电离层闪烁是指无线电信号穿越电离层时，受电离层电子密度不规则体结构影响，引起信号振幅、相位发生快速、随机的起伏变化.电离层闪烁不仅反映了不规则体结构的物理特性，并且容易造成接收信号的信噪比下降，误码率升高，严重影响卫星导航定位和通信系统的可靠性与精度.

电离层闪烁现象主要源于电离层的不规则体结构，自20世纪60年代，电离层E区场向不规则体在赤道电集流区被首次发现，很多国家和地区针对E层不规则体结构相继开展研究，特别是人造卫星和地面雷达的投入使用，扩大了电离层不规则体探测的时空范围.日本学者Yamamoto等(1991)利用MU雷达观测中纬电离层E区不规则结构时在雷达运行支撑环境RTI图上发现了连续回波和准周期回波两种不同形态的结构.结合中纬测高仪Es观测结果，两者之间呈现较好的相关性(Haldoupis and Schlegel, 1996).此后，美洲中纬地区、东亚以及印度等地区的雷达相继用于E层不规则结构的探测研究(Hysell and Burcham, 1999; Pan et al., 1994; Pan and Tsunoda, 1998; Tsunoda et al., 1999; Venkateswara Rao et al., 2009)，其结果表明准周期回波通常出现在1800-0600 LT之间，高度主要位于95~125 km之间.中国科学院地质与地球物理研究所的研究人员利用中国大陆首台电离层相干散射VHF雷达针对我国低纬地区E层不规则结构进行了深入细致的研究(宁百齐等, 2013; 李国主等, 2013)，给出了与其他地区类似的回波特征，同时阐述了可能的物理机制.上述研究给出了E层不规则结构的基本特征，同时表明了不规则体结构与纬度密切相关.

电离层不规则体引起的无线电闪烁表现出较为明显的日变化、季节变化以及随太阳活动、地磁活动的变化特点.地基GPS闪烁接收机是开展电离层闪烁研究广泛采用的探测技术之一，它能够获取某一固定观测位置的连续闪烁信息，但是无法得到闪烁信息的高度分布剖面.特别是对于海洋以及极区不适合布站的某些地区，更是难以获取电离层闪烁的相关信息.2006年4月，美国和中国台湾地区联合开发的气象、电离层和气候卫星联合观测系统COSMIC正式投入运行.COSMIC发射6颗卫星，分布位于地面800 km，倾角为72°的轨道上，每颗卫星装有GPS天线，用于接收GPS L1和L2频段信号，不仅能够获取大气物理参数的垂直分布，同时首次提供了全球范围内电离层闪烁的三维信息(Schreiner et al., 2007).Ko和Yeh (2010)利用太阳活动低年COSMIC掩星探测得到的电离层闪烁指数分析了南大西洋赤道异常区F层不规则结构的形态，进一步证实日落后赤道电离层电场作用是不规则结构形成的主要因素.Uma等(2012)利用巴西地区距离地面150~350 km高度处的COSMIC S4观测资料验证了由国际参考电离层模型IRI 2007得到的F层不规则结构生成率，结果发现两者具有较好的一致性.Brahmanandam等(2012)、Dymond (2012)利用太阳活动低年COSMIC探测资料分析了全球闪烁指数的三维变化形态，相关结果进一步验证了电离层E层、F层不规则体结构形成的物理机制.

自COSMIC成功运行以来，为全球范围内电离层形态的分析与研究提供了丰富的数据资源.东亚120°E扇区特别是中国南部地区一直是电离层不规则结构和电离层闪烁重点研究的区域，其中电离层闪烁研究大都利用相干雷达和地基GPS探测技术分析电离层F层不规则体及相关的闪烁变化(Liu et al., 2015; 尚社平等, 2005; Li et al., 2012, 2013a)，其结果表明我国南部电离层F层不规则体和闪烁主要发生在春秋季，较强的闪烁始于日落后，并持续至午夜前后.尽管电离层E层不规则体结构的研究较为深入(宁百齐等, 2013; Li et al., 2014)，但与之相关的电离层闪烁现象的研究却相对缺乏，其变化特征与E层不规则体结构是否密切相关？与F层的闪烁变化是否具有某些相似性，还是存在较大的差异？针对这些亟待解决的问题，有必要对电离层E层闪烁现象进行分析.本文主要是利用COSMIC掩星在2007-2013年不同太阳活动条件下的电离层探测资料，全面分析120°E经线附近电离层E层闪烁现象的发生及变化规律，致力于探求电离层E层闪烁的物理机制，同时为未来构建区域电离层闪烁模型提供信息参考.文章第2节介绍COSMIC掩星闪烁指数测量的基本原理，第3节深入分析了电离层E层闪烁现象的季节、地方时和空间三维观测结果，第4节和第5节分别对所得结果进行讨论和总结.

