空间天气如何影响现代基础设施?哈工大(深圳)团队综述灾害风险、经济损失与政策响应

此前，团队已以英国高压电网为例，开展了极端地磁暴下电网脆弱性与宏观经济损失的定量研究，评估了不同强度空间天气事件对英国变电站失效概率、供电中断和GDP损失的影响。该研究从具体案例出发，展示了空间天气风险如何通过电网系统传导至宏观经济（Yuan, D.,et al. (2025). Science China Technological Sciences 68, 1980601.推文链接：空间天气风暴的社会经济风险量化研究——以英国电网为例）。本综述则在此基础上进一步拓展视角，系统总结了空间天气影响电力系统及其经济后果的研究进展、评估方法与政策响应。

空间天气通常起源于太阳耀斑、日冕物质抛射等太阳活动。其中，日冕物质抛射携带大量磁化等离子体向行星际空间传播。当其到达地球附近并与地球磁层发生相互作用时，可能引发强烈地磁扰动，导致磁层和电离层电流体系发生快速变化。

图1: 空间天气对关键基础设施的影响路径。空间天气事件可影响卫星、通信、导航、航空和电力系统等现代技术基础设施。来源：Xue, D., et al .(2024). Space weather,22, e2024SW004055. 

图2: 从太阳活动到电力系统影响的因果链条。来源：NOAA/National Weather Service

综述指出，电力系统是连接空间天气物理过程与社会经济损失的关键环节。太阳活动本身并不会直接转化为经济损失，而是需要经过“太阳爆发—地磁扰动—地磁感应电流—电网运行异常—停电或供电受限—经济活动受损”这一连续影响链条。正是这一过程，使空间天气灾害不再只是空间物理问题，也成为关系关键基础设施安全、能源供应稳定和经济社会韧性的重要风险议题。

传统上，人们容易将空间天气风险理解为对变压器、输电线路等电力设备的直接损坏。但已有研究表明，在高度互联的现代经济系统中，停电引发的间接损失往往更加显著，其影响范围也可能远远超出电力系统本身。

电力是工业生产、交通运输、通信服务、商业活动和公共服务正常运行的基础。一旦供电中断，影响并不会停留在停电区域内部，而可能沿着产业链和供应链继续扩散。例如，一个地区的电力中断不仅会造成当地企业停产，还可能影响其上游原材料供应商和下游客户，并通过国内外贸易网络传导至更广泛区域。

团队此前开展的英国高压电网案例研究显示，电网扰动造成的经济影响会随着恢复过程在不同行业间动态演化。电力、零售、批发、建筑和燃气等部门可能表现出不同程度的失能和经济损失。这说明空间天气的经济影响并不是一个静态结果，而是与电网恢复速度、行业依赖关系、供应链结构以及关键部门的韧性密切相关。

图3: 英国高压电网在不同地磁暴情景下的行业失能程度与经济损失。（a）受影响最显著的五个工业部门在不同地磁暴情景下的动态失能过程；（b）不同强度地磁暴情景下的分行业经济损失。来源：Yuan, D., et al. (2025). Science China Technological Sciences 68, 1980601. 

因此，空间天气经济影响评估的核心，是将物理扰动转化为经济模型可以识别的“冲击”。在现有研究中，这一转化通常以电力中断作为主要入口。研究人员会根据地磁扰动强度、电网结构和系统脆弱性，估计可能的停电范围、停电时间和未供电量，再进一步评估这些电力中断如何影响工业生产、交通运输、商业活动、公共服务和供应链运行。

空间天气经济损失评估的难点在于，太阳活动、地磁扰动和地磁感应电流等物理过程，并不能直接对应为经济损失。研究人员通常需要先将这些物理扰动转化为电网运行层面的冲击，例如可能受影响的变压器数量、负荷削减规模、停电范围、停电持续时间和恢复过程，再进一步评估这些电力中断会对经济系统造成怎样的影响。

综述论文总结了当前国际上常用的几类评估方法。最直接的方法是失负荷价值方法，即 Value of Lost Load（VoLL）。该方法通常根据未供电量和单位电力中断损失来估算停电造成的直接经济损失，优点是计算过程相对简单、结果直观，适合评估短时间停电带来的直接损失。但它通常难以反映停电对供应链、跨区域贸易和长期经济恢复的影响。

为了刻画电力中断在不同行业之间的传导，研究中常使用投入产出模型（I–O）及其扩展方法。这类模型可以描述一个部门受损后如何通过上下游联系影响其他部门，从而估算间接经济损失。例如，当电力供应中断导致制造业停产时，其影响不仅局限于制造业本身，还可能进一步传导到原材料供应、交通运输、批发零售和服务业等相关部门。投入产出模型的优势在于能够揭示产业链之间的相互依赖关系，但其假设通常较为简化，例如生产关系固定、替代能力有限，因此对复杂经济系统的动态调整刻画仍然不足。

在此基础上，动态失能投入产出模型（DIIM）进一步引入了恢复过程，适合分析灾害发生后不同行业的失能程度如何随时间变化。对于空间天气事件而言，这一点尤其重要，因为经济损失不仅取决于停电范围，也取决于电网恢复速度、关键行业恢复顺序以及备用电源等韧性措施。DIIM 可以帮助识别恢复过程中受影响较大的行业，但其结果也对恢复时间、行业韧性参数和情景设定较为敏感。

