科技政策与发展战略中国国家空间天气计划.docx
《科技政策与发展战略中国国家空间天气计划.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《科技政策与发展战略中国国家空间天气计划.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
科技政策与发展战略中国国家空间天气计划
科技政策与发展战略--中国国家空间天气计划
2004.3
中国国家空间天气计划
——香山科学会议第213次学术讨论会综述
2003年10月13～15日在北京香山召开了主题为“中国国家空间天气计划”的香山科学会议第213次学术讨论会。
会议邀请中科院国家天文台艾国祥院士、南京大学方成院士、中国科技大学王水院士和中科院国家天文台汪景王秀研究员担任执行主席。
会议议题为：
（1）国家对空间天气计划的战略需求；
（2）国内外空间天气研究进展和现状；（3）空间天气研究中的重大科学问题；（4）中国国家空间天气计划的基本目标。
一、科学背景
“空间天气”指的是太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层的状态。
它可以影响天基和地基技术系统的运行和可靠性，危及人类的健康和生命。
恶劣的空间环境会导致卫星运行、通信、导航等发生事故，造成社会经济损失，危害国家安全。
艾国祥院士指出，空间灾害性天气对于人类的高技术系统损害最大。
越是高技术系统，空间灾害性天气造成的影响越大。
如在空间飞行器、宇航员和飞行器上的科学仪器容易受到空间高能粒子的辐射伤害以及流星、空间碎片的伤害，全球卫星定位系统因为异常空间天气而导致定位精度发生严重偏差，无线电通信网络因为突发灾害事件而受到严重干扰等等。
空间天气现象是发生在日地空间的相互关联的自然现象。
当人类把自己的活动范围扩展至太空，并从太空获取资源和利益时，人类也逐渐认识到空间灾害天气的危害性，需要认清这类灾害天气的物理本质，预测其发生的时间、位置和强度，提前做好防护，减少或避免损失。
这就形成了一门新兴交叉科学——空间天气学。
空间天气学在美国、欧洲国家和日本受到广泛重视，其原因就是这些国家的高技术系统曾经受到过灾害性空间天气的影响，并造成了很大的损失。
为此，美国和欧盟都先后制订了自己的空间天气计划。
尤其是美国的国家空间天气计划是由商业部、国防部、国家科学基金会、国家航空航天局、能源部、交通部和内务部共同参与制订的。
这些部门派出自己的代表，组成一个国家空间天气计划委员会。
美国联邦政府派员担任该委员会主席，领导和协调各部门工作，制订了美国政府本世纪头20年的空间天气战略规划和执行计划。
2006年美国和欧盟的一些国家将开展空间天气常规预报。
会议期间恰逢我国神舟5号顺利升空，与会专家群情振奋。
大家一致认为，随着我国航天、通信、导航等高技术的突飞猛进发展，国家对空天安全保障的需求将日益紧迫，空间天气学研究和空间天气预报服务成为当代中国科技人员义不容辞的责任。
在此背景下，着手制订国家空间天气计划势在必行。
二、国家对空间天气计划的战略需求
艾国祥院士和汪景王秀研究员在“国家空间天气计划的战略目标和科学基础”的主题评述报告中，强调制订和实施中国国家空间天气计划，是当代中国科学家服务于国家和社会的义不容辞的责任，是我国新世纪前20年发展战略的一个基本要求。
空间天气所涉及的学科之广泛、内容之深刻和富有挑战性、与国家安全和经济发展联系之紧密，是其它科学领域难以比拟的。
必须在国家层面组织跨部门、跨学科的协调一致的力量，在未来几年内初步建立我国独立自主的空间天气研究和服务系统，为国防、航天、信息、资源、国家安全和国计民生做出实质性贡献。
信息产业部中国电波传播研究所吴健研究员在中心议题报告中全面分析了信息技术系统和航天技术系统对空间天气研究的需求。
他指出，空间环境对各种频率的通信系统和空间信息链路有重大影响，对卫星及星载仪器和宇航人员有极大危害，对空间飞行器的轨道和寿命产生直接影响。