GPS掩星观测是利用低轨卫星LEO获取地球表面至卫星高度范围内的三维大气剖面资料.当GPS卫星在地球边缘上升或下降时，安装在COSMIC卫星的GOX天线能够接收GPS卫星L1波段信噪比SNR强度，将50 Hz的信号强度进行平均得到1 s内信号强度的均方根误差σ：

(1)

式中，I为信噪比平方即信号强度，〈I〉为信号强度的均值，〈〉表示对1 s内的物理量进行平均.假设闪烁信号的强度服从高斯分布，COSMIC数据存档与分析中心CDAAC利用均方根误差σ和信号强度均值两项参数，由式(2)构造闪烁指数S4(Brahmanandam et al., 2012)：

(2)

在S4指数计算过程中，为消除卫星运动因素导致接收信号的功率变化，有必要采用低通滤波消趋势减弱这种影响，即利用滤波后消趋势的〈I〉替代原有〈I〉，进一步更新S4指数.COSMIC系统平均每天能够提供6000~7000组S4指数的剖面资料，其高度分布从地球表面延伸至800 km.本文选取CDAAC提供的后处理闪烁数据S4max分析闪烁活动的变化特点，S4max为一组闪烁指数剖面的最大值.CDAAC除提供S4max观测值外，同时给出观测到S4max时的地理经度、纬度、地方时和高度.为了考察太阳活动和地磁活动对电离层闪烁形态的影响，文中选取2007-2013年连续7年的探测资料，给出太阳活动指数F107和地磁活动指数Kp的变化，其结果如图 1所示.其中2008-2009年为太阳活动的极小年，F107指数大都低于80 SFU；2011-2013年太阳活动明显增强，其最大F107指数接近200 SFU，平均值约为117 SFU.地磁活动指数Kp，采用0~9之间的数字来表征水平磁场的最大变化量，数值越大意味磁场变化的幅度越大.太阳活动高年，增强的太阳风会将磁层压缩，从而造成磁场强度的变化.通常Kp指数每3小时取值一次，图 1给出的是日平均Kp指数的变化.由图可见，2007-2009年绝大部分Kp指数低于3，2010-2013年地磁活动增强，部分指数接近6.

图 1

Fig. 1

图 1 2007-2013年太阳辐射指数F107(上图，黑色实线为F107=100)和地磁活动指数Kp(下图，黑色实线为Kp=3)的变化 Fig. 1 F107 (upper panel, black solid line denotes F107=100) and Kp (lower panel, black solid line denotes Kp=3) variations during 2007-2013