如果研究对象涉及跨区域或跨国经济联系，多区域投入产出模型（MRIO）则可以进一步分析损失如何通过贸易和供应链在不同国家或地区之间传播。对于空间天气这类可能同时影响多个地区的全球性风险，MRIO 有助于理解国内损失和跨境间接损失之间的关系。不过，这类模型需要更详细的区域贸易和产业联系数据，结果也会受到数据分辨率和供应链替代假设的影响。

此外，部分研究还采用可计算一般均衡模型（CGE）评估更长期的经济调整和政策影响。与投入产出模型相比，CGE 模型可以考虑价格变化、部门替代、贸易调整和政策响应，因此更适合分析长期恢复、韧性投资和宏观经济政策情景。但这类模型对参数设定和市场调整假设依赖较强，模型结构也更复杂。

总体来看，不同方法并不是相互替代，而是适用于不同层次的问题：VoLL 更适合估算停电造成的直接损失，I–O 和 DIIM 更适合分析行业间传导和恢复过程，MRIO 可用于评估跨区域或跨国供应链影响，CGE 则适合讨论长期经济调整和政策响应。综述指出，未来空间天气经济损失评估需要进一步加强空间物理、电力工程和经济模型之间的衔接，尤其需要更加标准化的电网冲击情景、恢复过程数据和跨区域供应链数据，从而提高极端空间天气风险评估的可靠性。

除了经济损失评估方法，论文还系统梳理了空间天气风险治理和政策响应的国际进展。近年来，空间天气已逐渐从单纯的空间科学问题，进入关键基础设施安全、能源安全和国家风险治理的政策框架之中。多个国家和国际组织开始围绕监测预警、应急响应、电网防护和国际协同开展制度建设。

美国是较早将空间天气纳入国家风险管理体系的国家之一。2011 年，美国在国家防灾和风险评估框架中将空间天气列为重要自然灾害风险之一；随后，美国陆续发布国家空间天气战略和行动计划，并通过 PROSWIFT Act 等法律和政策文件，进一步明确 NASA、NOAA 等机构在空间天气观测、预报和协调中的职责。这些政策强调从科学监测走向实际应用，使空间天气预报能够更好服务于电力系统、通信系统、航空航天等关键部门。

在欧洲，欧盟将空间天气纳入空间态势感知体系，并在 EU Space Programme Regulation 中将其作为保护关键基础设施的重要组成部分。英国、德国、法国和意大利等欧洲国家也在各自的国家空间战略中纳入了空间天气相关内容，强调空间天气监测、预警服务、基础设施防护和跨部门协作。欧洲航天局也将空间天气作为重要任务方向，并推进相关观测任务和服务体系建设，以提高对太阳爆发和日冕物质抛射等事件的提前监测能力。

中国也在空间科学长期发展规划中将空间天气列为重要方向。《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050年）》将空间天气探测与预报作为重点研究内容之一，强调建设覆盖太阳活动、太阳风传播、地球空间环境响应和灾害效应的全链条监测与预报能力。这表明空间天气已经成为空间科学、深空探测、航天器安全和关键基础设施保护中的重要交叉议题。

除国家战略外，一些国家和机构还通过应急演练和韧性评估推动政策落地。例如，美国 NOAA、NASA、NSF 和 FEMA 等机构联合组织了端到端空间天气桌面推演，测试极端空间天气事件下关键基础设施部门的响应流程。澳大利亚开展了 “Exercise Aurora” 演练，模拟极端地磁暴对电力和通信系统的影响。加拿大皇家空军也在空间任务保障战略中将空间天气识别为影响空间资产安全的重要风险因素。这些行动说明，空间天气治理正在从“认识风险”逐步转向“演练响应”和“提升韧性”。

论文认为，未来空间天气风险治理不仅需要提高预报能力，也需要更加重视电力系统韧性和经济恢复能力。例如，提前识别高风险电网节点、优化极端事件后的恢复顺序、评估备用电源和电网防护措施的收益，都有助于降低空间天气事件带来的经济损失。已有研究表明，改进空间天气预报、优化电网运行方式、配置地磁感应电流阻断装置以及增强备用电源能力，都可能在降低停电范围、缩短恢复时间和减少经济损失方面发挥重要作用。

综述也指出，空间天气经济影响评估仍面临若干关键不确定性。首先，如何将地磁扰动准确转化为电网故障仍存在较大难度，变压器脆弱性、地质电导率、电网结构和局地地磁变化都会影响地磁感应电流的实际大小。其次，停电后的恢复过程、部门恢复速度和供应链替代能力仍缺乏高质量数据支撑。再次，跨区域和跨国供应链传播机制仍需要更标准化的数据和模型框架。

因此，未来研究需要进一步加强空间物理、电力工程和经济模型之间的耦合，建立更加标准化的数据体系和情景设计方法，从而提高极端空间天气风险评估的可靠性。总体来看，空间天气风险治理正在从单一的灾害预警，走向面向关键基础设施安全、经济韧性和太空资产安全的综合治理。

总体来看，该综述系统归纳了空间天气灾害从物理影响到电力系统风险、经济损失评估和政策响应的研究进展，为理解极端空间天气事件对现代技术基础设施和社会经济系统的潜在影响提供了综合性文献资料。该工作也有助于促进空间科学、电力工程、灾害风险管理和太空资产安全等交叉方向的发展，为未来开展关键基础设施风险评估、韧性投资分析和应急管理优化提供参考。

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