GNSS衛星的信號在穿越電離層時，電離層中的擾動結構和不均勻體會造成衛星信號的抖動和衰減，引發GNSS信號閃爍。其中，由信號幅度的抖動表征的閃爍稱為幅度閃爍。一般認為，強幅度閃爍主要由赤道等離子體泡引起，多發生于低緯夜間。而在中緯地區，尤其白天， GNSS幅度閃爍極少發生，偶爾可由強突發E層（Sporadic E，簡稱Es）引起。統計結果表明，由Es導致的GNSS閃爍較弱，幅度閃爍指數S4通常在0.3以下。

圖1 2023年7月12日(a)包頭和(b)北京觀測到的幅度閃爍，以及(c)北京上空Es頂頻

2023 年 7 月 12 日，中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室孫文杰等發現我國中緯地區北京（40.3°N）和包頭（40.6°N）的GNSS監測站在白天時段（世界時 02:00–05:00）同時記錄到顯著的幅度閃爍（圖1），其中北京S4最高接近0.5，是該站2018-2025年間白天最強記錄。與此同時，北京電離層測高儀探測到Es頂頻（top frequency）高達20 MHz，意味著該層等離子體密度極高。基于密集GNSS組網的電離層總電子含量（TEC）擾動圖（圖2）顯示，一個東西方向延展近2000公里、南北方向狹窄的帶狀Es結構在當天上午自北向南緩慢移動，正好覆蓋北京與包頭上空，并與閃爍發生的時間完美對應。這種大尺度強Es結構在夏季白天并不罕見，但如此強的閃爍相伴出現，卻極少發生。

圖2 由TEC擾動表征的2023年7月12日中國地區強Es結構演化過程

圖3 從上往下依次為追蹤相同衛星的原始功率變化、信號衰落深度、S4指數與TEC變化

為厘清強Es層如何引發強閃爍，研究團隊選取同一顆衛星的信號，追蹤其原始功率變化、信號衰落深度與S4指數的關系（圖3）。結果顯示，Es層在TEC時間序列中表現為持續數分鐘的脈沖狀擾動，同時GNSS信號功率出現短暫衰落，深度可達約3 dB，從而直接誘發幅度閃爍。進一步分析表明，閃爍強度與衛星仰角、TEC擾動幅度密切相關：仰角越小、TEC擾動越大，閃爍越強烈。這意味著，信號穿過Es層的路徑越長、等離子體密度越高，受到的影響就越顯著。

強Es常有，而伴隨的強閃爍不常有，因此強Es的水平演化可能并非影響其閃爍效應的唯一因素。進一步研究揭示，該事例中Es可能存在垂直多層結構。基于澳門科學一號衛星（MSS-1）無線電掩星（RO）探測，數個RO-S4剖面在約100公里高度觀測到多重峰值（圖4），而在對比事例中（有強Es但無強閃爍），掩星探測未觀測到明顯多層結構。雖然掩星剖面未完美穿越強Es結構，但可部分表征此事例中臨近區域Es的垂直特征。進一步基于相位屏理論的數值模擬（圖5）表明，在同等高密度條件下，單層Es引發的S4不超過 0.3，而當層數增加到五層及以上時，S4可超過0.6。數值模擬與觀測結果均表明，Es的垂直多層結構會顯著增強閃爍效應。

圖4 MSS-1無線電掩星探測的（左）切點位置與（右）RO-S4剖面

圖5 于相位屏理論對不同層數的Es結構引發的GNSS閃爍效應的數值模擬結果

該研究在中緯白天觀測到S4接近0.5的罕見較強幅度閃爍，并從原始信號層面完整解析了Es引發閃爍的過程；首次揭示Es的垂直多層結構對閃爍強度的放大作用，為理解Es對GNSS的影響提供了新視角。這一發現不僅對空間天氣預警和導航系統抗干擾設計具有重要意義，也提醒我們，在未來需要更多關注Es垂直形態。學界最新研究指出，全球二氧化碳濃度升高可能增強Es活動，長期來看或將導致GNSS閃爍更頻繁、更強，對高精度定位與導航構成潛在挑戰。

研究成果發表于國際學術期刊GRL（孫文杰，Yuichi Otsuka，李國主，楊哲，紀元法，梁文斌，張仁晉，趙秀寬，胡連歡，趙必強，劉建飛，代國峰，李怡，解海永，寧百齊.?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.）。成果受國家重點研發計劃(2025YFF0510702，2025YFE0115800)、國家自然科學基金項目(42020104002, 42404180, U25A20397, U23A20280, 62471153)、名古屋大學國際合作交流項目、中國科學院基礎研究領域青年團隊穩定支持項目(YSBR-018)、中國科學院日地網和子午工程等聯合資助。