将春分(03/22)、夏至(06/22)、秋分(09/22)和冬至(12/22)前后45天的范围分别定义为春夏秋冬四季(分别标记为M、J、S、D).通常电离层E层定义为80~130 km的高度范围，但边界上下会略有浮动，又考虑到电离层闪烁活动具有随高度变化的特点，文中选取70~140 km高度范围内的观测值S4max分析闪烁活动的季节、地方时和空间变化.依上述季节的时间间隔分类观测数据，针对每一观测子区域，采用最小二乘法获取S4max的平均值.文中涉及的纬度均指地磁纬度，其分辨率为5°，高度分辨率为10 km，时间分辨率为1 h.图 2给出了E层区域闪烁指数S4max的时间-纬度变化.由图可见，强闪烁指数主要集中在磁纬度±30°范围左右，随纬度升高闪烁强度降低，中纬地区(±40°~60°)基本观测不到明显的闪烁现象，但高纬地区(±60°~90°)闪烁强度又有所增强.全年较为明显的闪烁现象出现于0600 LT之后，一直持续至午夜甚至日出前，但午夜至日出前闪烁强度减弱，且发生的区域范围不同程度地减小.高纬地区较为明显的闪烁大都发生在傍晚1800 LT后，通常持续至夜间或凌晨.E层闪烁最大值的位置(纬度)明显与太阳辐射时间有关，夏季(J)和冬季(D)的闪烁强度高于春季(M)和秋季(S)的观测结果，但南北半球并非对称分布，北半球夏季(J)的闪烁强度明显高于南半球夏季(D)的闪烁强度.春(M)、秋(S)两季闪烁强度相差不大，但秋半球闪烁强度略高于春半球的观测结果.与太阳活动低年(2007-2009)的闪烁观测结果相比，太阳活动高年(2011-2013)电离层闪烁强度略有降低.

图 2

Fig. 2

图 2 2007-2013年电离层E层闪烁指数S4max的时间-纬度二维变化 Fig. 2 Local time versus magnetic latitude profile of ionospheric E-layer scintillation index during 2007-2013

为分析不同区域电离层E层闪烁的垂直分布形态，首先依地磁纬度将±60°~90°、±30°~60°、±15°~30°依次划分为高纬、中纬、赤道异常区.考虑到磁赤道区通常指赤道电集流EEJ影响的区域，文中将±0°~5°划分为磁赤道区.图 3描述了不同纬度在太阳活动低年(2007-2009)和高年(2011-2013)的时间-高度二维变化.由图可见，无论太阳活动低年还是太阳活动高年，全年电离层闪烁的峰值大都出现在110 km附近，但高纬地区略有降低.赤道异常区是强闪烁发生的区域，特别是夏季不仅闪烁强度大，且从70 km一直延伸至140 km.与赤道异常区的观测结果相比，磁赤道区的闪烁强度有所降低，中高纬地区随纬度升高闪烁指数进一步变小.电离层闪烁最大值在各纬度带出现的时间不尽相同，高纬和中纬地区分别在午夜前和正午前后出现最大值，赤道异常区和赤道地区则在傍晚1800 LT出现极大值.闪烁现象在高纬地区持续的时间集中在傍晚至午夜，其他地区闪烁持续的时间则明显增加，从正午前直到午夜，甚至午夜后.与太阳活动低年相比，太阳活动高年的闪烁强度有所降低，但幅度不大.此外，赤道异常区和赤道区的观测结果显示在140 km左右的高度出现了较为明显的闪烁现象，这很可能与中低纬中间层及产生的不均匀体关联(Li et al., 2013b).

图 3

Fig. 3

图 3 不同地磁纬度区域电离层E层闪烁指数S4max的时间-高度二维变化从上至下依次为地磁高纬、中纬、赤道异常区和磁赤道区域. (a)太阳活动低年(2007-2009); (b)太阳活动高年(2011-2013). Fig. 3 Two-dimensional variation of local time versus altitude at different magenetic latitudes High-latitudes, mid-latitudes, equatorial anomaly region and magenetic equator from top to bottom (a) During the solar minimum of 2007-2009; (b) During the solar maximum of 2011-2013.

图 2和图 3的观测结果表明太阳活动会对电离层闪烁现象产生某种程度的影响，为进一步分析空间天气对闪烁现象的影响，文中探讨了不同地磁活动电离层E层闪烁指数的变化.考虑到较强闪烁出现的时间，将一天划分为4个时段0000-0600 LT、0600-1200 LT、1200-1800 LT和1800-2400 LT，分析平静日(Kp < 3)和磁扰日(Kp > 3)闪烁指数S4max的纬度-高度变化，其结果如图 4所示.由图可见，与平静日相比，磁扰日闪烁峰值的强度总体上略有降低.但凌晨时段(0000-0600 LT)平静日和磁扰日的闪烁强度无明显差别.

