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子午工程

子午工程

子午工程由中国科学家在1993年提出，是中国空间天气领域的国家重大科技基础设施，以中国科学院国家空间科学中心为项目的法人单位，来自中国科学院、教育部、中国气象局、工业和信息化部、中国地震局、自然资源部等8个部委的15家单位共同参加建设。

子午工程一期于2008年开工建设，2012年建成。工程沿东经120°、北纬30°布局15个综合性台站，形成“东半球空间环境地基综合监测子午链”。一期工程以链为主、链网结合，可连续监测地球表面20~30公里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磁场、电场、大气风速、密度、温度、成分、太阳风速度等空间环境参数。子午工程二期于2019年开工建设，在一期工程的基础上，新增16个台站，形成沿东经100°、120°、北纬40°、30°“井”字型布局的31个台站、近300台（套）监测设备组成的空间环境监测网络。工程由空间环境监测系统、数据通信系统和科学应用系统组成。2021年6月23日，“子午工程”二期内蒙古四子王旗台站启动建设。2022年11月13日，全球规模最大太阳射电成像装置——子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜在甘孜州稻城县主体完工，将对太阳活动进行监测，为能源、通讯等基础实施的安全运行提供预警和保障。2025年3月21日，子午工程二期顺利通过国家验收。

子午工程荣获2023年度中国科学院重大科技基础设施运行评比二等奖。

建设背景

为减轻和防止灾害性空间天气对经济社会发展、国防建设和航天事业等带来的巨大损失，和平利用外层空间，各国纷纷把空间环境的综合监测作为关系国家安全的战略性、前瞻性和基础性科学领域进行部署。中国社会正面临全面实现现代化，实现中华民族伟大复兴的历史重任，空间天气研究对中国空间科学发展具有重要科学意义和现实应用意义，对空间天气进行天地一体化的立体综合监测与研究已成为一种紧迫的国家需求。

中国幅员辽阔，纬度跨度50度，经度跨度60度，适宜布设各种大尺度观测台网，地面观测系统有相当大的优势。中国在沿东经120 子午线附近，北起漠河市、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、西至拉萨的沿北纬30 线附近已布有15个空间环境监测台站，如果能在此基础上建成一个以链为主、链网结合的，联合运作的、配置先进的大型“地基监测系统”，综合运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20公里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，会为中国独立自主地进行空间环境监测和保障体系奠定重要的地面观测基础。同时，可通过与国际上西半球60 链的合作，构成绕地球一周的空间环境地基监测子午圈，随地球自转可获得空间环境的三维结构及其全球变化特征，对造福人类的空间天气学做出中国应有的重大贡献。

历史沿革

子午工程最初的构想始于1993年。1995年，中国科学院、信息产业部、教育部、中国地震局、国家海洋局联合正式向国家提出建设子午工程的建议。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。2005-2007年，国家发展和改革委员会先后批复子午工程项目建议书、可行性研究报告和初步设计，将子午工程列入国家“十一五”重大科技基础设施项目。2008年1月5日，子午工程正式开工建设，工程总投资1.672亿元，建设期为2008年1月-2011年1月，工期3年。

子午工程一期于2008年开工建设，2012年建成。工程沿东经120°、北纬30°布局15个综合性台站，形成“东半球空间环境地基综合监测子午链”。一期工程以链为主、链网结合，主要覆盖我国东部地区。工程综合运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种监测手段，可连续监测地球表面20~30公里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磁场、电场、大气风速、密度、温度、成分、太阳风速度等空间环境参数。子午工程二期于2019年开工建设，在一期工程的基础上，新增16个台站，形成沿东经100°、120°、北纬40°、30°“井”字型布局的31个台站、近300台（套）监测设备组成的空间环境监测网络。工程由空间环境监测系统、数据通信系统和科学应用系统组成。

2021年6月23日，空间环境地基综合监测网(即“子午工程”二期)位于内蒙古的四子王旗台站正式开工建设，于2023年完成基本建设。2022年6月29日，四川省甘孜州稻城县境内，国家重大科技基础设施空间环境地基综合监测网（子午工程二期），在进行紧张的设备安装，预计2022年底完成天线安装调试工作。2022年11月13日，全球规模最大太阳射电成像装置——子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜在甘孜州稻城县主体完工，将对太阳活动进行监测，为能源、通讯等基础实施的安全运行提供预警和保障。2023年1月，国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网（子午工程二期）”新建设备光谱成像日冕仪顺利通过工艺测试，并成功获得首批日冕观测图像，标志着中国自主研制的首台常态化运行地基日冕仪正式建成。

