地球高層大氣是低軌航天器運行的關(guān)鍵區(qū)域，與無線電通信和導(dǎo)航定位直接相關(guān)，其變化不僅影響各類技術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還關(guān)系國家空間環(huán)境安全與應(yīng)用保障能力。我國幅員遼闊、跨越多個緯度帶，上空高層大氣環(huán)境復(fù)雜多樣。長期以來，受制于觀測手段不足、臺站分布稀疏，特別是高層大氣光學(xué)觀測極易受到天氣、月光和雜散光等因素干擾，連續(xù)獲取高層大氣高質(zhì)量觀測資料十分困難，因此我國高層大氣的真實狀態(tài)及其關(guān)鍵擾動過程仍缺乏足夠認識。
在眾多影響高層大氣變化的過程中，空間天氣事件期間的極區(qū)擾動是驅(qū)動高層大氣劇烈變化的重要源頭。為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所劉立波研究團隊自2019年起在中國最北端的漠河臺站建設(shè)了自主高層大氣光學(xué)觀測設(shè)備（Fabry-Perot Interferometer, FPI），持續(xù)開展長期監(jiān)測。近年來，隨著太陽活動增強，漠河極光出現(xiàn)愈發(fā)頻繁。對公眾而言，這可能只是一種以往罕見而神秘絢麗的自然天象；但對科研而言，更值得追問的是：為什么極光會越來越頻繁地出現(xiàn)在我國最北部？它背后是否意味著極區(qū)特有的空間環(huán)境過程，已經(jīng)能夠更直接、更強烈地影響我國北部高層大氣環(huán)境？
圍繞這一科學(xué)問題，在2025年1月1日“新年”磁暴期間，研究團隊不僅在漠河觀測到罕見的綠色和紅色極光（圖1），還首次在良好的光學(xué)觀測條件下清晰捕捉到異常強烈且不同以往的高層大氣風(fēng)場擾動（圖2）。通過聯(lián)合中國科學(xué)院空間中心張佼佼研究員團隊建設(shè)的高頻雷達觀測網(wǎng)，團隊識別出極區(qū)典型的等離子體雙渦對流顯著向低緯擴張并觸及漠河地區(qū)（圖3）。研究表明，這并不是一次簡單的“高緯擾動的影響向低緯擴展”的傳播事件，而是極區(qū)對流直接控制漠河上空高層大氣狀態(tài)與運動的罕見實例。依托連續(xù)時間序列的高質(zhì)量觀測，可以清楚看到在極區(qū)對流擴張與收縮過程中，極區(qū)對流邊界內(nèi)外不同物理過程對漠河高層大氣風(fēng)場主導(dǎo)作用的切換，揭示了極區(qū)對流邊界附近復(fù)雜而關(guān)鍵的中性-電離動力學(xué)耦合過程。
圖1 2025年1月1日17:17-18:16 UT期間由戴建峰團隊拍攝的極光照片。藍色箭頭表示極光擴展的方向
圖2?2024年12月30日至2025年1月2日期間漠河的高層大氣風(fēng)場。自上而下分別為SYM-H（nT）指數(shù)以及北、南、東、西四個漠河FPI觀測視場方向上的風(fēng)速（m/s）。帶誤差棒的黑線表示基于漠河FPI歷史觀測資料建立的風(fēng)場氣候?qū)W模型。灰色散點表示2019年至2024年間每年DOY300至次年DOY?60時段內(nèi)的漠河FPI觀測結(jié)果。其他不同顏色的虛線表示2025年“新年”磁暴期間不同日期的SYM-H和風(fēng)場變化
圖3 基于高頻雷達觀測網(wǎng)得到的極區(qū)對流圖。矢量的顏色和長度分別表示擬合得到的對流速度強度。綠色方框表示漠河FPI的位置，其附近的“+”標(biāo)記表示FPI各個視場方向的位置投影。c、d兩幅圖中的灰色五角星表示極光照片中快速演化高亮極光區(qū)域的大致投影位置
進一步的模擬實驗發(fā)現(xiàn)，這次事件的發(fā)生，除了劇烈空間環(huán)境擾動本身是重要因素之外，北磁極持續(xù)向西伯利亞方向漂移，也正在使極光卵和極區(qū)擾動區(qū)整體更靠近我國北部。這意味著，漠河乃至我國北方高層大氣未來可能比過去更容易直接受到極區(qū)過程影響。
該研究首次報道了中國最北端漠河地區(qū)這一極具標(biāo)志性的空間環(huán)境現(xiàn)象，從觀測角度揭示了其背后深層的高層大氣演化規(guī)律，為認識中國區(qū)域高層大氣環(huán)境的新特征、完善全球高層大氣圖景，以及服務(wù)國家空間環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、衛(wèi)星運行保障和應(yīng)用安全提供了重要科學(xué)支撐。
研究成果發(fā)表于空間物理領(lǐng)域權(quán)威國際學(xué)術(shù)期刊JGR: Space Physics?(李文博，劉立波*，張佼佼，趙秀寬，戴建峰，張瑞龍，楊雨嫣，劉博威，陳一定，樂會軍. Unusual disturbed thermospheric wind caused by polar convection at Mohe during 2025 New Year storm[J].?Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2026, 131(3): e2025JA034386. DOI:?10.1029/2025JA034386.)。研究受國家自然科學(xué)基金（42530201, 42404174, 42174210）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類（XDB0780000）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFF050440）以及中國科學(xué)院太陽活動與空間天氣全國重點實驗室專項基金資助項目的共同資助。
李文博（博士后）