图 4

Fig. 4

图 4 不同地方时段磁静日(Kp < 3, 上图)和磁扰日(Kp > 3, 下图)电离层E层闪烁指数S4max的纬度-高度二维变化 Fig. 4 Magnetic latitude versus altitude profile of ionospheric E-layer scintillation index during the magnetically quiet times (Kp < 3, upper panel) and disturbed times (Kp > 3, lower panel)

本文利用COSMIC系统2007-2013年的探测资料针对电离层E层闪烁指数的季节、时间和空间变化开展研究，旨在结合相关不规则体的探测结果，探求电离层E层闪烁物理机制.对比Brahmanandam等(2012)利用太阳活动低年2008的E层分析结果，其闪烁活动的空间分布、季节分布以及闪烁峰值的高度与本文得到的观测结果基本上是一致的，但S4max的大小略有差别.由于二者观测资料的时间跨度和经度范围不同，闪烁指数大小的差异应当是合理的.此外，Brahmanandam等(2012)的分析结果表明磁静日的闪烁活动高于磁扰日的闪烁活动，这与本文得到的结果也是一致的.

电离层闪烁现象通常与不规则体的结构密切相关，中低纬电离层E区准周期回波的探测结果表明E层准周期回波主要出现在日落后至午夜前后，发生的高度大都位于95~125 km (Hysell and Burcham, 1999; Pan et al., 1994; 李国主等, 2013).本文利用COSMIC掩星探测资料给出的E层低纬地区闪烁的峰值主要发生在日落后，且闪烁现象持续至午夜后，这与上述E层准周期回波的观测结果基本是吻合的.此外，E层连续性回波的探测结果表明白天单层连续性回波大都发生在凌晨至正午前后(宁百齐等，2013)，这很可能是导致正午前后明显闪烁现象的因素，但还需结合其他观测手段的数据进一步加以验证.

对于地基观测GPS卫星L1信号(频率为1575.42 MHz), 菲涅耳尺度约为390 km (冯健等，2015; Liu et al, 2015)，因而与之相关的闪烁研究大都描述的是电离层F层区域.由本文得到的E层闪烁特征，对比目前F层观测结果，两者之间有较为明显的差别，其差异可以归结为电离层不规则体结构.电离层偶发E层Es是低纬地区经常出现的不规则结构，其水平尺度有时达到上百公里，垂直尺度通常小于十公里.由于垂直尺度较小，Es层的电子含量与F层相比明显偏少，而电离层闪烁通常起源于电子密度大幅度扰动或大尺度不规则体结构，加之地基GPS接收机几乎探测不到白天Es引起的闪烁，因而人们很少将Es和GPS闪烁现象之间相互关联.但随着空间探测特别是卫星技术的快速发展，不断有研究表明Es和闪烁现象之间存在着相关性(Maruyama, 1991; Paul et al., 2001; Brahmanandam et al., 2012).与地基GPS探测技术相比，天基GPS掩星信号在E层传播的路径很长，尽管Es层的高度很薄，但由于掩星信号在E层传播的水平距离很大，Es可以引起明显的掩星闪烁现象.Smith利用地面雷达在太阳活动极小期1951-1952年的观测数据分析了极区(70°)、中纬(50°)和赤道区域(1°)偶发E层发生的概率(Smith, 1957).为进一步分析E层闪烁和偶发Es之间的关联，文中利用COSMIC系统在太阳活动极小年2008-2009的观测数据S4max分析了上述区域的时间变化，其结果如图 5所示.与Smith的研究结果相比，偶发E层Es出现的概率越大，对应的闪烁指数就越大，很大程度上确定了E层闪烁与Es层是密切相关的.需要说明的是，本文所用观测数据与Smith所用地面雷达观测数据的时间跨度并不相同，会造成某些区域的局部存在偏差.

图 5

Fig. 5

图 5 太阳活动极小年(2008-2009)电离层E层闪烁指数的季节-时间变化 从上至下依次为地磁纬度70°, 50°和1°. Fig. 5 Seasonal-temporal variations of scintillation index during solar minimum years From top to bottom: 70°, 50° and 1°.

