管理、数据动 态迁移、任务调度和服务部署等功 能，为科学家和广大用户提供一个 计算资源共享、建模信息交互的平 台，基于该平台实现远程使用高性 图2 子午工程的结构框图 能计算和调用空间天气探测数据或 模式产品并显示模式结果，它涵盖 几个方面的内容：（1）整合异构 高性能计算机的应用，为用户提供 安全的数据共享服务，提供透明的 高性能计算环境；（2）为用户提 供web化的计算服务；（3）为系统 管理员提供远程web化的用户管理 方式[7-10]。 子午工程专用高性能计算环 境是为空间天气物理模式计算需 要而设计的一套由128结点（双路 四核）的大规模并行计算机、大 容量存储系统、高速局域网组成 的高性能计算环境（含存储与可 视化），该设备总体架构包括： 图3 子午工程e-Science基本要素 成相应的空间天气产品。 2.３ 子午工程的e-Science要素 子午工程具备了e-Science的 e-Science 总第五期 硬件：结点服务器、存储、 各种基本要素（见图3），包括了 机群域网、基础架构等几大部 e-Science的基础设施（开放共享 分； 的科学探测设备、数据资源、网 软件：结点系统软件、机群 络通信资源、计算资源）、核心 系统软件、开发运行环境和应用 11 技 术 e-Science 应用 e-Science APPLICATION 软件四大部分。 输网络，以满足空间物理学科发 天气学研究的支撑水平及信息化 机群包括128个计算结点、1 展的需要，为该领域科学研究、 环境。其先进的网络使得研究 个管理结点、2个存储节点、1套 学术交流和国际合作提供良好环 者、科研与探测工具和信息连接 独立光纤存储设备、1套系统域 境。数据与通信系统是一个开放 在一起（示意图见图4），消除了 网、1套管理域网和完备的基础 的、基于标准的统一应用平台， 地域、时间、团队和学科领域的 架构。机群是一个有机的、高性 能够实现信息交换和资源共享。 壁垒，这将极大改变和拓展传统 能、高可靠性的系统。系统的硬 该平台支撑数据、语音和视频业 的研究方法，推进空间天气学发 件都选用经过严格测试的主流产 务，为逐步实现视频、语音、数 展，为探索灾害性空间天气过程 品，保证系统的可靠性；互联系 据的“三网合一”奠定基础，同 物理规律的国际前沿研究和形成 统各组件的网络都是专用的高效 时平台具有完善的信息安全体系 空间天气连锁过程的整体性理论 网，通过机群核心的管理系统使 和相应的备份机制。 框架提供强有力的支撑，将实现 得整个系统协调一致地运行，如 子午工程可谓有机融合了观 空间天气基础研究成果向应用的 同单独的一台高性能计算机一样 测台站、网络通信系统、数据和高 转化，并初步建立以物理预报为 为用户提供统一的服务。该机群 性能计算等多种e-Science要素， 基础的综合预报方法，为航天、 系统预计每秒LINPACK理论峰值达 并通过e-Science的各种基本要素 通信、导航等高科技领域的发展 9.8万亿次，按2008年中国超级计 来实现其科学与应用目标, 是空间 以及需要提供相关的科学基础。 算机100强估算可以位列TOP100的 天气领域e-Science应用的典范。 [11] 第22名 4. 展望 。 子午工程数据中心隶属于 数据与通信系统，数据与通信系 3. 子午工程e-Science预期 效果 统旨在建立与国际接轨的空间数 随着探测、网络、计算等技 术的发展，以网络为依托的空间 据共享与通信平台，构成具有世 子午工程e-Science各要素 界先进水平的现代化高效信息传 的有效应用将极大提升我国空间 天气e-Science应用将会呈现以下 几个特点： 图4 子午工程e-Science流程示意图 12 e-Science 2009年 APPLICATION 1）探测的领域不断扩大。 为了进一步满足空间天气的 2）探测的数据呈数量级 增长。 e-Science 应用 气时间到达地球空间的时间应在 半个小时内完成，而现实的子午 精细和全球范围的监测需求，建议 目前子午工程数据估计达 工程其计算能力完成一个事件的 在“十二五”实施的子午工程二期 到每日10GB。随着观测手段的丰 计算需要几个小时。随着高性能 将在子午工程为骨干的地基监测链 富，探测领域的不断扩大，太 计算技术的发展，实时预警的要 的基础上向经、纬方向延拓，形成 阳、行星际、磁层、电离层等卫 求可望实现。 “井”字形的地基监测网。国际空 星观测数据被纳入到空间天气数 间天气子午圈计划将通过国际合 据中心，国际合作交流的数据不 作，充分利用国外资源，向北延伸 断增加，预计空间天气的探测数 至俄罗斯，向南经过东南亚有关国 据将呈数量级增长。 家以及澳大利亚等，并和西半球 60°附近的子午链构成第一个、也 3）高性能计算将发挥更大 作用。 4）虚拟研究平台将越来越 完善。 目前子午工程的空间天气 基础网格还只是一个起步，随着 e-Science及其应用技术的进步， 包含了互联网络、超级计算和数 是唯一一个环绕地球一周的空间环 目前有关空间天气的物理模 据处理等信息化科研手段的虚拟 境监测子午圈。地基探测和天基探 式，其运行速度还未达到实时预 研究平台将对我国和世界空间科 测相互配合，构成天地一体化空间 警的要求，即从行星际日地引力 学研究活动发挥越来越大的支撑 天气监测系统。 平衡点（L1）卫星观测的空间天 作用。 参考文献： [1] 王赤.空间物理和空间天气探测与研究.中国工程科 [6] 黄朝晖,王赤,胡友秋,郭孝城.灾害性空间天气数值预 学,2008,6. 报模式的初步应用开发.第十一届全国日地空间物理学 [2] 冯学尚.空间天气学——21世纪的新兴学科.世界科技 术讨论会论文集,2005. 研究与发展,2000,2. 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