2025年3月21日，子午工程二期顺利通过国家验收，与子午工程一期组成了世界最大的空间环境地基综合监测网，会显著提升中国空间天气预报预警能力。子午工程二期通过国家验收，标志着子午工程从建设阶段正式进入到科学运行的阶段，中国空间环境地基监测能力跃居世界领先地位。

建设单位

子午工程由中国科学院牵头，教育部、工业与信息化产业部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等七部委下属的12个单位共同建设。中国科学院空间科学与应用研究中心担任项目法人，负责组织12个共建单位参加工程建设，签署子午工程数据共享协议。子午工程建设完成之后将组建“国家空间天气科学中心”，负责子午链的运行管理和发展，使之成为资源充分开放共享的国家公共科研平台。

建设目标

科学目标

通过从太阳大气到近地空间全链条、全国覆盖、高时空分辨的监测，探索空间天气事件的传播、演化和影响我国空间环境的路径和规律；揭示我国不同区域上空的空间环境的变化特征和差异，以及青藏高原和南海等特殊区域空间环境变化的精细过程；研究我国特殊地质和地理条件下，固体地球、低层大气和近地空间环境的耦合过程。

应用目标

提供中国地区全域覆盖的、高时空分辨的、实时的空间环境地基监测数据，为我国航天器发射和在轨运行以及南海等区域的通信导航保障服务提供科学支撑；构建自主的空间天气预报模式，实现我国空间天气建模与预报能力的跨跃发展；拓展空间环境地基监测数据的应用范围，促进相关交叉学科的发展。

工程内容

“子午工程”沿东经120°子午线附近，利用北起漠河市、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、西至拉萨的沿北纬30°线附近现有的15个监测台站，建成一个以链为主、链网结合的，综合运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20公里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。

监测内容

综合运用无线电、地磁、光学和探空火箭等多种探测手段，子午工程可以连续监测地球表面20—30公里以上直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参数。

1、地表：地磁场、电场、宇宙线强度；

2、中高层大气：风、密度、温度、成份、气溶胶、波动、太阳辐射等；

3、电离层：电子和离子的浓度、温度、运动、频高图、不均匀结构等；

4、磁层：密度；

5、行星际：太阳风等离子体速度。

监测数据

截至2023年12月26日，子午工程检测预处理数据14095，入库产品47720个，分发产品115536个，服务用户246个，下载产品449042个。

技术特点

子午工程的15个观测台共部署了87台监测设备，包括地磁设备、地电设备、光学设备、无线电设备等。除了测量地磁场、地电场和大气电场的设备外，子午工程部署的其余监测设备均采用遥感探测方式实现对高空物理参量的测量，从而使子午工程的探测范围大大拓展，从20~110千米高度的中高层大气、60~1000千米高度的电离层，扩展至7万千米高度以上的行星际空间。子午工程涉及了非相干散射雷达技术、高频相干雷达技术、中高层大气激光雷达技术、行星际闪烁探测技术、全天空干涉成像技术，以及通信和数据传输及处理技术等多项前沿关键技术。

三大系统

空间环境监测

空间环境监测系统采用地磁、无线电、光学等手段，对我国上空的电离层、中高层大气、地磁形成网络化的监测能力（“三网”）；在极区高纬、北方中纬、海南（南方）低纬、青藏高原4个重点区域建设国际先进的大型监测设备，开展对空间环境的精细“显微”探测（“四聚焦”）；建设一系列先进的太阳-行星际监测设备，形成对日地空间全链条的监测能力（“一链”）。“一链、三网、四聚焦”的架构首次从地面实现对日地空间环境全圈层、多要素综合的立体式探测。

数据与通信

为实现监测网络的科学高效运行、多学科综合监测数据的集成融合，促进重大科研应用成果的产出，子午工程二期还在中科院国家空间科学中心怀柔园区建设子午工程综合信息与运控中心，部署数据通信系统完成数据实时汇集、加工和分发服务，以及科学应用系统完成科学运行管理、空间环境预报服务以及空间环境监测数据应用和研究等任务，形成针对自主科学研究、保障空间环境预报以及促进学科交叉应用的五十余种综合产品，提升空间天气数据融合和模式研发能力，推动我国在日地空间天气领域取得原创性成果。

