電離層是地球高層大氣中充滿等離子體的區域，其密度分布并非均勻，而是存在各種尺度的起伏結構，被稱為電離層不均勻體。這些結構會對穿過的無線電波造成散射與折射，直接影響衛星導航精度和短波通信質量。在低緯地區，電離層不均勻體主要在夜間生成，且初始位置多在F層峰高以下，即電離層底部，例如典型的赤道等離子體泡（EPB）；在白天，基于甚高頻（VHF）相干散射雷達也可觀測到不均勻體回波，但一般為夜間生成并殘留到白天的“化石”結構，而非新鮮產生并處于發展期的“活躍”不均勻體。

2025年11月12日，地球遭遇了一次G4級強磁暴（SYM-H指數最低達-250 nT，Kp指數達9-）。在磁暴主相階段的本地上午時段（約11:00 LT，03:00–04:00 UT），基于海南樂東的流星不均勻體多波段探測系統（MIOS）相控陣VHF雷達，中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室孫文杰等觀測到一組異常的后向散射回波。這些回波跨越數百至上千公里的距離門并在距離-時間-強度圖像上呈現清晰的“V型”結構（圖1）；不同于夜間不均勻體持續到白天的“化石”結構，這些回波展現出較大的（非零）多普勒速度與較寬的多普勒譜寬，表明回波來自處于“活躍”發展狀態的不均勻體。

圖1 2025年11月12日海南樂東MIOS VHF雷達回波信噪比的距離-時間-強度圖像

基于MIOS VHF雷達干涉測量分析（圖2）進一步發現：（1）這些不均勻體主要出現于雷達視線近似垂直磁力線的方位，但未完全貼合，表明回波可能來自場向不均勻體；（2）其回波的“V型”結構并非源于不均勻體的水平運動，而是主要由不均勻體垂直方向的位置變化所致；（3）不同于低緯電離層不均勻體一般初始生成于F區底部，這些不均勻體的主要發生高度位于電離層F區頂部（約300–800 km高度）。

圖2 2025年11月12日02-05 UT MIOS VHF雷達回波的（a）信噪比、（b）多普勒速度和（c）譜寬，基于雷達干涉得到的回波（d）達到角、（e）緯向位置變化和（f）高度變化，以及（g-i）3個典型時刻的回波空間位置。其中（d）中的彩色區域和（g-i）中的黑色虛線表示不同高度處雷達視線垂直磁力線的方位

結合電離層測高儀、GNSS-TEC監測及行星際磁場數據的分析發現，此次事件中低緯海南地區出現了2025年最強的等離子體密度增強現象，總電子含量（TEC）高達170 TECu，F層臨界頻率（foF2）增至21 MHz（圖3a），高于全年其它所有時刻。分析認為：（1）磁暴期間的東向穿透電場引發超級噴泉效應將磁赤道等離子體抬升輸運至低緯并堆積；隨后，突轉西向的穿透電場和/或北向中性風壓縮F層，使得F層電子密度和電子密度梯度均顯著增大（圖3b）；（2）西向電場作用于低緯F區頂部增強的向下密度梯度區，可激發梯度漂移不穩定性產生小尺度不均勻體，如圖3c所示；（3）受等離子體密度梯度陡增影響，VHF雷達探測電離層頂部不均勻體時，電離層折射會造成電波傳播路徑彎折、傳播速度變慢（圖3d），致使雷達回波測距與仰角測量結果偏大，最終造成干涉反演的不均勻體空間位置偏離真值（高估）。具體體現為回波方位偏離場向分布，實測回波高度高于電離層頂部最大密度梯度處，且高度越高，偏離越大。

圖3 2025年11月12日海南（a）foF2（紅色曲線）變化與（b）密度梯度剖面，灰色曲線代表2025年其余日期foF2變化。（c）電離層頂部激發梯度漂移不穩定性并產生不均勻體機制示意圖，以及（d）MIOS VHF雷達探測電離層頂部不均勻體射線路徑示意圖，黑色實線為電波實際傳播軌跡，黑色虛線代表雷達與不均勻體的直線視線路徑

進一步研究發現，這種由梯度漂移不穩定性激發、伴隨等離子體密度增強的電離層不均勻體并非局限于海南上空，而是橫跨數千公里經度范圍（約95°-160°E）。由圖4可見，TEC和ROTI在大經度范圍內均觀測到增強結構，注意鑒于對應TEC曲線變化光滑，該ROTI增強并非表征電離層不均勻體，其數值抬升僅反映空間密度梯度的增強。基于海南低緯超視距電離層雷達（LARID），在海南東西兩側1000 km外均觀測到電離層不均勻體（圖5）。注意由于LARID僅能在垂直磁力線方位觀測到不均勻體發生，圖5中無不均勻體回波的區域（如103-115°E）并非一定無不均勻體發生，可能只是并不滿足該垂直條件。

圖4 2025年11月12日沿21°N的（a）北斗同步衛星TEC和（b）相應ROTI變化，以及03:15 UT時刻的（c）TEC地圖和（d）ROTI地圖。（d）中黑色方框為MIOS VHF雷達在對應時刻觀測到的不均勻體空間位置

圖5 低緯高頻超視距電離層雷達在02:30-04:00 UT期間觀測到的不均勻體回波

該研究是國際首次報道日間低緯F區頂部由梯度漂移不穩定性觸發的“活躍”電離層不均勻體。與典型等離子體泡的密度耗空特征不同，該類不均勻體演化過程伴隨等離子體密度顯著抬升。相關結論更新了現有對低緯電離層不均勻體形成機理與演化規律的科學認知，研究結果豐富了電離層不均勻體譜系，揭示強磁暴日間低緯F區頂部潛在的新型擾動源，對空間天氣建模及導航通信防護具備重要科學意義。

研究成果發表于國際學術期刊GRL（孫文杰，李國主，代國峰，解海永，胡連歡，趙必強，王澤權，劉建飛，趙秀寬，李怡，寧百齊.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.）。成果受國家重點研發計劃(2025YFF0510702，2025YFE0115800)、國家自然科學基金項目(42020104002, U25A20397，42404180，41727803)、中國科學院基礎研究領域青年團隊穩定支持項目(YSBR-018)、中國科學院日地網和子午工程等聯合資助。