据统计,1971年2月至1986年11月美国卫星出现的1589次异常事件中,70%与卫星所处的空间环境有关，空间环境直接诱发的异常事件占16.7%。
中国的卫星故障分析表明，在所有卫星故障中,空间环境诱发的故障约占40%。
中科院空间科学与应用研究中心龚建村研究员在分析了国家安全对空间天气研究的需求后指出，外层空间是维护国家安全必争的新制高点，空间环境是空间对抗和信息对抗的主要战场，空间环境信息的获取和应用能力直接影响未来战争的进程和结局，因此空间天气是有着十分重要的军事应用前景的研究领域。
中科院空间科学与应用研究中心魏奉思研究员在报告中详细阐明了空间天气的基本特征、空间天气研究的目标及其对天基和地基观测的需求。
在天基系统中要发射系列空间天气监测卫星；在地基系统中要沿不同经线和纬线建立综合监测网。
归纳起来，国家对于空间天气计划的战略需求为：
（1）国家经济发展需求
通信、航天（宇航员和飞行器）、卫星定位和导航、交通、能源、空间探测和资源开发、自然灾害预防等产业部门需要空间天气方面的信息，以确保经济活动安全，高效利用空间信息和资源。
（2）国家安全保障需求
军事通信、军事航天（宇航员和飞行器）、军事卫星定位和导航、战略和战术武器制导、战略和战役决策等更需要空间天气方面的信息，从而确保军事斗争取得胜利。
（3）人民群众日益增长的提高生活质量的需求
人民群众不仅关注地面天气预报还要关注空间天气预报，以保证高质量的生活和健康；
（4）空间天气学作为一个新兴交叉学科，其自身发展也有重大需求空间天气现象是一个包含多种物理过程的复杂自然现象，研究这一自然现象的奥秘是当代前沿科学领域之一。
三、国内外空间天气研究现状和进展
窦贤康研究员代表王水院士、北京大学肖佐教授详细介绍了近十几年来空间天气研究的进展情况。
自20世纪80年代以来，人们越来越认识到必须将日地系统作为一个整体来研究，才能深入了解各圈层的完整图像和物理过程、各圈层之间的耦合机制和传输过程，必须加强各国科学家之间的合作。
已实施了一系列国际性的合作研究计划，如90年代实施的日地物理计划（ISTP）和日地能量计划（STEP）等。
美国、欧盟、日本等发达国家或地区相继制订各自的空间天气计划，空间天气研究和预报服务受到各国政府和社会各界广泛关注。
一大批（超过30颗）与空间天气有关的科学实验卫星和空间环境监测卫星自90年代以来相继发射，其中最著名的有YOHKOH、SOHO、TRACE、RHESSI、ACE、TIMED、WIIND、CLUSTERII、GEOS系列等等。
这些卫星一方面为科学研究人员提供大量的宝贵研究数据，另一方面为空间天气预报服务提供可靠的实时监测数据。
美国、欧盟、中国、俄罗斯、日本、加拿大、澳大利亚、印度等国家已经组成了一个国际空间环境服务组织，划分十大警报区域，其中中国区域警报中心设在北京，日常工作由中国科学院国家天文台、空间科学应用与研究中心、地质与地球物理研究所和信息产业部电波传播研究所联合完成。
我国科技界也在20世纪后期开展了相应的工作。
1994年2月空间物理规划工作专家组提出了《中国空间物理发展规划建议》，在1996～2015年我国空间物理学发展设想中提出，在21世纪初“建立具有相当规模空间环境预报系统，进入国际预报系统并合作开展对全球的实时预报服务。
”此规划对我国空间物理探测、研究及应用都提出了许多有益的建议。
“七五”期间中国科学院组织了“22周太阳活动峰年日地系统整体行为研究”项目。
“八五”期间（1993～1997）与STEP相配合，我国开展了国家自然科学基金重大项目“日地系统能量传输过程的研究”。
“九五”期间（1999～2003）开展了国家自然科学基金重大项目“日地空间灾害性扰动过程及其对人类活动的影响”。
自然科学基金委员会地球科学部将“日地空间环境与空间天气”作为“十五”优先资助领域中的重要科学问题之一。
