第一章  天文（含太阳活动）

天文因子（含太阳活动）是气候变化的外部强迫。地球气候在不同时空尺度上，受到了太阳等天文因子的影响（肖子牛等，2013）。天文因子通过辐射、能量粒子、磁场、轨道变化等多种途径，可以对地球气候系统产生直接和间接的影响（赵亮等，2011）。本部分针对以上可能的影响途径，收集了具有代表性的气候变化相关天文因子数据，相应地梳理了数据的性质内容、来源、获取方式、制作方法、质量和服务情况等，以期为提高中国气候变化领域天文科学数据建设能力提供参考。

中国天文数据主要来源于中国科学院下属各天文机构的地基观测站。其中，国家天文台数据中心规模最大，数据来源丰富。上海天文台、紫金山天文台、云南天文台和新疆天文台也有自己的天文数据归档与发布环境（张海龙等，2017）。中国自己的空间探测设备观测数据进展较为缓慢（甘为群等，2019）。目前多国的天文机构以虚拟天文台协议标准为基础，实现了天文数据的归档与发布。本部分的评估结果显示，总体上，中国天文数据相关指标在国际上处于较先进水平。这些数据目前服务于天文学、空间物理学、气候变化等科学前沿的研究和业务应用中，也服务于航空航天、国防军事等领域。早在20世纪60年代，中国科学家就已经开始使用与太阳活动有关的指标数据研究其与气候和大气环流的关系。卫星时代和信息时代以来，中国的天文科学数据经过长期积累，规模不断增长，应用领域日益广泛，在气候变化领域的应用越来越多。但是，由于天文数据建设管理的差异性、存储结构和共享方式不同、自主太阳探测卫星缺乏、学科交叉性强等方面原因，中国对天文因子数据库的建设总体上滞后，未来亟需加强能力建设、丰富内容和提高水平，尤其应加强天文因子对近代气候变化影响的认知和研究。在气候变化领域，天文数据的应用和挖掘还不够深入。在天文因子对近代气候变化影响方面，人类的认知水平也还不足以回答许多科学问题。天文科学数据的建设还需要提高。天文因子数据的建设及其在气候变化领域中的应用，对揭示气候变化规律至关重要。加强这一领域的工作，对准确认识气候变化、提高中国的气候变化适应能力具有重要的科学价值和现实意义。

一、科学数据情况

天文因子是驱动气候变化的重要自然强迫因子之一。在气候变化研究开展以来，天文因子作为自然强迫的重要因子被国内外学者关注和研究，并取得了丰富的成果。有些成果及其相关数据已经在业务工作中被应用。经相关文献的不完全统计，被应用到气候变化研究领域的天文因子在40种以上，在此，重点收集了被较广泛应用于气候变化研究的天文因子数据，包括太阳辐射、太阳黑子、太阳风、能量粒子、宇宙射线、太阳白斑、近地天体、地球自转速度、日长、极移、有效大气角动量、地球磁场、月球等离子体参数等数据，共18个数据集，其中，6个数据集来自国内，涉及国内外共12家科研单位，见表1–1和表1–2。这些数据已经过质量检验，较广泛地应用于气候变化、气象学、天文学等相关领域。

二、数据的质量情况

中国天文数据来自先进的观探测设备。数据相关指标在国际上处于较先进水平，但是，天文数据建设管理、存储结构、共享方式等方面需要优化。自主卫星探测及其数据分析需要加强。

1. 太阳射电频谱数据：中国科学院国家天文台明安图观测基地射电频谱仪（Fu et al., 2004; Fu et al., 1995）对太阳的逐日观测数据，时间分辨率为5毫秒、0.2秒。其中1.0～2.1吉赫频率范围的数据观测时段为1994～2010年（缺少2007～2008年）；2.6～3.8吉赫频率范围（姬慧荣等，2000；Ji et al., 2000）的数据观测时段为1996～2014年；5.2～7.6吉赫频率范围（Ji et al., 2003）的数据观测时段为1999～2014年。数据格式为天文FITS图元数据。观测对象为太阳的射电波段。数据已在国家天文台网站公开共享，网址http://sun.bao.ac.cn/SHDA_data/hsos_sbrs。自1994年建立第1台太阳射电频谱仪以来，中国的太阳射电频谱仪设备具有高时间分辨率（1～8 毫秒）、高频谱分辨率（1.37～20 兆赫）、高灵敏度（2%～5%宁静太阳射电辐射流量）和宽频带（0.7～7.6吉赫）的特点。相关技术指标在国际同类设备中处于领先地位（颜毅华等，2001；Fu et al., 2004；刘玉英等，2006；谭程明等，2011）。我国明安图射电频谱日像仪（Mingantu Spectral Radioheliograph, MUSER）是同时以高时间、高空间和高频率分辨率对太阳进行射电频谱成像的设备（卫守林等，2017）。

