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1929年9月出生于山东昌乐。1955年毕业于南京大学气象学系。1961年获中国科学院地球物理研究所副博士学位。现任中国科学院空间科学与应用研究中心研究员、中国地球物理学会常务理事兼地磁和高空物理委员会主任，中国与欧洲空间局空间科学合作的中方首席科学家、中国Cluster科学数据研究中心主任，欧空局c1uster科学数据系统指导委员会委员，国际地磁学和高空物理学协会（IAGA）中国委员会主席。1995年当选为中国科学院院士。
长期从事近地层大气物理、高空大气物理、行星际物理和磁层物理研究。早在1975年，他提出了太阳风－磁层－电离层－高层大气藕合的概念。他在磁层物理的若干前沿领域，如地球辐射带，太阳风湍流结构，太阳风能量向磁层中的传输，木星磁层模式，磁层亚暴过程，极光粒子加速机制和磁场重联等研究中，取得了创新性研究成果。80年代初，率先在我国开展木星磁层研究，提出新的木星磁盘模式。在A.J.Dess1er主编的《木星磁层物理》一书中，此模式被称为“刘氏模式”。1985年他冲破磁重联的传统观念，首次创造性地提出流体涡旋诱发磁场重联的新机制，建立了系统的涡旋诱发重联理论，为研究磁场重联开辟了一个新的途径。
在国内外科学刊物上发表论文160余篇，合作编著书六部；曾获1993年中国科学院自然科学奖一等奖，1995年国家自然科学奖三等奖，2000年国际Vikram Sarabbai奖，2001年何梁何利科学进步奖，2001年国家自然科学奖二等奖；2001年获欧洲空间局（ESA）对Cluster II作出杰出贡献奖，2004年获美国航空航天局（NASA）Cluster计划团队贡献奖，2004年度当选全国十大创新英才，2005年获欧洲空间局对Cluster地球空间做出突出贡献奖。1995年当选为中国科学院院士。2016年3月23日3时45分在北京逝世，享年86岁。 | 