“十五”期间（2000～2005）国家重点基础研究发展规划（973）项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”已经取得阶段性成果。
“十五”期间国家高技术研究发展规划（863）增加了与空间环境预报有关的项目。
在空间环境探测方面我国发射了“实践”系列科学卫星，在“神舟”系列飞船上进行了与空间环境有关的搭载实验。
我国已经拥有独立的地基太阳活动监测网、地磁活动监测网和电离层活动监测网。
在南北极也有自己的观测站点。
这些地基监测网站都参与国际空间环境监测合作。
中国科学院国家天文台开展太阳活动预报研究，发布太阳活动预报；中国科学院空间科学与应用研究中心对空间环境、空间碎片等发布常规预报和专项预报，为我国载人航天工程作出了贡献；信息产业部中国电波传播研究所发布电离层骚扰预报。
四、空间天气研究中的重大科学问题
南京大学方成院士在他的主题发言中详细阐述了太阳大气、行星际空间、地磁层、电离层和中性大气层的相关关键科学问题。
方成院士指出：
“日地空间各区域中充满着等离子体和中性气体，其密度变化近20个量级，温度变化4个量级，磁场变化达7个量级。
等离子体中带电粒子之间及其与电场和磁场的耦合，激发不同类型的波和不稳定性，产生丰富和复杂的非线性现象。
日地耦合系统跨越物理性质不同的空间区域，是地面无法模拟的特殊实验室，是多种间断面、多种非线性和激变过程共存的复杂系统。
因此，空间天气学是多学科的交叉学科，涉及太阳物理、行星际物理、磁层物理、电离层物理、中高层大气物理、地球物理、等离子体物理以及非线性科学、信息科学、计算机科学等。
空间天气学中充满着自然科学的新问题，是有待探索的重大基础科学前沿。
为了了解空间天气过程中日地空间各圈层的特性及各圈层之间耦合作用，搞清太阳活动现象影响空间环境的物理机制，必须对空间天气中的重大科学问题开展深入研究，争取有所突破。
”
中国科学院国家天文台王华宁研究员在主题发言中详细介绍了空间天气预报的分类、方法、物理基础和未来发展趋势。
他认为，空间天气预报研究工作涉及多个研究部门，需要各有关部门通力合作，才能取得显著成效。
预报模式研究不等于物理模型研究，从物理模型转变为预报模式需要预报技术支撑并有相当长的历史数据积累。
我国目前在预报模式开发方面投入的人力物力还很少，急需在预报模式开发上提出整体部署。
中国科学院国家天文台李可军研究员、董士仑和张桂清副研究员、中科院武汉数学与物理所万卫星研究员、总参大气环境研究所张贵银高级工程师、中科院空间科学应用与研究中心朱光武研究员提出了一些具体建议。
主要有以下几点：
1.不仅要重视空间天气预报在军用和民用高技术系统安全保障方面的服务，还要注意空间天气预报对自然灾害预测的服务作用，如为旱、涝、地震等自然灾害预报提供空间环境参考因素；
2.预报研究创新需要从引入新预报因子和预报技术着手；
3.必须发展空间天气计量学，科学评价和规范空间天气预报服务；
4.要紧紧围绕用户对空间天气预报的需求，提供用户能够理解和使用的预报产品；
5.面向公众开展广泛的空间天气知识普及教育工作。
五、中国国家空间天气计划的基本目标
经过3天的热烈讨论，与会专家就中国国家空间天气计划的基本目标达成如下共识：
1．必须尽快组织国家层面的领导小组和专家委员会，落实中国国家空间天气计划的制订和实施。
2．应当在10～15年内建成我国独立自主的具有国际先进水平的军用和民用两个既相对独立、又密切协作的空间天气预报和服务体系，取得我国在空间和空间信息对抗中的优势地位，为国民经济和社会发展提供安全保障。
3．必须发展中国自己的天基和地基空间天气监测系统，特别是发展我国空间天气系列卫星，力争在10年内初步建立我国较为完善的空间天气监测系统。
在国际合作的大环境下，发射我国空间天气系列科学卫星，从根本上改善我国对太阳、太阳风、磁层、电离层和热层的空间天气的监测能力。
4．强化在国家空间天气计划目标下的基础研究，强调理解日地空间天气连锁过程（即因果链关系的）物理理论和模型的研究，发展对主要以物理为基础的各种预报模式的研究。
