GRL：捕获暴时低纬白天电离层顶部的“活跃”不均匀体

电离层是地球高层大气中充满等离子体的区域，其密度分布并非均匀，而是存在各种尺度的起伏结构，被称为电离层不均匀体。这些结构会对穿过的无线电波造成散射与折射，直接影响卫星导航精度和短波通信质量。在低纬地区，电离层不均匀体主要在夜间生成，且初始位置多在F层峰高以下，即电离层底部，例如典型的赤道等离子体泡（EPB）；在白天，基于甚高频（VHF）相干散射雷达也可观测到不均匀体回波，但一般为夜间生成并残留到白天的“化石”结构，而非新鲜产生并处于发展期的“活跃”不均匀体。

2025年11月12日，地球遭遇了一次G4级强磁暴（SYM-H指数最低达-250 nT，Kp指数达9-）。在磁暴主相阶段的本地上午时段（约11:00 LT，03:00–04:00 UT），基于海南乐东的流星不均匀体多波段探测系统（MIOS）相控阵VHF雷达，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室孙文杰等观测到一组异常的后向散射回波。这些回波跨越数百至上千公里的距离门并在距离-时间-强度图像上呈现清晰的“V型”结构（图1）；不同于夜间不均匀体持续到白天的“化石”结构，这些回波展现出较大的（非零）多普勒速度与较宽的多普勒谱宽，表明回波来自处于“活跃”发展状态的不均匀体。

图1 2025年11月12日海南乐东MIOS VHF雷达回波信噪比的距离-时间-强度图像

基于MIOS VHF雷达干涉测量分析（图2）进一步发现：（1）这些不均匀体主要出现于雷达视线近似垂直磁力线的方位，但未完全贴合，表明回波可能来自场向不均匀体；（2）其回波的“V型”结构并非源于不均匀体的水平运动，而是主要由不均匀体垂直方向的位置变化所致；（3）不同于低纬电离层不均匀体一般初始生成于F区底部，这些不均匀体的主要发生高度位于电离层F区顶部（约300–800 km高度）。

图2 2025年11月12日02-05 UT MIOS VHF雷达回波的（a）信噪比、（b）多普勒速度和（c）谱宽，基于雷达干涉得到的回波（d）达到角、（e）纬向位置变化和（f）高度变化，以及（g-i）3个典型时刻的回波空间位置。其中（d）中的彩色区域和（g-i）中的黑色虚线表示不同高度处雷达视线垂直磁力线的方位

结合电离层测高仪、GNSS-TEC监测及行星际磁场数据的分析发现，此次事件中低纬海南地区出现了2025年最强的等离子体密度增强现象，总电子含量（TEC）高达170 TECu，F层临界频率（foF2）增至21 MHz（图3a），高于全年其它所有时刻。分析认为：（1）磁暴期间的东向穿透电场引发超级喷泉效应将磁赤道等离子体抬升输运至低纬并堆积；随后，突转西向的穿透电场和/或北向中性风压缩F层，使得F层电子密度和电子密度梯度均显著增大（图3b）；（2）西向电场作用于低纬F区顶部增强的向下密度梯度区，可激发梯度漂移不稳定性产生小尺度不均匀体，如图3c所示；（3）受等离子体密度梯度陡增影响，VHF雷达探测电离层顶部不均匀体时，电离层折射会造成电波传播路径弯折、传播速度变慢（图3d），致使雷达回波测距与仰角测量结果偏大，最终造成干涉反演的不均匀体空间位置偏离真值（高估）。具体体现为回波方位偏离场向分布，实测回波高度高于电离层顶部最大密度梯度处，且高度越高，偏离越大。

图3 2025年11月12日海南（a）foF2（红色曲线）变化与（b）密度梯度剖面，灰色曲线代表2025年其余日期foF2变化。（c）电离层顶部激发梯度漂移不稳定性并产生不均匀体机制示意图，以及（d）MIOS VHF雷达探测电离层顶部不均匀体射线路径示意图，黑色实线为电波实际传播轨迹，黑色虚线代表雷达与不均匀体的直线视线路径

进一步研究发现，这种由梯度漂移不稳定性激发、伴随等离子体密度增强的电离层不均匀体并非局限于海南上空，而是横跨数千公里经度范围（约95°-160°E）。由图4可见，TEC和ROTI在大经度范围内均观测到增强结构，注意鉴于对应TEC曲线变化光滑，该ROTI增强并非表征电离层不均匀体，其数值抬升仅反映空间密度梯度的增强。基于海南低纬超视距电离层雷达（LARID），在海南东西两侧1000 km外均观测到电离层不均匀体（图5）。注意由于LARID仅能在垂直磁力线方位观测到不均匀体发生，图5中无不均匀体回波的区域（如103-115°E）并非一定无不均匀体发生，可能只是并不满足该垂直条件。

图4 2025年11月12日沿21°N的（a）北斗同步卫星TEC和（b）相应ROTI变化，以及03:15 UT时刻的（c）TEC地图和（d）ROTI地图。（d）中黑色方框为MIOS VHF雷达在对应时刻观测到的不均匀体空间位置

图5 低纬高频超视距电离层雷达在02:30-04:00 UT期间观测到的不均匀体回波

该研究是国际首次报道日间低纬F区顶部由梯度漂移不稳定性触发的“活跃”电离层不均匀体。与典型等离子体泡的密度耗空特征不同，该类不均匀体演化过程伴随等离子体密度显著抬升。相关结论更新了现有对低纬电离层不均匀体形成机理与演化规律的科学认知，研究结果丰富了电离层不均匀体谱系，揭示强磁暴日间低纬F区顶部潜在的新型扰动源，对空间天气建模及导航通信防护具备重要科学意义。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（孙文杰，李国主，代国峰，解海永，胡连欢，赵必强，王泽权，刘建飞，赵秀宽，李怡，宁百齐.Daytime ionospheric F-region topside irregularities associated with significant density enhancement at low latitudes during the 12 November 2025 magnetic storm [J].Geophysical Research Letters, 2026, 53 (10): e2026GL121856. DOI:10.1029/2026GL121856.）。成果受国家重点研发计划(2025YFF0510702，2025YFE0115800)、国家自然科学基金项目(42020104002, U25A20397，42404180，41727803)、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)、中国科学院日地网和子午工程等联合资助。