千百年来，人们就知道狂风暴雨、洪涝这些地球上的恶劣天气变化会给人类的生活和生产活动带来灾害。自20世纪50年代人造卫星上天，空间科学近半个世纪的发展使人类认识到在地球20～30千米之上，甚至千万千米的空间，由于太阳爆发活动，如太阳耀斑和太阳物质抛射这类巨大能量（114×1021焦/秒）、物质（315×109千克/秒）突然释放现象，放出的电磁辐射带电粒子以及超音速运动的太阳风暴吹过地球，会引起地球高空的结构、密度、温度、运动状态、电磁状态、通讯条件、光学特性、带电粒子分布等发生急剧变化，常常出现灾害性空间天气，给空间和地面的高科技系统，如航天、通讯、导航、资源、电力系统等带来严重损伤和破坏，甚至危及人类的健康和生命。人们把空间环境的这种短期变化或突发性事件形象地称为空间天气事件。
空间天气学的主要内容包括以下几个方面：空间天气的多学科、多手段的综合监测；空间天气变化规律的研究，特别是空间灾害性天气事件的过程、模式和预报方法研究；空间天气的预报，特别是对造成航天、通信、导航等高科技系统严重损伤的空间灾害性天气事件进行预报；空间天气服务，特别为空间和地面的诸多技术系统的工程设计、效应分析、损伤与异常的诊断、运行的安全与决策等提供服务。它的科学目标是了解空间灾害性天气变化规律，应用目标是为发展高科技和国防现代化提供服务和技术基础。
卫星及大部分空间飞行器的运行区域是地球大气层以上的电离层、磁层及行星际空间。这些空间区域并不是完全的“真空”，而是“充满”着大量的等离子体（一种处于电离状态的粒子气体）、高能粒子、微流星体、尘埃、空间碎片、中性原子和电磁射线等物质。空间飞行器就是运行在这样的空间环境中。这些物质对航天器有一定的作用，其作用形式及效应与这些物质的分布状态及运动状态有极大的关系。对空间环境中各种物质分布状态及运动状态的描述及对这些状态变化规律的研究就是空间天气学的基本内容。空间环境对空间飞行器正常运行的重大干扰则是“空间灾害性天气”的一部分。
航天器系统受到空间环境影响产生的主要问题包括：微米尺度的颗粒撞击航天器系统，造成系统结构的破坏；由于高能带电粒子引起的单粒子翻转事件；由于污染及辐射造成材料性能的恶化；电介质的击穿、空间系统的强静电、等离子体紊乱造成电磁波的折射与散射，以及对空间系统探测器的干扰等。加拿大通信卫星出现故障主要是由于高能电子引发的深层充电所造成的。国内、外诸多在轨运行卫星发生异常/故障的分析结果表明，由空间环境因素引发的故障占总故障的40%。
随着卫星技术的发展，航天器上的仪器越来越精密、探测器越来越灵敏、太阳能电池板越来越轻。这些新技术的采用使空间飞行器对空间环境效应越来越敏感，特别是对辐射及静电带电效应。另外，小卫星技术的广泛采用，在飞行器的研制中正在逐渐加大对商业器件的使用。而这些商业器件大多未经特殊加固处理，容易受到空间环境中粒子的损坏。德国在1997年12月发射的科学实验卫星，原先的设计寿命为一年。发射后卫星运行了近5个月的时间就彻底地毁坏，不能继续完成其科学探测使命。很多科学家都认为这颗卫星的提前终结，是由于卫星研制周期过短，经费紧张，很多防护措施不够，以致于卫星在空间环境中各种不利效应的作用下失效。虽然这种事例并不常见，但损失却是非常惨重的。空间环境效应对空间飞行器造成局部或部分时段的工作异常，其损失也是难以估量的。例如空间碎片、微流星可能造成太阳能电池板局部区域的击穿，从而降低电能的供应。宇宙线可能造成飞行器上的微电子器件的单粒子翻转事件，产生错误指令，或使内存锁定。日冕爆发产生的高能粒子及电磁辐射会对航天器造成电磁干扰。