5．必须大力培养各类空间天气学人才，向公众普及空间天气知识。
6．加强国际合作十分重要，特别是要探讨进一步和欧空局合作的可能性。
（香山科学会议李增惠）
飞行和游动的生物力学与仿生技术
——香山科学会议第214次学术讨论会综述
2003年10月21～23日在北京香山举行了“飞行和游动的生物力学与仿生技术”为主题的香山科学会议第214次学术讨论会。
会议中心议题是：
（1）动物高效、高机动飞行的力学和生物学机理；
（2）鱼类游动高效推进和高机动性的机理；（3）飞行与游动的运动学和动力学实验测量技术；飞行和游动的仿生新概念及仿生技术。
童秉纲院士和崔尔杰院士担任会议执行主席。
来自高等院校、中国科学院和航天科技集团等有关研究单位的专家、学者以及有关部门的科技管理专家42人参加了会议。
鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年的进化过程，发展了各具特色的水中游动和空中飞行的非凡能力，其整体功能渐趋优化，为当今的人造航行器和飞行器望尘莫及。
20世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统、微电子和一体化技术有了迅速发展。
在此基础上，人们提出了微型飞行器、微小水下航行器等新概念，它们在未来国民经济建设和国家安全等方面将起到至关重要的作用，因此仿生研究在世界范围内正引起极大的关注。
为了发展微型飞行器和微小水下航行器，应寻求空气动力学和水动力学的新理论。
飞行和游动的生物力学和与之相关的仿生学是一门以流体力学为先导的交叉学科，涉及力学、生物学、机械学、材料学、控制理论、能源技术和先进制造等多个学科领域。
该学科的研究任务是：
从整体上研究这些生命机器运动规律的力学原理及其理论，包括神经控制、肌肉力学、生物材料性能、生物的形态及其运动模式（运动学）、推进和控制机制（生物外部流体力学）、能量转换及其效率（力能学）以及整体模化等。
飞行和游动的生物力学的研究意义是多方面的。
其一，生物学家需要了解飞行和游动的力学效应对生物的生理学、生态学、动物行为及进化的影响。
其二，工程技术专家需要利用仿生力学的研究成果改进人造机器；特别是仿生机器学（Biomimetics）正迅速崛起，亟需本学科的理论加以支撑。
近10年来，不同层次的机器鱼先是在国外制成，也将在国内面世；在国外，小型拍翼飞行器已有样机，据报道尺度小到3厘米的机器苍蝇正在试制之中。
国内该学科的研究工作在某些方面已形成优势和特色，在仿生技术研究和研制微型飞行器和机器鱼方面，也开展了大量研究工作。
童秉纲院士和陆夕云教授在主题评述报告中，对飞行和游动生物力学的任务和意义，对其重大科学问题和与仿生技术相关的重大需求进行了论述，并概要地介绍了与生物外部流体力学相关的科学问题，包括其研究主题、研究现状和我国现有的研究基础和特色。
他们提出，要研究和建立飞行和游动生物作为一类自主运动生命机器的力学设计概念及其运动链的系列理论；由于该运动链的末端表现为执行器官的运动与周围介质的相互作用，生物流体力学自然而然成为该学科的关键环节。
崔尔杰院士在主题评述报告中，基于微型飞行器的研究与发展现状分析了实用化面临的主要技术关键，重点讨论了低雷诺数空气动力学、高升阻比气动布局、智能控制等问题。
已有的经验和理论分析表明：
主尺度小于15厘米之后，用常规方法已经很难设计出具有良好飞行性能的微型飞行器，而必须采用仿生学方法。
该报告针对微型飞行器仿生学设计中的一些主要问题，包括高升力、高机动性、抗干扰稳定性、智能自主控制以及飞行过程的力能学分析等分别进行了讨论。
与会专家围绕飞行和游动的生物力学与仿生技术展开了交流和研讨，进一步明确了对飞行和游动的生物力学这一新兴的交叉学科以及相应的仿生技术的任务，需要从整体上研究这些生命机器的力学原理及其理论。
具体科学问题主要包括如下几方面：
1.动物飞行和游动的生物学基础研究，需要探索飞行和游动的力学效应与生物的生理学、生态学、动物行为及进化的相互影响；
