《SURVEYS IN GEOPHYSICS》：Physical Links Between Weather in Space and Weather in the Lower Atmosphere
识别在地球低层大气与地球空间（geospace，涵盖电离层、磁层及更远区域）之间向上和向下两个方向运作的耦合机制，是当前大气与空间科学界面临的最重大科学挑战之一。为应对这一挑战，研究人员于2022年11月在伯尔尼组织了一次题为“空间天气与低层大气天气之间的物理联系”的国际空间科学研究所（ISSI，International Space Science Institute）论坛。本文对该论坛的科学讨论、结论与建议进行了综合概述，主要面向空间科学界与大气科学界，同时识别出对业务服务、航天机构及其他利益相关方的影响。该论坛讨论了低层大气如何通过重力波（gravity waves）、大气潮汐（atmospheric tides）和行星波（planetary waves）、雷暴（thunderstorms）、化学传输（chemical transport）以及地震活动（seismic activity）影响上层大气；反之，太阳及空间现象如何影响低层大气的化学、动力学和气候。论坛还考虑了热层–电离层内部化学物种、动量与能量的再分配过程，其中来自上方与下方的强迫在此相互作用。基于上述分析，论坛识别出观测空白与新观测需求，特别是在低热层（约90至200 km）区域，以及建模方面的需求。需要强调的是，并非暗示全大气模式（whole-atmosphere models）缺乏完整的上层大气电动力学，而是需要加强中性动力学（neutral dynamics）、电离层电动力学（ionospheric electrodynamics）与磁层强迫（magnetospheric forcing）之间的定量耦合，并辅以系统的模型验证与数据同化（data assimilation）。为落实其建议，论坛强调需要开展协调一致的国际合作，将地球大气作为一个耦合系统加以理解。论坛特别强调在国际层面发展一个“伟大的电离层–热层–中间层（ITM，Ionosphere–Thermosphere–Mesosphere）观测台”的重要性，其被理解为一个互操作的框架，链接分布式天基与地基资产及模式，而非单一的物理观测台。最后，论坛强调空间科学家、气象学家与气候科学家之间更紧密合作的必要性，以及上层大气过程对于恰当应对空间可持续性（space sustainability）问题和理解空间天气与低层大气气候之间可能存在的联系的重要性。论坛的结论与建议促成了2024年1月在伯尔尼举行的题为“空间与低层大气天气和气候之间的物理联系”的国际空间科学研究所（ISSI）研讨会的组织。
**1. Introduction**
地球空间可定义为涵盖地球大气、地磁场以及它们与太阳辐射、太阳风强迫、日球层环境及宇宙射线相互作用的复杂系统。研究人员指出，在该系统内，社会日益依赖天基基础设施与服务的运行，包括航天器、卫星导航与通信系统、地球观测及其他天基服务；然而，目前对该系统的描述仍不完整且碎片化，缺乏关于其对自然和人为强迫的动态响应、不同强迫的相对重要性以及不同耦合过程时空尺度的关键知识。为取得进展，需要特别关注地球的“电离层与中间层–上层大气（IMUA，Ionosphere and Middle-Upper Atmosphere）”，该层也常被称为“电离层–热层–中间层（ITM，Ionosphere–Thermosphere–Mesosphere）”。IMUA（或ITM）是界面层，所有能量传输过程都在大气、地球空间与行星际空间之间发生，具体涉及太阳活动和行星际扰动、地磁场变化、低层大气波动、固体地球扰动、低层大气气候变化以及全球电路等源。理解这些跨宽空间尺度运行并连接地球空间各大气层的质量、动量与能量传输过程如何影响IMUA，构成了一项具有重大社会意义的重大科学挑战。本文对2022年11月14日至16日在瑞士伯尔尼国际空间科学研究所（ISSI）举行的论坛进行了简要概述，该论坛讨论了IMUA内垂直耦合过程的多样性。论坛讨论指出，迫切需要更多数据来量化低层、中间层与上层大气及空间之间向上和向下两个方向的传输过程；同时，讨论也促成了对在空间观测应用方面改进垂直耦合过程知识现状的建议。