2. 太阳射电频谱天文数据库：紫金山天文台太阳射电望远镜（即太阳射电频谱仪）是我国上世纪九十年代末开始采用的专业设备，记录了太阳活动产生的射电辐射。该仪器从低频到高频每隔10兆赫进行采样观测，采样的频率范围为4.5～7.49吉赫，共300个通道，完成一次采样的时间为5 毫秒。该数据集包含2002～2007年、2010～2013年的太阳射电频谱数据。2008～2009年的数据由于设备故障未存档（杨哲睿等，2016）。存档数据在被具体用于科学研究之前，通常要被定标成太阳标准流量（Lu et al., 2015）。频谱图上记录的微波辐射时间精细结构与太阳耀斑有着十分密切的关系，对于研究耀斑爆发过程中的粒子加速和辐射机制等物理过程有重要的意义（Tan et al., 2015; 谭程明等，2011; Ning et al., 2000）。

3. 太阳总辐射（TSI）重构数据：TSI重构数据是利用太阳黑子、太阳黑子面积、10.7厘米射电流量对TSI进行的重建（Zhao et al., 2012）。其中1874～1978年为重构数据，1979～2009年为观测数据。数据可以向作者申请获取（zj@bnu.edu.cn）。戈达德地球科学数据和信息服务中心的TSI数据集SOR3TSID包含由总辐照度监测仪（TIM）收集的总太阳辐照度（太阳常数），覆盖每日平均的全波长光谱，覆盖时间是2003年2月25日至2019年8月22日（Kopp, 2019）。另一类由达德地球科学数据和信息服务中心提供的太阳总辐射数据是TSIS_TSI_L3_06HR 数据产品。覆盖时间是2003年2月25日至2019年8月22日（Kopp, 2019）。

4. 耦合模式比较计划太阳强迫数据集：①这是太阳—气候国际工作组（SOLARIS-HEPPA）提供给耦合模式比较计划第六阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）的太阳强迫数据集（Matthes et al., 2017）。该国际工作组目的是阐明太阳对气候的影响。SOLARIS-HEPPA旨在为协调和讨论与太阳有关的研究提供一个平台，并提供相关数据驱动CMIP6模拟试验和平流层—对流层过程及其在气候中作用的项目中的化学—气候模型验证实验/化学—气候模型倡议（Chemistry-Climate Model Validation Activity/Chemistry-Climate Modle Initiative for Stratosphere-troposphere Processes And their Role in Climate, SPARC-CCMVal/CCMI）的初始化，同时促进和发起关于“自上而下”的太阳紫外线和“自下而上”的TSI机制以及高能粒子影响的详细研究。②变量包括太阳辐射强迫：太阳总辐射（TSI）、F10.7厘米太阳射电通量和太阳分光谱辐照度（SSI）。③能量粒子强迫：Ap、Kp、太阳质子引起的离子对发生率、银河宇宙射线引起的离子对发生率、中能电子引起的离子对发生率。④时间跨度：1850年1月1日至2299年12年31日。⑤数据格式：zipped netcdf （HDF5）files。⑥这套数据与CMIP5有较大不同：第一，新的、较低的TSI值：1 361.005 瓦/平方米（Mamajek et al.,2015）。第二，时变太阳强迫提供在一个文件里，从1850～2300年每日以及每月分辨率分开。第三，粒子强迫（由于质子、中能电子和银河宇宙射线）包括在逐日分辨率文件中。

5. 太阳黑子数和太阳周期长度数据：①太阳黑子数和太阳黑子周期长度数据是世界数据中心比利时皇家天文台太阳影响数据分析中心（SIDC of the Royal Observatory of Belgium, World Data Center, WDC-SILSO, http://ssnworkshop.wikia.com/wiki/Home）提供的太阳黑子数相关数据。它是被国际普遍应用的太阳黑子数据，被广泛应用于天文、空间物理和地球物理等许多领域（Clette et al., 2014; Clette et al., 2016; Clette et al., 2016; Chapman et al., 1992; Chapman et al., 1994）。②数据描述：用一个简单的算术平均值计算每年所有天的每日太阳黑子总数，得到年平均太阳黑子总数。（注意：在早期，特别是1749年以前，平均值只计算每年的一小部分日子，因为在许多日期，没有可用的观测值）。值为–1表示没有可用的数字（缺失值）。③误差值：个别数据的每年标准差值是根据与月平均值相同的公式计算出来的。

