地球电离层空间结构梯度变化关乎电离层建模、空间天气预报与高精度导航定位等重要应用。全球电离层模型对梯度变化的表征误差直接影响预报精度。统计显示，东亚地区TEC梯度陡变时（>20 TECu/度），现有模型对GNSS定位的延迟修正误差会扩大3-5倍。单频GNSS接收机受梯度影响最显著。当电离层前沿梯度超过1.5 TECu/km时，GPS定位误差可骤增至15米以上。剧烈梯度变化可能引起信号闪烁，导致接收机周跳或失锁，尤其影响高精度应用，星基增强系统的网格电离层修正算法在强梯度区域会出现“梯度平滑失真”现象。对于短波通信梯度导致的最高可用频率突变会使跳距突然改变300-500 km，对超视距雷达电子密度梯度引起的传播路径弯曲会造成目标定位偏差。通常大的电离层经度梯度多见于大的地磁暴期间地磁活跃期，那么地磁平静期是否会出现大的电离层经度梯度变化？如果出现，其产生机制是什么？
为此，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生金钰妍（2023毕业）在导师赵必强研究员指导下关注到2021年5月11日地磁平静期西太平洋地区的一次“异常强”的电离层经度变化。研究团队顺利获得多平台协同观测，包括中国和日本地区的电离层测高仪、三亚非相干散射雷达的三维等离子体漂移测量数据、美国ICON卫星的等离子体漂移和中性风场数据、COSMIC-2卫星的电子密度剖面数据、全球电离层GNSS监测网（GIM）的TEC数据，首次在宁静地磁条件（Kp指数小于2）下发现东亚地区电离层电子浓度的异常经度梯度现象，这一发现为理解低层大气扰动与电离层耦合机制给予了突破性证据。
2021年5月11日的观测数据显示，在完全宁静的地磁环境中，东亚地区电离层电子浓度呈现出显著的东西向不对称分布特征：位于114.4°E的武汉台站观测到电子浓度下降46%，而位于130.6°E的屋久岛台站却观测到电子浓度增加87%，这种"西减东增"的跷跷板式分布模式在以往研究中极为罕见。全球电离层电子总量地图（GIM TEC）与COSMIC-2卫星的观测数据进一步证实，这种异常梯度结构以125°E经线为界呈现明显的对称分布特征，并且在磁赤道两侧表现出完美的镜像对称性（图1），这种空间分布特征暗示其形成机制可能与赤道电动力学过程密切相关。
图1 (a) 2021年Kp < 2且地方时13:00–17:00时段内的东西差异指数Re/w变化，红色圆点表示Re/w绝对值大于0.3的情况；(b, f) 2021年5月11日12:00 LT、(c, g) 14:00 LT和(d, h) 16:00 LT时刻，基于GIM和COSMIC-2数据在60°–180°E经度与20°S–40°N纬度范围内的相对总电子含量（TEC）空间分布；(e) 四个观测站点的相对GIM TEC随地方时的变化曲线
顺利获得美国ICON卫星搭载的离子速度计（IVM）和迈克尔逊干涉仪（MIGHTI）的联合观测，研究团队首次取得了中性风场与等离子体漂移耦合的直接证据。详细分析表明，在90-150公里的E区高度范围内，风发电机效应驱动的垂直等离子体漂移速度在东西两侧存在显著差异：西侧漂移速度仅为10-20米/秒，而东侧则达到30-40米/秒。这种漂移速度的经度梯度直接导致了赤道异常区等离子体的不对称分布。更为重要的是，在150-300公里的F区高度范围内，经向风场在127°E两侧也表现出明显的非对称特征：西侧（75-120°E）为较弱的南风（-20至-10米/秒），而东侧（127-150°E）则出现强南风（-98至-80米/秒）。这种风场结构的协同作用进一步放大了东西两侧电子浓度的差异，形成了观测到的显著经度梯度（图2）。
图2 地理坐标系空间分布图：底部平面显示图2b中14:00 LT时刻的相对总电子含量；120°E经线穿越南北半球的磁力线用黑色实线标示，其投影用黑色点划线表示；红色线条表示ICON卫星离子速度计（IVM）观测的Vpn分量；伪彩色图像显示ICON卫星MIGHTI仪器观测的150-300 km高度Un分量（中性风）和90-150 km高度Upe分量（垂直风）
国内自主研发的三亚非相干散射雷达（SYISR）的观测数据为这一机制给予了关键验证。雷达观测显示，在异常事件发生期间，电离层垂直漂移速度出现明显减弱，并且与武汉地区TEC下降存在约1小时的延迟响应，这一时间序列特征完美印证了电动力学耦合过程的因果链条。顺利获得对比分析2021年全年的观测数据，研究团队发现这种在宁静条件下出现的显著经度梯度事件在全年仅发生一次，其罕见性表明这类现象的形成可能需要特定的空间天气条件和大气扰动背景场的共同配合。
综上，该研究建立了从低层大气扰动到电离层等离子体环境变化的完整证据链，增强了宁静条件下电离层强经度梯度形成机制的认识；揭示了E区风发电机效应与F区风场的协同作用机制，为理解电离层空间结构变异给予了新的解释；在应用方面，这一发现对提高GNSS精密定位精度、改进电离层空间天气预警模型都具有重要的指导意义。
研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters（金钰妍，赵必强*，周旭，郝红连，李国主，乐新安，李子申. Direct evidence of the lower atmosphere perturbations producing abnormal ionospheric longitudinal gradients during quiescent geomagnetic conditions. Geophysical Research Letters, 2025, 52: e2024GL113648. DOI: 10.1029/2024GL113648.）。研究得到国家自然科学基金（42174206, 42204165）的联合资助，感谢中国子午工程（Chinese Meridian Project）给予的科学数据支持。