**2. Coupling Mechanisms**
论坛首先根据广泛的文献综述，回顾了不同自然危害和变异源如何通过不同耦合机制传播至IMUA。这些耦合过程的时标从电磁传播机制的数秒到固体地球效应（如通过板块构造造成的海陆分布）的数亿年不等。论坛将耦合过程划分为三类：源自地球表面和/或低层大气并向上传播的源；源自太阳和行星际空间并通过磁层和电离层向下传播的源；以及在热层和电离层内水平重新分配化学物种、动量与能量的过程。
**2.1 Coupling of the Lower Atmosphere and Solid Earth to the Upper Atmosphere and Ionosphere**
论坛识别出低层大气和固体地球现象对IMUA影响的四类主要强迫机制，这些类别并非互斥，且相关传输通常同时涉及垂直和水平分量：其一，通过行星波、潮汐、声学/重力波等大气波谱向上传播的动力学/流体动力学耦合；其二，通过对流层/低层大气中雷暴活动驱动的全球大气电动力学耦合，即产生向上的放电并通过三维电离层电流闭合电流系统，包括水平电流和沿磁力线流动的场向电流；其三，通过对流层排放的温室气体向IMUA向上输送的化学强迫；其四，由地表、海洋和固体地球活动（如地震、海啸和火山喷发）产生的天然大振幅声学和重力波。在大多数情况下，中间层通过来自下方的各种过程在各种时标上受到影响，而中间层的变异进而通过中性风、密度和成分变化以及电离层电动力学条件影响热层–电离层。大气波提供了从下向上传输能量和动量最普遍的机制：由对流、地形、急流不平衡和其他气象过程产生的重力波可传播进入中间层和上层大气，并在其中通过选择性过滤和破碎沉积动量和能量；潮汐和行星波提供额外路径，并可调节重力波的传播条件和耗散；平流层突然增温（SSW，Sudden Stratospheric Warming）则提供了大尺度环流变化如何延伸进入热层和电离层的特别清晰的例子。论坛强调，对于涉及等离子体–中性耦合过程的所有类型机制，地磁场的空间分布都起着关键作用，因此专门讨论了地核发电机驱动的地磁场时间变化及其影响。
**2.2 Coupling from Interplanetary Space to the Upper and Lower Atmosphere**
论坛还讨论了来自上方（太阳和行星际空间）对上层和中间层大气的主要强迫驱动，这些在很大程度上控制着空间环境的天气。关于高能粒子强迫，不同能量范围的银河宇宙线（GCRs，Galactic Cosmic Rays）、太阳高能粒子（SEPs，Solar Energetic Particles）、等离子体片中的极光电子以及辐射带中的相对论电子直接影响上层和中间层大气；电子通量进入大气的时空变化高度可变，但这些变化目前测量和预报不足。关于太阳耀斑强迫，耀斑产生软X射线和极紫外（EUV，Extreme Ultraviolet）辐射的突然增强，约8分钟后到达地球，产生快速电离和热层响应；太阳高能粒子（SEPs）在太阳耀斑期间和日冕物质抛射（CME，Coronal Mass Ejection）驱动的激波处加速，可在数分钟至数小时内到达，并穿透磁层和大气，对电离和化学产生重要后果。关于化学效应，强电离源在中间层–低热层区域（约60至110 km之间）产生奇氮（NOx，odd nitrogen）和奇氢（HOx，odd hydrogen）；这些气体可催化消耗臭氧，其中HOx在中间层立即反应，而NOx在极夜黑暗中的寿命较长，可被向下输送到平流层主臭氧层；冬季极区提供了黑暗、极涡内部隔离以及向下的残余环流，从而促进了这种耦合，而粒子强迫已被证明与局地极区地表天气型相关，但具体路径尚未完全理解。关于太阳风–磁层耦合，太阳风携带行星际磁场（IMF，Interplanetary Magnetic Field），由质子和电子组成，其中少量重离子（<10%）；太阳风特性，特别是其速度、动压和磁场，控制着从行星际空间向地球磁层传输的能量量；当太阳风驱动由日冕物质抛射（CME）或高速流（HSS，High-Speed Streams）等大尺度结构驱动时，太阳活动驱动的能量传输特别强烈；磁重联是这一相互作用中的主导能量传输机制，而太阳风结构的磁场拓扑决定其地效性，即其产生磁层–电离层–热层系统快速大尺度变化以表征磁暴的能力。从太阳风向磁层腔传输的能量和动量通过三个主要汇区馈送：地球的磁尾、环电流以及热层/电离层，其中能量和动量在热层–电离层系统内部水平和垂直重新分配。