6. 极移和日长数据：①国际地球自转服务组织（International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS）提供的极移、极移振幅和日长数据，综合了国际上多数台站的观测数据给出的，是相对精度最优、最完备、应用范围最广的地球自转参数资料（Vondrak et al., 1995; Vondrak et al., 2005; Vondrak et al., 2010）。②时间跨度：1847～2010年。③时间分辨率：年。 ④尺度数据时间分辨率：1846～1889年，0.1年；1890～2010年，0.05年。⑤该数据可在IERS网站（http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/index.php）获取。⑥周年项受到章动和地方季节因素的影响，1962年以后的数据精度：0.000 1弧秒，也就是5×10–10 rad。

7. 地球磁场模型数据与古代地磁数据库：国际地磁参考场（International Geomagnetic Reference Field, IGRF）是全球模型，为地球上的任何位置提供磁场值，通常用于航行目的（赤纬）或作为航磁测量核心场减法的标准。IAGA每5年更新一次。模型、软件和在线计算器由地磁场建模工作组（Geomagnetic Field Modelling, V-MOD）提供。磁指数描述了外部磁场的活动水平。IAGA认可的指数遵循第五分部DAT工作组（Working Group DAT of Division V, V-DAT）定义的严格质量标准。它们由国际地磁指数服务局（International Service of Geomagnetic Indices, ISGI）传播，并由ISGI合作研究所推广。IAGA认可的新指数的采用是根据IAGA指数认可的指数标准进行的（Thébault et al., 2015）。古代地磁数据库PALEOMAGIA是全球前寒武纪古地磁方向数据的数据库。除了方向和极点，它还包括同位素年龄参考和可用的原始物质的链接，并允许以各种格式方便地输出数据。PALEOMAGIA由芬兰赫尔辛基大学主办（Pisarevsky, 2005）。

8. 月球等离子体数据库：月球等离子体（主要为月球上的太阳风）（NSSDCA ID: PSPA-00417）数据集于2006年12月由NASA空间科学数据协调档案处（Space Science Data Coordinated Archive, NSSDCA）从原始二进制数据集PSFP-00117重新格式化，作为月球数据恢复项目的一部分。该数据集包含阿波罗12号的月球表面试验包（Apollo Lunar Surface Experiments Package, ALSEP）中每小时平均等离子体的参数（Neugebauer et al., 1972）。

三、数据服务状况

天文因子作为气候变化的重要外强迫，其科学数据在气候变化研究开展以来就服务于该领域。目前，我国的天文科学数据被应用在国际气候变化相关组织、世界气象组织、国内各级气象部门和气候变化评估机构、国内外数据共享信息中心、航天部门、天文台、空间天气科研和业务部门、相关科研院所和大学、古气候研究机构等，也被广泛应用在相关评估报告和公报、咨询报告、科学论文、科普书籍和网站中，在科学研究、空间探测、政策决策、防灾减灾、科学知识传播中发挥了重要作用。

1. 太阳射电频谱数据：太阳射电频谱数据在太阳物理研究和国际合作交流中发挥了重要作用。目前国外有俄罗斯，国内有南京大学、紫金山天文台和云南天文台对观测数据的需求量比较大。截至2011年，国内外直接利用观测数据研究的 SCI 论文达100余篇。

2. 太阳黑子数和太阳黑子周期长度数据：世界数据中心比利时皇家天文台太阳影响数据中心提供的太阳黑子数及其相关数据，已被广泛应用于天文、空间物理和地球物理等许多领域。

3. CMIP6太阳强迫数据集：国际工作组SOLARIS-HEPPA的太阳强迫和粒子强迫数据已经被CMIP6计划和平流层—对流层过程及其在气候中作用的项目中的化学—气候模型验证实验/化学—气候模型倡议（Chemistry-Climate Model Validation Activity/ Chemistry-Climate Modle Initiative for Stratosphere-troposphere Processes And their Role in Climate, SPARC-CCMVal/ CCMI）等作为数值模拟试验输入的必要参数数据。该国际工作组目的是阐明太阳对气候的影响，为协调和讨论与太阳有关的研究提供一个平台，促进和发起关于“自上而下”的太阳紫外线和“自下而上”的TSI机制以及高能粒子影响的详细研究。数据获取方式是公开的网站获取。

4. 极移和日长数据：国际地球自转服务组织（International Earth Rotation and Reference System Service, IERS）提供的极移、极移振幅和日长数据，广泛应用于天文等相关物理学领域研究，是公认的地转参数数据。