辐射带中的高能粒子会造成航天器结构材料的性能恶化，对宇航员可能造成辐射损伤。空间环境中高能等离子体会引起航天器带电，一方面干扰飞行器上各种科学探测仪器的工作，另一方面还会造成飞行器上电介质放电击穿。另外，飞行器的带电会使飞行器表面吸附飞行器喷出的推进剂，造成卫星表面的污染。低能等离子体则会造成飞行器的电流泄漏，增加无用功耗。同时，低能等离子体还可能在飞行器表面沉积，对某光学仪器的镜头造成污染或改变其光学性能。空间环境中的中性原子氧则会对飞行器的材料造成表面腐蚀。
空间中微米尺度的微粒撞到航天器时，具有足够的动能破坏航天器上的一敏感部件，如太阳能电池板的玻璃防护层。微粒撞击航天器时所施放出的能量，足以在航天器的局部表面产生高密度的中性原子和等离子体团，并对航天器上的某些传感器、天线产生干扰。非常高能的带电粒子能在航天器电子学器件中沉积足够的电荷量，干扰集成器件的记忆状态，产生伪信号，这就是单粒子翻转事件。单粒子翻转事件本身并不发生硬件损伤，是状态可以恢复的“软”错误。但它导致航天器控制系统的逻辑状态紊乱时就可能发生灾难性后果。很多遥感卫星的粒子探测器也会受到高能粒子的干扰。这种干扰有两层意思，其一是高能粒子直接通过粒子探测器；其二是高能粒子产生的次级辐射。带电粒子能量虽不能造成航天器上部件及材料的永久损坏，但这些带电粒子在航天器各部分的长期积累也会威胁航天器上某些系统的功能。一个最明显的例子就是这些具有一定能量的带电粒子在太阳能电池板上的积累会逐渐降低太阳能电池板的效率。另外，较高能量的电子在非良导体材料中形成的电荷积累有可能导致电介质的放电击穿，同时产生电磁干扰脉冲及材料的损坏。英国/美国联合研制卫星就是由于这种电荷积累效应而发生问题的。
除了高能粒子、等离子体，即便是空间中剩余的中性大气也会引起航天器表面氧化，侵蚀表面，或在表面形成污染层。针对这些由于空间环境造成的航天器故障，如果能事先知道可能发生故障的轨道区域及发生的时间，则可以通过一些技术措施避免这些故障的发生。
目前，由于监测手段的缺乏以及对空间天气过程物理机制的了解不够，空间天气的预报能力还十分有限，气象保障主要集中于30千米以下，对30千米以上的空间保障缺乏有效手段。发展中国空间天气监测预测的理论和技术，研究太阳风暴及其对日地空间环境的影响，研究太阳活动对地球环境变化、天气气候灾害、人类空间活动、卫星和飞船运行、通信、健康、生命的影响，对国家安全有重要意义。
国家空间天气中心的目标是建设具有先进水平的国家空间天气业务技术体系，建成空间观测和地面综合观测相结合的立体观测系统、空间天气预报预警系统、空间天气信息服务系统，发展具有支撑空间天气业务的科学研究与技术开发能力，形成以国家空间天气中心为主体，多层次、多部门共同协作的空间天气业务体系。
9.4气象灾害防御
人类从诞生起就生存在大气之中，冷、热、干、湿、风、云、雨、雪、霜、雾、雷、电等天气现象伴随着人类。各种天气变化无常，老天“高兴”时，会给人们送来舒适的生存环境；老天“发怒”时，则会给人们带来痛苦甚至是巨大的灾难。作为自然灾害中最常见的原生灾害，中国气象灾害呈现种类繁多、分布地域广、发生频率高的特点，严重影响经济社会发展和人民群众的生产生活，每年造成的直接经济损失占国内生产总值的1%～3%，占国内生产总值增加值的10%以上。因此，了解气象灾害及其危害性，正确认识气象灾害的发生发展规律，并做到预测预防气象灾害，已经成为现代社会广泛关注的生存和环境问题。
9.4.1气象灾害的特征
就中国而言，气象灾害的特征有以下几点：