**2.3 Horizontal Redistribution of Chemical Species, Momentum and Energy in the Thermosphere and Ionosphere**
太阳驱动传输过程将动量、能量和化学物种沉积并在电离层和热层内部重新分配，包括跨磁纬和地方时的显著水平传输；研究人员在此将“水平再分配”用作描述性强调，而非与垂直耦合的严格分离，因为电离层电流、中性风、波和电动力学扰动本质上是三维的。全球电路系统由太阳风/磁层链驱动，通过三维电离层闭合，水平电离层电流在强磁活动期间扩展到中纬度和低纬度，产生强扰动。能量主要从磁层向电离层以三种形式沉积：通过粒子沉降的强能量粒子沉积、焦耳加热以及热层整体流的加速/减速；其中焦耳加热尤为重要，其时空变化由粒子沉降、电流以及沿地磁场线从磁层映射到电离层的电场控制；准确的焦耳加热评估需要知道电场、中性风以及Pedersen和Hall电离层电导的海拔剖面。非相干散射雷达（ISR，Incoherent Scatter Radar）观测已被广泛用于同时确定高纬度的等离子体漂移和中性风，这些观测强烈表明摩擦加热传输通常大于机械能传输，并显示在磁暴期间或之后等离子体与中性气体之间机械能传输的符号可能改变，即中性大气有时可作为能源而非汇。论坛指出，确定电离层与热层之间动量和能量传输的高度变化仍然是地球空间研究中最主要的开放问题之一。
**2.4 Longer-Term Processes**
论坛指出，上述所有过程都受到长时标变化调制，包括太阳输出的变化（包括约11年太阳活动周期）、由地核发电机驱动的数年至数十年及更长的地磁场长期变化、气候变化，以及与板块构造、大陆漂移和大冰盖范围变化相关的地球反照率和地表边界条件变化。在大多数与人类相关的时标上，模式研究和气候时间序列表明，太阳周期、地核发电机（地磁场长期变化）和低层大气气候驱动的变异在强迫机制对热层和电离层的影响中起主导作用。
**3. Current and Future Capabilities**
鉴于第2节确定的知识空白——特别是对低热层、中性风和波动强迫的不完整观测——论坛指出，实现垂直耦合科学理解需要测量和建模目标的达成极具挑战性，这要求对模型和观测进行协同利用，因为观测可约束和验证模型，而模型可提供时空完整的场以帮助解释稀疏观测。
**3.1 State of Modeling Capabilities**
热层–电离层通用环流模式（GCM，General Circulation Model）是描述整个大气动力学和能量学的核心部分。为纳入所有垂直和水平耦合过程，它们需要对太阳极紫外（EUV）辐射、磁活动以及低层大气的强迫进行准确说明；目前，F10.7（10.7 cm太阳射电流量）常被用作EUV的代理。模式开发的改进可通过对关键模式输出（温度、风、漂移、中性气体和等离子体中的密度）进行系统验证来增强，其中验证意味着模型预测与观测的定量比较，包括评估偏差、不确定性和逐次事件预报技巧。数据同化具有补充目的：观测可用于约束模式演变的状态并提供改进的初始或背景条件，填补观测空白，并支持临近预报和预报。在全大气建模中，特别需要加强中性动力学与电离层电动力学（包括磁场平行电流、电离层电场/对流、热层中性风以及焦耳和粒子沉降加热）之间的定量耦合。