開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性（KHI）是一種典型的流體不穩(wěn)定性，由流體層交界處的速度剪切引發(fā)。KHI與多種自然現(xiàn)象密切相關(guān)，如翻滾的海浪、波浪云、木星紅斑等。不同空間尺寸的KHI 廣泛分布于地球中低層大氣，并延伸至熱層（電離層）區(qū)域，其水平波長通常為10米至20千米甚至更大。在中低緯度地區(qū)，導(dǎo)致電離層中偶發(fā)E層形成的風(fēng)剪切機(jī)制為觸發(fā)KHI提供了有利條件。然而，受限于常規(guī)探測手段分辨率不足，低緯電離層中的KHI結(jié)構(gòu)特征一直缺乏直接觀測。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所樂新安研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國外學(xué)者，基于三亞非相干散射雷達(dá)，發(fā)展了寬帶線性調(diào)頻技術(shù)的電離層電子密度多波束探測模式，實(shí)現(xiàn)了距離分辨率37.5米，時間分辨率50秒的超高分辨電子密度探測，于2024年9月23日首次直接探測到嵌入在電離層偶發(fā)E層中的KHI結(jié)構(gòu)（視頻1），揭示了KHI三維的周期性波浪結(jié)構(gòu)及其時間演化過程。探測結(jié)果揭示了KHI調(diào)制偶發(fā)E層的特征，包括：1）早期高度上±150米的正弦波動和垂直寬度約1~3千米的波浪結(jié)構(gòu)；2）3~8分鐘準(zhǔn)周期的水平不規(guī)則結(jié)構(gòu)，伴隨電子密度和厚度的明顯提升；3）不規(guī)則結(jié)構(gòu)不會完全破壞偶發(fā)E層，等離子體仍然被困在潛在的風(fēng)切變區(qū)域。該研究證明了準(zhǔn)周期回波與KHI調(diào)制偶發(fā)E層的密切關(guān)系，并首次在直接觀測中展現(xiàn)了KHI通過水平遷移調(diào)制電離層等離子體的過程，解釋了KHI引發(fā)低緯電離層E區(qū)不規(guī)則體的機(jī)制。
該研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL（王俊逸，樂新安*，蔡毅徽，丁鋒，周旭，Jorge L. Chau, David C. Fritts, Juha Vierinen, Alan Z. Liu. Direct Kelvin-Helmholtz Instability Detection at the Ionospheric E Region Electron Density [J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52, e2025GL116932. DOI: 10.1029/2025GL116932.）。該研究受國家自然科學(xué)基金（42425403, 42304191）、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目（YSBR-018）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類（XDB0780000）以及子午工程的共同資助。
視頻1. 2024年9月23日三亞非相干散射雷達(dá)在105~125千米范圍內(nèi)探測的偶發(fā)E層的電子密度及嵌入其中的KHI波浪結(jié)構(gòu)