电离层F区不规则体（以下简称不规则体）的形成机制和时空演变特征研究是当前电离层空间天气研究的热点；同时, 不规则体能导致电波信号强烈扰动（电离层闪烁）, 对无线电通讯、导航、定位等民用和军用系统具有重要影响。我国南部(中低纬)广大地区是电离层不规则体高发区, 其主要受赤道地区不规则体（R-T不稳定性）影响或者由本地Perkins不稳定性所触发, 但单一Perkins不稳定性的低增长率并不能解释中低纬所观测的一些不规则体现象^{[ 1]}。尤其在极端空间天气条件下（如超级磁暴期间）, 低纬赤道电离层电场受磁层/高纬渗透电场和扰动电场影响；同时, 高纬极区焦耳加热能引起明显的背景电离层扰动^{[ 2]}, 这些均导致暴时电离层不规则体随经/纬度变化剧烈。暴时不规则体及其引起的电离层闪烁发生范围是电离层空间天气中被广泛研究的一个问题。对暴时东亚中低纬电离层不规则体发生和演变特征的研究, 将为认识我国所处的东亚中低纬电离层不规则体日变化的主要控制因素奠定基础；同时有助于全面了解暴时不同经/纬度电离层不规则体的发生差异, 推动对不同经度区中低纬电离层不稳定性过程的认识。

李国主承担的国家自然科学基金青年基金项目“暴时东亚中低纬电离层不规则体变化特性研究（项目批准号：40904038）”利用我国中低纬GPS电离层TEC/闪烁接收机、测高仪和三亚VHF雷达等综合观测, 结合全球卫星顶部探测等数据, 分析东亚地区扩展F发生率和TEC扰动指数的统计相关性, 研究不同类型磁暴期间东亚中低纬电离层不规则体发生特征及其可能的产生机制与影响因素；分析磁暴对东亚中低纬电离层不规则体的触发/抑制作用以及暴时不规则体的持续存在时间等特征, 探讨暴时外部驱动源（如中性风和电场扰动）和背景电离层属性（如密度梯度）的变化对电离层不规则体形成与演化过程的影响；在利用三亚VHF相干散射雷达等自主探测基础上, 开发多波束扫描与空间干涉探测模式研究电离层不规则体结构变化。该项目以实现“从不同观测数据从多方面提取电离层不规则体变化特征, 分析磁暴对东亚中低纬电离层不规则体的触发/抑制作用, 揭示电离层不规则体随时间空间变化的机制”为研究目标。

经过3年的努力, 该项目顺利结题并在暴时电离层不规则体发生变化特征和电离层不稳定性过程触发不规则体机制研究等方面取得了如下成果：

（1） 发现连续强磁暴期间电离层不规则体及电离层闪烁发生经度范围能从美洲地区, 经太平洋, 一直蔓延到东亚地区, 覆盖经度范围超过半个地球, 而以往研究显示磁暴期间电离层不规则体发生经度范围小于90°。针对这一观测新现象, 提出磁暴期间磁层/高纬长持续时间东向渗透电场和电离层扰动发电机东向电场导致了这种大范围电离层不规则体的发生^{[ 3]}。该项研究不但拓展了对磁暴期间磁层渗透电场和电离层扰动发电机电场影响电离层不规则体产生与发展过程的认识, 更凸显出在当前人类活动日益依赖全球范围导航和通信系统等空间平台的情况下, 监测预报电离层不规则体的重要性。

（2） 磁暴期间中低纬电离层不规则体的发生通常认为是由R-T不稳定性触发产生的赤道不规则体沿着磁力线映射到高的纬度所致。然而, 对2004年11月特大磁暴期间中低纬电离层不规则体事件的分析发现, 不规则体在125°E的东、西两侧表现出截然不同的纬度变化特征。针对这一现象提出了造成其差异的可能机制是东侧（日本及太平洋经度区）电离层不规则体主要由暴时渗透电场通过增加日落E×B漂移影响RT不稳定性触发产生, 赤道不规则体沿着磁力线迅速映射到低纬和中纬；而西侧（中国经度区）, 中、低纬电离层不规则体的发生存在几小时的时延, 并不是由渗透电场触发RT不稳定性所致, 同时考虑单一Perkins不稳定性饱和在很小幅度（低增长率）, 不能触发产生大尺度电离层不规则体。结合磁暴期间中国中低纬的行进式电离层扰动观测（TID）, 125°E西侧中低纬电离层不规则体的发生与TID有着类似的传播特征, 表明暴时重力波扰动相关的南、北向扰动电场分量与Perkins不稳定性耦合, 增加了不稳定性增长率, 使其产生大尺度的电离层不规则体^{[ 4]}。该项研究揭示了磁暴期间区域发生的电离层扰动通过影响Perkins不稳定性过程, 从而造成不规则体产生与发展特征的明显经纬度差异。