代表性全大气模式包括WACCM-X（Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere and ionosphere extension）和TIE-GCM（Thermosphere–Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model）的高分辨率发展，二者的持续开发体现了从孤立的热层–电离层模式向向下延伸到中间层的耦合描述转变。论坛强调，主要重力波（GW，Gravity Waves）在垂直传输能量和动量方面起重要作用，并由此引出若干关键问题：重力波在低热层中的命运如何？大气波动的多步垂直耦合（MSVC，Multi-Step Vertical Coupling）如何发生？重力波如何被潮汐调制？重力波如何调制一般环流？平流层以及中间层-热层的一般环流模式是否反馈或驱动对流层环流？论坛同时指出，需要足够观测数据来评估中间层大气的重力波，因为不同观测系统（如卫星传感器SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）或超压气球）在可观测波长方面分辨率有限，且总通量未知。
**3.2 State of Observational Capabilities**
论坛重点讨论了与耦合太阳–地球系统中能量传输相关的观测能力。关于太阳辐照度监测，电离层和热层天气由太阳极紫外（EUV）和X射线通量的变化驱动，而F10.7常被用作EUV变异的代理；地基系统（如全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）和超低频（VLF，Very Low Frequency）接收机网络）可检测由太阳耀斑引起的电离层电子密度快速变化。关于地基仪器，主要类型包括磁力计、电离层测高仪、宇宙噪声吸收计、GNSS接收机、相干散射雷达（CSR，Coherent Scatter Radar，如SuperDARN网络）以及非相干散射雷达（ISR，如EISCAT）；此外，光学仪器（相机、气辉光谱仪、Fabry–Perot干涉仪（FPI，Fabry–Perot Interferometer））提供中性风和温度的关键补充测量。磁力仪网络是数量最多的地基仪器，可提供Kp、Hp、Dst、AE、AU和AL指数；电离层测高仪提供峰值电子密度（foF2）测量；SuperDARN网络由接近40台CSR组成，提供电离层
E×
B漂移速度和跨极盖电位；过去10年有11台ISR在运行，可提供电子密度和温度、离子温度和速度测量。作为区域网络的极好例子，Nordic Observatory Collaboration（NOC）联合了芬兰、瑞典、挪威、斯瓦尔巴和俄罗斯科拉半岛运营的许多研究小组和观测台。在全球尺度上，International Meridian Circle Program（IMCP）项目由中国科学院（CAS）提出，旨在沿两条大圆部署和联合运行监测IMUA的仪器组合。在极纬度，AGATA（Antarctic Geospace and ATmosphere reseArc）科学研究计划等倡议推动了协调研究和数据共享。论坛确定了一系列需要维持的能力，包括太阳望远镜观测、连续重叠的太阳辐照度观测、日冕仪图像、L1太阳风观测、天基粒子通量和电磁场观测、地基和天基的场向电流、粒子沉降、磁偏、极光发射、电导和电场映射观测，以及热层与低层大气的耦合（波活动）观测。
**3.3 Synergies Between Research and Operational Services**
论坛指出，对电离层和中间层–上层大气状态和动态的增强知识将是宝贵的输入，支持依赖于天基基础设施和服务的空间天气服务，包括卫星运行、通信、导航、地球观测和电网技术；电离层和热层通过太阳极紫外（EUV）、磁层粒子沉降和焦耳加热的加热导致中性大气向上膨胀，通过增强阻力影响卫星和空间碎片轨道。为刺激研究与业务服务之间的协同作用，论坛建议：推进开放数据政策和分布式来源的临近实时数据传播；将观测及其不确定性整合到临近预报和分析中，以有效扩展观测稀疏量的空间覆盖范围；收集强风暴的临近实时数据和元数据集以进行事后处理和经验总结；开发概率预报方法，包括表征IMUA参数的气候学行为；开发用于预报目的的人工智能（AI，Artificial Intelligence）方法。
