地球电离层是行星空间环境的关键一环，对诸如导航定位与通信应用等人类活动具有重要的影响。当剧烈太阳活动引发磁暴时，电离层会产生系统性扰动，称为电离层暴。传统观点认为，磁暴期间能量从高纬向低纬注入，电离层响应呈陆续在纬度变化。但2003年11月超级磁暴的恢复相阶段（11月21日），东亚地区观测到积分氧氮比（Σ[O]/[N2]）与电离层电子总含量（TEC）均呈现涡旋状不陆续在纬度变化（图1a2、图1b2）。
图1 （a1-a3）2003年11月20日至22日期间，GUVI r∑[O]/[N2]分布。每个轨道的平均UT用红色字体标记在图上；（b1-b3）沿GUVI轨道采样的合成rTEC图。黑色菱形代表电离层测高仪的位置
为进一步研究电离层暴时涡旋状不陆续在纬度变化结构的相关机制，中国科研实验室地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室博士研究生郭旭，在导师赵必强研究员以及于婷婷副研究员的指导下，对2003年11月超级磁暴事件展开深入研究，旨在探究该事件期间东亚地区电离层中可能出现的特殊结构和行为模式。
研究人员结合地面测高仪的观测，分析了日本地区四个电离层测高仪的数据，分别是Wakkanai站（WK）、Kokubunji站（KO）、Yamagawa站（YG）以及Okinawa站（OK）（位置见图2绿色方形所示）。
图2 绿色方形代表电离层测高仪台站的位置。红色菱形代表模型选取的特征位置
上述测高仪台站在11月21日00:00–04:00 UT期间，均显示出不同程度的负暴效应，且存在负暴效应的不陆续在纬度变化，持续了大约3到4小时，且电子密度绝对变化（ΔNe）的剖面表明，主要的损耗发生在底部电离层。此外，从20日22:30 UT到21日04:00 UT，KO、YG和OK站很可能表现出一种行进式电离层扰动（TID）特征，即在F2层峰值高度（hmF2）下降期间伴随着F2层峰值密度（NmF2）的增加，并且TID过程导致负暴的纬度分布不陆续在性更加明显（图3）。
图3 （a）SYM-H指数（用于衡量地磁活动）；（b1–e1）日本地区WK、KO、YG和OK站的电子密度剖面变化，叠加了hmF2（绿色三角形）和NmF2（红色实心点）；（b2–e2）hmF2（绿色三角形）和NmF2的相对变化rNmF2%（红色实心点），叠加了电子密度剖面的绝对变化ΔNe。白箭头突出了rNmF2的不陆续在纬度变化
那么，是什么“力量”导致电离层暴时响应的涡旋状纬度不陆续在性呢？为了更好地理解这种结构的形成过程和物理机制，研究人员进行了TIEGCM模拟以重现观测到的结构。模型输出与观测数据的比较清楚地表明，TIEGCM定性地重现了东亚扇区的r∑[O]/[N2]和rTEC的涡旋状增强。TIEGCM定性地重现了东亚地区的积分氧氮比和TEC涡旋状结构。如图4所示，在2003年11月20日22:00 UT到21日00:00 UT期间，在~160 km（热层高度）和~300 km（电离层F2层高度）的观测到了强烈的北向中性风。然而，在北半球东亚-西太平洋地区热层高度~160 km处的风场逐渐形成涡旋状结构的矢量场分布，且与电离层F2层高度~300 km处的风场相比，显示出更强的旋度并在东亚扇区演化为涡旋状的矢量风场，显著影响了2003年11月21日00:00到04:00 UT期间的r∑[O]/[N2]变化，驱动了r∑[O]/[N2] 涡旋状结构的形成。在同一时间内，rTEC显示出与r∑[O]/[N2]相似的模式，这表明∑[O]/[N2]的变化在复合和产生率上影响了TEC，从而形成了类似的涡旋状电离层结构。
图4 TIEGCM模拟的r∑[O]/[N₂]（a1-d1）和相应的rTEC（a2-d2），相对于2003年11月19日的值，叠加了约160 km（a1-d1）和约300 km（a2-d2）处的水平风场。对应时间的GNSS rTEC观测值显示在a3-d3面板中。数据从2003年11月20日22:00 UT到21日04:00 UT，每2小时间隔呈现一次
为了进一步研究电子密度的高度和时间变化，研究人员在特定纬度选择了涡旋状结构突出部分的三个代表性位置：A（在涡旋状结构的上边界之外），B（在涡旋状结构增强部分的中间），C（在涡旋状结构的下边界之外），具体位置如图2红色菱形所示。A、B和C在整个期间底部电离层电子密度经历了显著的损耗，但B在00:00UT之后底部电子密度损耗小于A和C，且顶部电离层的电子密度开始增加。A、B和C电子密度剖面变化总体上与选取的电离层测高仪站的观测结果一致，表现出负暴效应的不陆续在纬度变化（图5）。
图5 （a）SYM-H指数（用于衡量地磁活动）；(b1-d1) A、B和C在2003年11月20日22:00 UT到21日04:00 UT期间的电子密度（Ne）高度剖面；(b2-d2) 上述位置的电子密度剖面绝对变化（ΔNe）
综上所述，2003年11月超级磁暴事件应是第23太阳活动周以来首次实现热层和电离层涡旋状结构的同步观测，研究人员发现该涡旋状结构持续时间约为3-4小时，其形成机制既可能源于南半球热层风在气压梯度力和科里奥利力共同作用下产生的成分涡旋，也可能受到大尺度跨赤道暴时环流的协同影响。此外，TID过程可能导致负暴效应的纬度分布不陆续在性更加明显。这一案例以及最近的2024年5月超级磁暴事件突出了超级磁暴期间电离层和热层变化的复杂性。为什么在其他超级磁暴期间类似的结构在电离层和热层中极少被观测到，可能是因为在结构演变过程中复杂的驱动过程决定了不同磁暴中最终的具体形状，这将在未来进行详细研究，这也需要更精细的模拟和预测来更好地理解潜在的物理过程以及磁暴对不同地区的影响。
研究成果发表于国际学术期刊GRL（郭旭，赵必强*，于婷婷，张永良，Yuichi Otsuka，Atsuki Shinbori，Michi Nishioka，Septi Perwitasari，孙文杰，胡连欢，李国主，任志鹏. A Peculiar Discontinuous Ionospheric Latitudinal Variation Over the East Asia Region During the Recovery Phase of the November 2003 Super Magnetic Storm: a Hint From May 2024 Superstorm[J]. Geophysical Research Letters,2025,52(9),e2025GL114919. DOI: 10.1029/2025GL114919.）。研究得到国家重点研发计划项目（2022YFF0503901）和国家自然科学基金（42174206、42304178）的联合资助。
郭旭（博士生）