以上数据都是公开数据，涵盖了大部分天文方面的气候变化驱动因素。其中，NASA与国家地磁观测台提供的数据都需注册下载。

四、其他需要说明/评估的内容

太阳黑子（Sunspot Number, SSN）：是发生于太阳光球层的一种太阳活动，也是最容易观测到的缓变的太阳活动，同时观测历史也最早（可以追溯到器测时代之前约400年）。黑子区的温度比周围低（称为黑子的原因），其磁场比周围强。19世纪40年代发现太阳黑子活动周期约11年。之后的观测研究发现还有约80年或更长的周期（Clette et al., 2016; Foukal, 1981; Hudson et al., 1982）。黑子虽属缓变型活动，但是典型的较大黑子群附近经常有其他缓变型及爆发型活动出现，彼此关系密切。因此，太阳黑子作为反映太阳缓变型和爆发型活动的总水平的指标被广泛使用，并被许多学者用于研究太阳活动对地球环境的影响（Willson et al., 1981）。

太阳总辐照度（Total Solar Irradiance, TSI）：指距离太阳一个天文单位处，在以太阳中心为球心的球面上，单位时间通过单位面积的、全波段的电磁辐射能量之和（或者说是在地球大气层顶接收到的太阳总辐射照度）是地球气候系统的最主要的能源来源，也是太阳活动对地球气候影响中的一个重要量。

高能粒子沉降（Energetic Particle Precipitation, EPP）：在地球磁力线开放的极区，进入到地球大气的高能粒子沉降（EPP）可以直接与大气作用，改变大气的成分，从而调制大气中的臭氧含量。作为平流层主要热源的臭氧含量的改变，将影响到平流层的热平衡和大气环流。国际上关于极区高能粒子沉降特别是在剧烈空间天气事件期间的太阳质子事件（Solar proton event, SPE）对高纬地区臭氧含量的调制作用方面，开展了大量的研究。

银河宇宙线（Galactic Cosmic Rays, GCR）：银河宇宙线是55～60千米以下3～4千米以上大气的主要电离源。电离峰值距地面高度平均约15千米，且随纬度不同略有变化。银河宇宙线通过电离作用可以影响许多大气微观物理过程，并可能通过这些过程影响云量。太阳磁场对银河宇宙线具有屏蔽作用。太阳磁场变化可调制银河宇宙线通量，因而银河宇宙线通量与太阳黑子11年活动周期具有明显的负相关性。

参考文献

Chapman, G.A., A.D. Herzog and J.K. Lawrence, et al., 1992. Precise Ground-Based Solar Photometry and Variations of Total Irradiance. Journal of Geophysical Resarch-Space Physics, 97(6):8211～8219.

Chapman, G.A., A.M. Cookson and J.J. Dobias, 1994. Observations of Changes in the Bolometric Contrast of Sunspots. Astrophysical Journal, 432(1):403～408.

Clette, F., E.W. Cliver and L. Lefèvre, et al., 2016. Preface to Topical Issue: Recalibration of the Sunspot Number. Solar Physics, 291, (9～10):2479～2486.

Clette, F., L. Lefèvre, 2016. The New Sunspot Number: Assembling All Corrections. Solar Physics, 291(9～10):2629～2651.

Clette, F., L. Lefèvre and M. Cagnotti, et al., 2016. The Revised Brussels-Locarno Sunspot Number (1981～2015). Solar Physics, 291(9～10):2733～2761.

Clette, F., L. Svalgaard and J.M. Vaquero, et al., 2014. Revisiting the Sunspot Number: A 400-Year Perspective on the Solar Cycle. Space Science Reviews,186(1～4):35～103. 

Erwan, T., C.F. Christopher and D.B Ciarán, et al., International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation. Earth, Planets and Space,2015, 67:79.

Foukal, P., 1981. Magnetic Loops in the Suns Atmosphere. Sky and Telescope,62(6):547～550.

Fu, Q. J., H. R. Ji and Z. H. Qin, et al., 2004. A New Solar Broadband Radio Spectrometer (SBRS) in China. Solar Physics,222(1):167～173.

Fu, Q.J., Z.H. Qin and H.R. Ji, et al., 1995. A Broad-band Spectrometer for Decimeter and Microwave Radio-bursts. Solar Physics,160(1):97～103.

Greg K., 2019. TSIS TIM Level 3 Total Solar Irradiance 6-Hour Means V02, Greenbelt, MD, USA, Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center (GES DISC), doi: 10.5067/TSIS/TIM/DATA303. 