**4. Recommendations and Way Forward**
论坛制定了一套前进步骤，包括：从对科学主题及其社会影响的优缺点进行公正可靠的评估开始；定义一组描述IMUA平均状态及其所经历的来自上方（空间天气）和下方（大气天气和气候）扰动的关键参数；定义并实施实际行动，以激励全球协调观测运动和生产时间序列（包括过去和未来的）；开发实用计划，通过开放标准和可互操作的视觉化工具促进数据和模型在世界范围内的利用和共享；促进开放的跨部门合作，重点关注极低地球轨道（VLEO，Very Low Earth Orbit）区域的监测和管控；最终，在全球范围内设计和推广可互操作的“伟大的ITM（或IMUA）观测台”概念。
**4.2 Strengths, Opportunities, Aspirations and Results (SOAR)**
优势方面，社会可获得的回报是更好地理解地球与其环境的相互作用，从而发展为可预测性，带来更好的社会安全；更一致的数据视觉化方法将有利于学生、科学家和机构；跨学科合作可促进新技术的采用和概念从一个研究领域向另一个研究领域的转移。机遇方面，包括开发简单易用、长期的基本空间物理和大气变量（也可成为“基本空间气候变量”），以及从气象界向空间天气界转移资料同化和再分析方面的专业知识。愿景方面，包括为从地面到电离层的整层大气同时观测提供基础设施投资基础；确保部署地基仪器时互补而非竞争；支持开发基础设施和观测台，如EISCAT_3D、CAIRT（Changing Atmosphere Infra-Red Tomography Explorer）和ENLoTIS（ESA–NASA Lower Thermosphere–Ionosphere Science）；促进协调的ITM/IMUA科学计划；为全球IMUA观测系统部署协调观测系统；开发长期专注/系统科学思维；为国家和国际资助机构提供激励，以确保对长期观测、数据库、数值模式、视觉化工具和永久可持续人员的持续资助；开发“即插即用”的二维和三维视觉化工具。成果方面，论坛注意到在研究与来自上方（空间天气对中间层和低层大气天气的影响）和来自下方（低层大气天气对空间天气的影响）相关的强迫方面已取得良好进展，并鼓励这些联系在更广泛的视角中，由更多科学家和学科子领域参与进行分析。
**4.3 Toward “Key Parameters” of Vertical Coupling in the Atmosphere**
论坛指出，为实现理解大气中垂直耦合的总体目标，必须首先确定哪些物理参数需要系统测量，以定性定量地表征图1所示六种耦合过程或源对IMUA的影响。表1列出了从每个物理耦合过程，到其特征空间和时间尺度，再到待测量或建模的物理参数，以及可提供这些参数的主要观测技术或模式产品的简要描述。
**4.4 Stimulation of Co-ordinated Observations and Long-Term Time Series**
鉴于目前运营仪器的研究小组、资助机构和国家的数量，论坛指出，激励和协调长期联合观测并非易事，挑战不仅在于仪器的技术协调，还在于同意科学优先事项、规划联合观测、维持共同标准以及确保所需人员和资金。论坛建议：识别当前覆盖至少几个太阳周期的长期数据集及其持续的可能性；为负责数据库、数据托管、软件和质量控制的人员开发协作资金支持；评估使用现代工具重新处理历史数据集的可行性；鼓励数据发布格式和惯例遵循FAIR（Findable, Accessible, Interoperable, Reusable）原则；鼓励资助机构将数据管理、校准、软件维护和仪器维护视为基本研究基础设施。