由COSMIC掩星探测得到的E层闪烁现象随地磁纬度分布结果可以看出，闪烁指数S4max的最大值主要出现在低纬赤道异常区，并非磁赤道地区，相关观测结果进一步验证了Es层形成的物理机制.电离层赤道、中纬和高纬地区Es层形成的机制各不相同，目前普遍认为中纬Es形成的基本机制是风剪切理论.低纬电离层E层不规则结构的观测表明低纬E区场向不规则结构与赤道地区截然不同，但与中纬地区非常类似(李国主等，2013).由于洛伦兹力，向东吹的风使离子向东向上运动，在某个高度存在东向风而略高一点的高度上存在西向风，就会造成风剪切，上面的离子向下运动，下面的离子向上运动，这些离子得到有效压缩，结果造成正电荷的积累，电子受到吸引，沿磁力线运动.风剪切的结果使离子横越磁力线运动，由于磁化电子的吸引，离子会维持在磁力线附近，以保持电中性，结果导致在偏离磁赤道的低纬地区比磁赤道更容易汇聚成薄层，从而表现出较强的电离层闪烁现象.磁赤道地区呈现的不规则结构通常认为与赤道电集流EEJ等离子体引发的双流和梯度不稳定性有关.在扰动电场的作用下，等离子体向上/向下漂移，从而引起较低/较高密度等离子体上升/下降到较高/较低密度的区域，进一步加剧了等离子体的不稳定性(Fejer and Kelley, 1980).

从文中电离层闪烁指数的分布特征可以看出，E层闪烁峰值明显与太阳辐射时间有关，但北半球夏季的闪烁强度明显高于南半球夏季的闪烁强度，秋半球的闪烁强度略高于春半球的观测结果.此外，太阳活动高年和地磁活动增强期间，闪烁峰值的大小略有降低.对于上述闪烁现象的机理尚未明确，有待结合多种探测手段，收集更多数据进一步研究.

COSMIC掩星探测反演得到的物理参数位置为电波路径的切点或近地点(Schreiner et al., 1999), 电波穿过近地点所在该层电离层的高度远高于穿过电离层其他层的高度，即穿越近地点高度层所占的比重最大，因而各层之间的观测值并不相互影响.文中主要依据电离层E层的高度定义针对E层的闪烁活动开展研究，但电离层闪烁现象随时间和空间变化，将各高度对电波的影响完全分开是非常困难的，如140 km是电离层E和F层交互的高度，将该位置的闪烁活动简单归结为E层区域范围分析其物理机制，显然缺乏合理性，未来工作将进一步对140 km以上高度的闪烁现象及成因进行研究.局部球对称是COSMIC掩星探测大气和电离层参数的重要假设条件之一，容易导致低纬地区反演参数性能降低.电离层闪烁指数则是通过直接测量GPS卫星L1波段信噪比强度计算得到的，计算过程中不依赖于局部球对称假设，因而具有较高的可靠性，能够较为准确地描述全球范围内电离层闪烁形态的变化.但闪烁指数毕竟是基于电波直线传播和高斯分布假设的计算结果，其可靠性在某种情况下会有所下降.未来研究工作有必要利用多类观测技术针对COSMIC掩星闪烁探测性能进行评估.

文中利用2007-2013年COSMIC掩星S4max探测资料全面分析了120°E经线上电离层闪烁的季节、纬度、高度变化，相关结果表明：(1)低纬电离层E层闪烁强度夏季最大，冬季次之，春季最小.电离层E层闪烁峰值和太阳辐射有关，但闪烁大小呈现南北非对称分布. (2)高纬地区闪烁峰值高度约在100 km，中低纬地区闪烁峰值略有升高大约位于110 km的高度.(3)高纬地区较强的闪烁出现在入夜之后并持续至凌晨左右，中低纬地区于日出后出现较强的闪烁现象，并在正午前后达到极大值，磁赤道附近区域闪烁的峰值则出现于1800 LT前后.(4)太阳或地磁活动的增强会抑制电离层E层闪烁现象的发生.

感谢COSMIC数据存档与分析中心CDAAC/台湾数据分析中心TACC为本文提供数据.