2.生物流体力学，需要研究低雷诺数流动、非定常流、生物自主运动、柔性变形体运动；
3.生物运动力学，需要开展机动性、稳定性和自主控制研究等；
4.生物运动的力能学分析，需要研究生物体运动的高效、节能机制等；
5.仿生材料、仿生结构和优化设计；
6.仿生机构学和仿生机械学。
与会专家建议：
1.本学科的发展需要放在国家重要战略地位加以考虑；
2.针对重大科学问题，突出研究重点，着眼于原创性研究；
3.需要统筹兼顾，特别是跨部门、跨学科的协调，建立研究的国家队；
4.加强多学科的交叉渗透以及国内外学术交流和人才培养，特别是培养跨学科研究人才。
（香山科学会议杨炳忻）
巴西科学技术发展概述
胡智慧李宏姜涛李乃畅楚小瀛
随着知识经济时代的到来，发展科技成为世界各国经济持续发展的必由之路。
全球经济一体化的进程正在不断加快，市场开放对于发展中国家来说是为了顺应世界经济发展的潮流。
然而，面对发达工业国家雄厚的经济和技术竞争实力，发展中国家的选择只有两条：
一是发展依赖性经济，二是发展自主科技经济。
纵观巴西经济的发展历程，其中最明显的特征是：
充分利用外国资金和技术发展民族工业。
这种进口替代政策使巴西经济取得了迅速的发展，在无需进行大规模科研投入的情况下，国家直接从国外进口工业化所需的机械设备和技术，建立了以汽车工业为支柱的工业体系。
由于经济的不断发展，巴西逐步从传统的进口国变为出口国，出口产品开始对技术输出国的产品形成竞争。
随着发达工业国家对巴西技术输出条件和限制的不断增加，巴西原来的那种经济发展模式已经不适应知识经济时代的需要。
为摆脱技术对外的依赖，迎接国际竞争的新挑战，巴西政府选择了自主发展科技、重新振兴经济之路。
巴西2001年的科技经费比上年增长47.6%，创造了巴西科技经费投入的最高水平。
由于对科技投入的不断加大，巴西的科技发展已在拉美国家中处于领先地位。
目前，巴西在自动化与信息技术、小型飞机制造、汽车生产、水电工程技术、采矿、生物工程以及新材料等技术领域已具有较高的水平。
本报告主要对巴西的基础科学研究和高技术发展现状进行描述。
一、巴西的基础科学研究
1996～2000年，巴西科学家在SCI和SSCI期刊上发表了39180篇论文，其中最多的一类发表于农业科学期刊，其次是空间科学和物理学。
巴西的论文被引次数在所有领域（发表在SCI和SSCI论文超过100篇的领域）都低于世界平均水平。
但是，在空间科学、数学、地球科学和工程学方面相对较强（见表1）。
1.实验生物学领域
目前，从国际同行评议的论文来看，巴西实验生物学领域科研产出占整个国家科研产出的35%。
巴西大部分实验生物学研究工作由政府资助、在大学里进行。
私人、私立大学或者工业部门从事实验生物学研究的几乎没有。
本领域的研究和其他领域一样，在巴西全国是不平衡的。
实验生物学学会联合会调查显示，大多数研究者来自圣保罗州，占48%～56%，其次，分别是里约和圣埃斯皮里图（16%和24%），米纳斯吉拉斯和巴拉那（6%和4%），圣塔卡琳娜以及南里奥格兰德（5%和10%）。
表11996～2000年的巴西科学水平
领域
巴西论文占世界比例（%）
巴西的论文被引次数与
世界平均值之比（%）
农业科学
2.56
39
空间科学
1.95
75
物理学
1.80
71
植物和动物学
1.57
53
微生物学
1.54
53
药理学
1.35
56
数学
1.32
74
生物学和生物化学
1.25
35
分子生物学
1.19
24
生态学/环境科学
1.19
74
免疫学
1.10
55
化学
1.08
58
地球化学
1.00
80
材料科学
0.99
74
工程学
0.87
80
临床医学
0.80
59
神经系统科学
0.74
56
社会科学
0.69
57
计算机科学
0.57
65
心理学/精神病学
0.30
69
数据来源：
ISI数据库
（1）生物化学
现在的巴西生物化学起源于三大轴心：