**4.5 Development and Homogenisation of Integrated Data Environments, Modeling and Visualization**
论坛承认该领域活动正朝着正确方向发展，通过广泛采用数据和元数据标准以及通用应用程序接口（API，Application Programming Interface）在互操作性方面取得了显著进展，NetCDF（Network Common Data Form）文件和HAPI服务器等格式和服务日益允许多任务分析和更容易地访问异构数据集。论坛指出，视觉化只是有效耦合数据环境的一个组成部分，模型–数据集成同样重要，因为许多科学关注量无法持续或全球测量；资料同化将观测与模式背景相结合，产生系统状态的动态一致估计，而再分析可提供对过去的均匀重建。在电离层–热层研究中，这些方法日益用于改进系统指定和短期预报以及研究可预测性。
**4.6 Promotion of Open Inter-agency Collaboration**
论坛指出，低地球轨道（LEO，Low Earth Orbit）区域（约100至2000 km）包括特别重要的低层领域，极低地球轨道（VLEO）表示该范围的较低部分，通常在约450 km以下，过去20年卫星数量急剧增加，包括巨型星座的部署；航天器再入和消融将金属引入中间层和低热层，形成气溶胶，随后可下降到平流层，航天器来源的金属已在平流层气溶胶颗粒中被检测到，因此增加再入率因星座而增加，引起了对改变的气溶胶化学、潜在臭氧消耗和大气辐射平衡变化的环境关注。论坛强调，地面仪器和原位测量的组合已被用于空间科学，显著增强了可实现的科学结果，但在许多情况下，这种协调在很大程度上是计划外的，大多数 conjunction 是偶然发生的。
**4.7 Toward a Worldwide Great Ionosphere–Thermosphere–Mesosphere (ITM) Observatory**
论坛指出，应对这种跨学科交叉科学的全球研究——大气中垂直耦合过程需要跨机构和机构边界的协调，这种协调应朝着ITM连接的而非任务连接的协调方向发展。一个很好的例子是Inter-Agency Consultative Group（IACG），其中欧洲空间局（ESA）、俄罗斯航空航天局（Rosaviakosmos）和日本宇宙科学研究所（ISAS）促成了1986年哈雷彗星的多任务观测；随后IACG于1993年转向太阳-地球科学，促成了国际太阳-地球物理（ISTP，International Solar-Terrestrial Physics）计划。论坛提出的“ITM观测台”概念将许多必要元素汇集在一起，以整体理解ITM系统；尽管非必需，但该概念可大大受益于与机构战略任务的链接，例如NASA的DAPHNE（Dynamic Atmosphere–Ionosphere Explorer）任务和GDC（Geospace Dynamics Constellation）任务，二者共同指定了来自上方和下方的ITM系统输入，可充当战略“锚任务”。论坛强调，该概念应是国际性的，而非以某一机构为中心；欧洲的相关活动包括ESA和欧洲计划，亚洲的相关活动包括IMCP等中国牵头的努力；从欧洲角度看，问题不仅在于欧洲是否应开发完全独立的全大气模式，还在于欧洲模式能力如何为国际支持的社区模式做出贡献并受益。
**5. Summary and Outlook**
本文对2022年在瑞士伯尔尼国际空间科学研究所（ISSI）举行的论坛的科学理解和社区讨论进行了综合，解决了地球低层大气与地球空间（电离层、磁层及更远）之间的耦合机制，强调跨大气层的天气和气候现象的双向影响。论坛讨论解决了大气向上耦合、向下耦合、热层–电离层中的垂直再分配、建模需求以及大气波与气候的联系。本文基于2022年讨论，强调需要强大的协调一致的国际合作来将地球大气作为一个耦合系统加以理解，并倡导：开发全球“电离层–热层–中间层观测台”，整合天基和地基资产；投资长期、可互操作的数据基础设施；包含对上层大气变异与空间天气以及对流层天气和气候之间双向联系的最新理解；承认上层大气区域在全球气候变化和空间可持续性背景下的关键作用，尤其考虑到低地球轨道（LEO）中卫星数量和空间碎片的增加。论坛的结论与建议促成了2024年1月在伯尔尼举行的题为“空间与低层大气天气和气候之间的物理联系”的ISSI研讨会的组织，本文作为该论坛和后续研讨会成果的特刊导言发表。
