GRL：多层强Es构型驱动中纬日间电离层闪烁异常增强

GNSS卫星的信号在穿越电离层时，电离层中的扰动结构和不均匀体会造成卫星信号的抖动和衰减，引发GNSS信号闪烁。其中，由信号幅度的抖动表征的闪烁称为幅度闪烁。一般认为，强幅度闪烁主要由赤道等离子体泡引起，多发生于低纬夜间。而在中纬地区，尤其白天， GNSS幅度闪烁极少发生，偶尔可由强突发E层（Sporadic E，简称Es）引起。统计结果表明，由Es导致的GNSS闪烁较弱，幅度闪烁指数S4通常在0.3以下。

图1 2023年7月12日(a)包头和(b)北京观测到的幅度闪烁，以及(c)北京上空Es顶频

2023 年 7 月 12 日，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室孙文杰等发现我国中纬地区北京（40.3°N）和包头（40.6°N）的GNSS监测站在白天时段（世界时 02:00–05:00）同时记录到显著的幅度闪烁（图1），其中北京S4最高接近0.5，是该站2018-2025年间白天最强记录。与此同时，北京电离层测高仪探测到Es顶频（top frequency）高达20 MHz，意味着该层等离子体密度极高。基于密集GNSS组网的电离层总电子含量（TEC）扰动图（图2）显示，一个东西方向延展近2000公里、南北方向狭窄的带状Es结构在当天上午自北向南缓慢移动，正好覆盖北京与包头上空，并与闪烁发生的时间完美对应。这种大尺度强Es结构在夏季白天并不罕见，但如此强的闪烁相伴出现，却极少发生。

图2 由TEC扰动表征的2023年7月12日中国地区强Es结构演化过程

图3 从上往下依次为追踪相同卫星的原始功率变化、信号衰落深度、S4指数与TEC变化

为厘清强Es层如何引发强闪烁，研究团队选取同一颗卫星的信号，追踪其原始功率变化、信号衰落深度与S4指数的关系（图3）。结果显示，Es层在TEC时间序列中表现为持续数分钟的脉冲状扰动，同时GNSS信号功率出现短暂衰落，深度可达约3 dB，从而直接诱发幅度闪烁。进一步分析表明，闪烁强度与卫星仰角、TEC扰动幅度密切相关：仰角越小、TEC扰动越大，闪烁越强烈。这意味着，信号穿过Es层的路径越长、等离子体密度越高，受到的影响就越显著。

强Es常有，而伴随的强闪烁不常有，因此强Es的水平演化可能并非影响其闪烁效应的唯一因素。进一步研究揭示，该事例中Es可能存在垂直多层结构。基于澳门科学一号卫星（MSS-1）无线电掩星（RO）探测，数个RO-S4剖面在约100公里高度观测到多重峰值（图4），而在对比事例中（有强Es但无强闪烁），掩星探测未观测到明显多层结构。虽然掩星剖面未完美穿越强Es结构，但可部分表征此事例中临近区域Es的垂直特征。进一步基于相位屏理论的数值模拟（图5）表明，在同等高密度条件下，单层Es引发的S4不超过 0.3，而当层数增加到五层及以上时，S4可超过0.6。数值模拟与观测结果均表明，Es的垂直多层结构会显著增强闪烁效应。

图4 MSS-1无线电掩星探测的（左）切点位置与（右）RO-S4剖面

图5 于相位屏理论对不同层数的Es结构引发的GNSS闪烁效应的数值模拟结果

该研究在中纬白天观测到S4接近0.5的罕见较强幅度闪烁，并从原始信号层面完整解析了Es引发闪烁的过程；首次揭示Es的垂直多层结构对闪烁强度的放大作用，为理解Es对GNSS的影响提供了新视角。这一发现不仅对空间天气预警和导航系统抗干扰设计具有重要意义，也提醒我们，在未来需要更多关注Es垂直形态。学界最新研究指出，全球二氧化碳浓度升高可能增强Es活动，长期来看或将导致GNSS闪烁更频繁、更强，对高精度定位与导航构成潜在挑战。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（孙文杰，Yuichi Otsuka，李国主，杨哲，纪元法，梁文斌，张仁晋，赵秀宽，胡连欢，赵必强，刘建飞，代国峰，李怡，解海永，宁百齐. Relatively intense daytime GNSS amplitude scintillations at middle latitude linked with multi-layered strong Es structures [J].Geophysical Research Letters, 2026, 53 (8): e2026GL122932. DOI:10.1029/2026GL122932.）。成果受国家重点研发计划(2025YFF0510702，2025YFE0115800)、国家自然科学基金项目(42020104002, 42404180, U25A20397, U23A20280, 62471153)、名古屋大学国际合作交流项目、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)、中国科学院日地网和子午工程等联合资助。