一是所谓的Bioq-FAPESP项目，由圣保罗研究资助基金会（FAPESP）做出的在圣保罗州发展生物化学的决策；二是米纳斯吉拉斯大学，它拥有从事从基础到技术研究在内的庞大的研究队伍，从事生物化学的研究；三是由独立的研究机构承担生物化学的研究工作。
1967年巴西成立了生物化学学会。
21年之后，该学会改名为巴西生物化学和分子生物学学会（SBBq）。
目前该学会中聚集了大约500名固定人员，即有独立成果的研究员，还有将近1000名辅助人员。
该学会自成立以来，每年都定期举办年会。
在下列领域集中了最为活跃的生物化学研究组：
生物能学、通道与传导；高等真核细胞生物分子生物学；昆虫生物化学；营养生物化学；植物生物化学和植物分子生物学；病毒、细菌和原始真核细胞生物的生物化学和分子生物学；生物技术；新陈代谢控制；细胞发育和生长；生物化学教育；生化酶；醣类的结构和功能；蛋白质的结构和功能；免疫化学；疾病的生物化学；生物膜；神经化学；生物活性缩氨酸；自由氧基。
（2）生物物理
1946年，里约大学生物物理研究所的建立标志着巴西的生物物理学成为一门成熟的学科。
它最根本的作用在于组成了专业研究组，同时与圣保罗大学的生物物理研究组相结合，培训具备研究生资格的研究人员。
最初它所从事的研究集中在细胞兴奋性和膜传输等议题上。
除此而外，放射生物学是巴西生物物理学发展早期的另外一个分支领域。
当前，巴西生物物理学的代表领域仍然是上述方面，但同时扩展到其他议题，如大分子结构和分子建模，研究机构的数量也有增加，从事物理学研究的人员也开始对生物物理学感兴趣。
圣保罗大学、巴西物理研究中心、里约天主教大学和圣保罗州立大学的情况就是典型的例子。
国家科技发展委员会设有49个有关生物物理学研究的奖学金。
巴西生物物理学会的会员数目大约是200位。
ChagasFilho生物物理研究所（IBCC/UFRJ）和伯南布哥联邦大学生物物理系开设巴西仅有的生物物理学研究生课程，拥有大约250～300名学生。
本领域内的主要学术讲座和学术会议是实验生物学学会联合会的学术年会以及拉丁美洲生物物理学学会年度学术会议。
在巴西，本研究领域唯一的学术杂志是《巴西医学和生物学研究》。
（3）免疫学
1966年，隶属于世界卫生组织的TreinamentoePesquisas免疫研究中心成立，1970年机构调整并入Butant研究所，并提供全年度全日制课程，为免疫学人员的培训作出了重大贡献。
自那时开始，免疫学的各个分支领域得到发展，包括免疫寄生虫学、免疫滤过性微生物学、炎症学、移植理论、过敏研究、免疫化学、免疫病理学、以及免疫遗传学。
这些领域的研究中心有圣保罗大学以及Paulista医学学校（UNIFESP/EPM）、FundacoOswaldoCruz研究所、里约热内卢联邦大学和BahiaedoParaná大学等等。
涉及免疫学分支领域的研究生培养计划共有11个，其中有4个在圣保罗，2个在里约热内卢，1个在巴伊亚，1个在马拉尼昂，还有1个在巴西利亚。
巴西免疫学学会（SBI）创建于1972年，1986年加入实验生物学学会联合会（FeSBE），这个学会坚持参加联合会年会并自己举办学术会议。
它是国际免疫学会组织的成员，拥有1151名会员。
巴西国内的一些免疫学家与国外一些最著名的免疫学研究中心建立了合作联系，在这些合作中许多年轻的巴西学者接受博士和博士后训练。
这使我们可以据此预测巴西在这一领域增长的幅度和能力。
（4）神经系统科学与行为
神经系统科学的研究范围从构成神经系统的细胞到它们的组织方式、处理信息的过程，以及形态学、分子结构、神经中枢路径以及行为等等。
它是一门交叉学科，具有各种不同背景的研究人员在一起工作，包括生物学家、实验心理学家、神经生理学家、工程师、物理学家、药理学家、生物物理学家等等。
这一基础研究领域在巴西有明显的传统特色。
在20世纪40～50年代，至少有三件划时代的事件：
一是AristidesPachecoLeo和HissMartin
升级会员 