Hudson, H. S., S. Silva and M. Woodward, et al., 1982. The Effects of Sunspots on Solar Irradiance. Solar Physics,76(2):211～219.

Ji, H. R., Q.J. Fu and Y.Y. Liu, et al., 2000. A Ratio Spectrometer at 2.6～3.8GHz. Chinese Astronomy and Astrophysics, 24(3):387～393.

Ji, H.R., Q.J. Fu and Y.Y. Liu, et al., 2003. A Solar Radio Spectrometer at 5.2～7.6 Ghz. Solar Physics, 213(2):359～366.

King, J.H. and N.E. Papitashvili, 2005. Solar wind spatial scales in and comparisons of hourly Wind and ACE plasma and magnetic field data, J. Geophys. Res., 110, A02104.

Kopp, G., 2019. SORCE Level 3 Total Solar Irradiance Daily Means V018, Greenbelt, MD, USA, Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center (GES DISC), doi: 10.5067/D959YZ53XQ4C.

Lu, L., S. Liu and Q. Song, 2015. Calibration of Solar Radio Spectrometer of the Purple Mountain Observatory. Acta Astronomica Sinica,56(2):130～144.

Matthes, K., B. Funke and M.E. Anderson, et al., 2017. Solar Forcing for CMIP6 (v3.2).Geoscientific Model Development,10(6):2247～2302.

Neugebauer, M., C.W. Snyder and D.R. Clay, et al., 1972. Solar wind observations on the lunar surface with the Apollo-12 ALSEP, Planet. Space Sci., 20, 1577～1591.

Ning, Z., and Q. Fu. 2000. Solar radio radiation bursts on 1998 April 15. Publication of the Astronomical Society of Japan,52(5):919～924.

Pisarevsky, S., 2005. New Edition of the Global Paleomagnetic Database. EOS Transactions, AGU 86(17), 170.

Tan, C. M., Y.H. Yan and B.L. Tan et al., 2015. Study of calibration of solar radio spectrometers and the quiet-sun radio emission. Astrophysical Journal,808(1).

Vondrak J., C. Ron and V. Stefka, 2010. Earth orientation parameters based on EOC-4 astrometric catalog. Acta Geodynamica et Geomaterialia,7(3):245～251.

Vondrak J., R. Weber and C. Ron, 2005. Free Core Nutation: Direct Observations and Resonance Effects. Astronomy and Astrophysics,444(1):297～303. 

Vondrak, J., C. Ron and I. Pesek, et al., 1995. New Global Solution of Earth Orientation Parameters from Optical Astrometry in 1900～1990. Astronomy and Astrophysixa, 297(3):899～906.

Willson, R. C., S. Gulkis and M. Janssen, et al., 1981. Observations of Solar Irradiance Variability. Science,211(4438):700-702.

Zhao, J. and Y.B. Han, 2012. Sun’s total irradiance reconstruction based on multiple solar indices. Science China-Physics Mechanics Astronomy,55(1):179～186.

甘为群、颜毅华、黄宇：“2016～2030年我国空间太阳物理发展的若干思考”，《中国科学:物理学 力学 天文学》，2019年第5期。

姬慧荣、傅其骏、刘玉英等：“2.6～3.8GHz太阳射电动态频谱仪”，《天体物理学报》，2000年第2期。

刘玉英、傅其骏、颜毅华等：“太阳射电频谱仪超高时间分辨率观测的新结果”，《天文研究与技术》，2006年第2期。

谭程明、颜毅华、谭宝林等：“太阳射电频谱观测数据分析系统方案设计”，《天文研究与技术》，2011年第8期。

卫守林、刘鹏翔、王锋等：“基于Spark Streaming 的明安图射电频谱日像仪实时数据处理”，《天文研究与技术》，2017年第4期。

肖子牛、钟琦、尹志强等：“太阳活动年代际变化对现代气候影响的研究进展”，《地球科学进展》，2013年第12期。

颜毅华、谭程明、徐龙等：“太阳射电爆发的非线性相对定标方法与数据处理”，《中国科学（A辑）》，2001年第1期。

杨鉴初：“近年来国外关于太阳活动对大气环流和天气影响的研究”，《气象学报》，1962年第2期。

杨哲睿、宁宗军、卢磊等：“4.5～7.5 GHz太阳射电频谱观测数据集（2002～2013年）”，《中国科学数据（1卷）》，2016年第2期。

张海龙、冶鑫晨、李慧娟等：“天文数据检索与发布综述”，《天文研究与技术》，2017年第2期。

赵亮、徐影、王劲松等：“太阳活动对近百年气候变化的影响研究进展”，《气象科技进展》，2011年第4期。