科学应用系统

本系统由科学运行分系统、研究建模分系统和预报服务分系统构成。科学运行分系统包括科学运行办公室、国际合作办公室、多功能演示厅、学术活动厅；研究建模分系统包括研究与建模虚拟平台（研究平台、建模平台）和专用高性能计算平台；预报服务分系统包括民用预报服务平台等。

研究成果

优秀成果

2018年中科院地质与地球物理研究所乐新安等人等基于武汉电离层测高仪长达70年的观测，利用人工神经网络方法对临界频率和峰值高度进行建模，然后分析残差，得到武汉站临频和峰高平均的长期变化趋势。进一步利用真实CO2和地磁场驱动NCAR-TIEGCM模型对同一时间进行了模拟，并通过控制模拟的方式对CO2增加和地磁场变化造成武汉地区电离层长期变化趋势的相对重要性进行了研究，结果表明：对峰高而言，二者相对贡献可比拟，但对临频来说，地磁场变化效果更重要；二者造成的长期趋势具有不同的周日变化特征。武汉大学陈罡等人利用子午工程北京数字测高仪及中国电波传播研究所的斜向探测网络，对中纬地区午夜前后夜间增强现象对纬度的依赖特性进行了观测分析，发现午夜前后电子密度增强对纬度具有相反的依赖性，并分析了引起此现象的物理机制：午夜前增强主要是由赤道方向传播的重力波以大尺度行进式电离层扰动对电离层进行相应的调制引起的；午夜后增强则主要是由于夜晚出现的西向电场导致的向下 E×B 漂移作用，对等离子体电离层产生的cross-L压缩作用导致的。中国科学技术大学雷久侯等人利用子午工程电离层测高仪、GNSS-TEC等多种数据和数值模拟对2017年9月磁暴亚洲-澳洲扇区响应进行了研究，结果发现一个持续6天的长时间白天TEC增强的独特事件：持续显著的TEC 增强发生在磁暴恢复相期间。与TIEGCM模型结果相比，其并不能完全解释这种持续的白天 TEC 增强现象，特别是恢复相期间的特征。这表明多天的 TEC 增强除了与磁暴有关还可能与低层大气活动有关。该系列的三项成果均已在JGR发表。

2019年12月，中巴空间天气联合实验室的J. Moro博士等人利用子午工程武汉台站(30.5ºN, 114.4ºE, dip=46º)和巴西南大西洋异常区Santa Maria台站(29.7ºS, 53.7ºW, dip=-38º)的电离层探测数据开展了比较研究。重点比较了电离层各个物理参量（foE, foF2, hmF2, 和 B0）在南北两半球、地磁异常区和非异常区的差异。研究发现南大西洋异常区的电离层比北半球同等条件的电离层具有更大的变化特性。这一研究对于加深对南大西洋异常区对空间天气影响的认识具有重要意义。该项成果已在JGR-Space Physics上发表。

2021年，空间环境地基综合监测网（子午工程）建设团队成员—中国科学技术大学地球和空间科学学院、中科院近地空间环境重点实验室薛向辉教授研究团队，利用子午工程空间环境地基台站的电离层数字测高仪数据和GNSS无线电掩星数据，首次发现大气金属离子层（电离层突发E层，Es层）从冬季半球向夏季半球的子午输运过程，解释了长期未解决的电离层Es层随季节变化的原因和形成机制。该研究工作被欧洲地球科学联合会（EGU）和期刊选为亮点研究，并展示在EGU官网首页（https://www.egu.eu/）。

2022年2月，空间环境地基综合监测网（子午工程二期）建设团队成员—山东大学空间科学研究院刘晶教授团队利用子午工程观测数据、全球卫星导航系统、欧洲非相干散射雷达网、覆盖南北极区的超级双子极光雷达网、电离层卫星和月球轨道卫星等的观测数据对2017年9月6日发生的X9.3级强耀斑事件展开系统研究。将这些数据联合分析，可获得日侧太阳风磁层相互作用、全球磁层-极区电离层大尺度对流、沿磁力线的场向电流和全球电离层电子密度等多参量、多区域的对应参数分布。同时，结合大型数值模式：高时空分辨率磁层-电离层-热层理论模型（LTR）的数值模拟，再现了观测到的由耀斑触发的磁层-电离层耦合系统的变化，首次揭示了太阳耀斑对磁层的影响。