（3） 磁暴期间电离层不规则体的被抑制或者触发, 除了依赖于影响不规则体发生的暴时因素外, 初始扰动源也发挥着极为重要的作用, 这种初始扰动源以什么形式存在？是否能从不规则体结构演变的有关信息中得到初始扰动信息？通过利用三亚VHF相干雷达开发电离层不规则体精细结构探测模式, 开展多波束分时扫描探测实验, 结合测高仪加密观测, 对不规则体的空间结构和运动特征开展了分析研究。对实验数据的分析发现三亚VHF相干雷达多波束扫描探测的不规则体空间间距为150～770 km, 类似于大尺度波动结构(LSWS)的波长范围, 发现赤道F区产生的初始LSWS能沿着磁力线映射到三亚纬度区域；通过对LSWS和不规则体发生的统计分析, 揭示出在日落反转增强(PRE)幅度明显时, LSWS和不规则体一一对应；而当日落反转增强不明显时, LSWS的发生并不意味着不规则体一定发生^{[ 5]}。该项研究系统地揭示出LSWS和不规则体发生的统计依赖特征, 可为电离层闪烁的实际预测提供重要参考, 如当日落频高图加密观测没有LSWS时, 则不会发生不规则体及引起电离层闪烁现象。

（4） 在有关暴时电离层不规则体区域发生特征的研究中, 主要数据来源之一是GPS TEC数据, 然而, GPS TEC扰动是否能完全反映电离层不规则体发生与否？对2000—2009年近1个太阳活动周TEC扰动和测高仪扩展F不规则体的比较分析发现, 在太阳活动高年, TEC扰动和扩展F发生率有很好的对应关系。而在太阳活动低年, TEC扰动观测表明很少出现午夜后不规则体, 但测高仪频高图显示扩展F发生频繁。对TEC扰动（低）和扩展F发生率（高）的比较表明, 在太阳活动低年TEC扰动可能不适合用来表征电离层不规则体的发生与否^{[ 6]}。进一步研究发现初始扰动、等离子体漂移和中性风场对太阳活动低年不同经度区午夜后不规则体发生会产生重要影响, 提出了重力波与磁子午成夹角传播（如MSTID）, 驱使等离子体沿磁力线汇聚形成密度增强区域, 在中性风场作用下经梯度漂移不稳定性触发产生午夜电离层不规则体的机制。

受该项目资助, 申请者以第一作者在本领域TOP期刊 Journal of Geopysical Research上发表标注论文5篇, 在 GPS Solutions上发表标注论文1篇。先后在Regional CAWSES-II MLT会议、第十四届全国日地空间物理学术讨论会、13 th International Symposium on Equatorial Aeronomy会议和第十届海峡两岸空间科学研讨会报告有关电离层不规则体研究工作, 并应国际电离层雷达专家Patra A K博士邀请在 Indian Journal of Radio & Space Physics专辑上介绍我国低纬电离层不规则体的有关研究^{[ 7]}, 被邀请参与由日本京都大学资助的电离层雷达网协同探测和电离层不规则体耦合研究。上述部分研究结果被编入IAGA 2011年的电离层专著《Aeronomy of the Earth’s Atmosphere and Ionosphere》；并被国际电离层研究著名学者Abdu M A教授在暴时电离层不规则体结构综述性文章中多次引用, 被认为是“确定了不规则体发生经度范围能覆盖半个地球”, 并据此提出“不规则体发生经度范围研究对空基通信系统的计划编制有着重要意义”^{[ 8]}。受该项目资助所取得的成果, 丰富了国际上对电离层不规则体产生机制的认识, 同时填补了电离层不规则体相干雷达观测研究在我国的空白, 提升了我国低纬电离层不规则体观测研究的水平。由于电离层处于底层大气和磁层之间, 受多种外部驱动源、电离层—底层大气耦合、电离层—磁层耦合和多种反馈过程影响；在电离层不规则体的初始发生过程中, 低层大气波动引起的电离层背景扰动发挥着重要作用。对暴时不规则体发生范围的研究引出了一些有待进一步研究的科学问题, 如LSWS是电离层不规则体发生的必要条件, 如果磁暴期间不规则体发生范围覆盖半个地球或者局限于小区域范围, 是否意味着LSWS发生范围同样覆盖半个地球或者局限于小范围？与低层大气波动有关的LSWS区域特征及其对电离层不规则体发生特征影响的有关研究将是未来该领域研究的热点。