种类多。主要有热带气旋（台风）、暴雨洪涝、干旱、低温霜冻等冻害、雷电风雹、连阴雨和浓雾及沙尘暴等其他灾害共7大类20余种，如果细分可达数十种甚至上百种。
范围广。一年四季都可出现气象灾害。中国70%以上的国土、50%以上的人口以及80%的工农业生产地区和城市，每年不同程度受到气象灾害的冲击和影响。
频率高。在1950～2011年的61年内每年都出现旱、涝和台风等多种灾害。东部沿海地区平均每年约有7个热带气旋登陆，最多年份高达12个。局地性和区域性干旱灾害几乎每年都会出现。夏季广东、广西沿海、江西东北部等地雨涝发生频率达50%以上。
持续时间长。同一种灾害常常连季、连年出现。如华北常出现春夏连旱或伏秋连旱，华南常出现冬春连旱。长江和珠江中下游等地连续两年发生洪涝的情况也很常见。
群发性突出。某些灾害往往在同一时段内发生在许多地区，如雷雨、冰雹、大风、龙卷风等强对流性天气在每年3～5月常有群发现象。
连锁反应显著。气象灾害往往能造成或诱发洪水、泥石流、植物病虫害等自然灾害，产生连锁反应。
灾情重。1991～2011年，中国平均每年因各类气象灾害造成3973人死亡，近4亿人次受灾，农作物受灾面积4840万公顷，直接经济损失2000余亿元。
9.4.2气象灾害的成因
造成气象灾害发生的原因是多方面的，归纳起来，主要是自然因素与人类活动和社会经济因素两大类。就自然因素而言，最为根本的是大气环流和天气过程的异常。对于中国而言，主要自然影响因素有亚洲季风、青藏高原、厄尔尼诺和南方涛动事件及环流系统的异常。除自然因素外，人类活动也是气象灾害发生的重要因素之一。随着社会的发展、文明的进步，人类活动的影响已经不再是局部性问题，温室效应、环境污染等已经对天气、气候及极端事件产生影响，并导致了全球气候变化。主要表现为：人口的不断增长带来巨大的资源和环境压力；人类活动影响土地利用，造成环境恶化，引发多种灾害；人类活动影响全球变暖，导致一系列气象灾害的发生；热岛效应造成城市灾害等。
随着全球气候的变化，极端天气气候事件发生的概率进一步增大，气象灾害的突发性、反常性和不可预见性日益突出，地区和时间分布不断扩大。部分陆地区域强降水发生频率上升，更大范围地区发生强度更强、持续时间更长的干旱，热带气旋（台风）强度增大，雾、霾、酸雨等极端气候环境事件呈增多增强趋势，热昼、热夜、热浪更为频繁。
9.4.3气象灾害的影响
回顾中国历史上出现的比较严重的气象灾害，干旱、暴雨洪涝以及热带气旋（台风）是中国最为常见、危害程度最为严重的灾害种类。其中，干旱是影响面最大，也是损失最为严重的一类灾害。暴雨洪涝灾害是仅次于旱灾的气象灾害。此外，雷击、冰雹、雪灾、雾灾、沙尘暴、霜冻等也是经常发生的危害较大的气象灾害。
干旱：据统计，中国农作物平均每年受旱面积达3亿多亩，成灾面积达1.2亿亩，每年因旱减产平均达100亿～150亿千克，每年由于缺水造成的经济损失达2000亿元。目前，全国420多个城市存在干旱缺水问题，缺水比较严重的城市有110个。
暴雨：长江流域是暴雨、洪涝灾害的多发地区，其中两湖盆地和长江三角洲地区受灾尤为频繁。1983年、1988年、1991年、1998年、1999年、2008年、2010年等都发生过严重的暴雨洪涝灾害。
热带气旋（台风）：造成的损失年平均在百亿元人民币以上，像2004年在浙江登陆的“云娜”，一次造成的损失就超过百亿元人民币。
风雹：中国风雹灾害发生的地域很广，据统计，农业因风雹受灾面积的重灾年达9900多万亩（1993年），轻灾年也有5600多万亩（1994年）。