监测电离层闪烁

2025年6月12日

林铭津, 梁伟鸿

甚么是电离层闪烁?

电离层是地球大气上层位于海拔约80至600公里之间，由太阳的极紫外线和X射线在该处使原子和分子电离，从而形成的电子层。

当电离层的电子密度出现不规则分布时，会形成一些电子密度较低的区域，称为等离子体泡（Plasma Bubble）。当无线电波穿过这些区域时，会发生折射或散射，导致信号的强度和相位出现快速起伏变化。这种因电离层扰动造成地面接收信号不稳定的现象，称为电离层闪烁[1]（Ionospheric Scintillation）(图一)。

受电离层闪烁影响的地区，轻微则降低定位结果的准确性和可信度，严重则令卫星定位系统接收器无法锁定讯号，失去定位功能。

电离层闪烁发生的时间和地点

电离层闪烁除了受太阳活动影响外，也会受地理位置、季节和日际变化所影响。

在低纬度地区，电离层闪烁现象通常在日落后至午夜期间最为明显。这是因为日落后太阳辐射强度大幅减弱，电离作用随之下降，导致电离层内电子密度分布变得不均匀，形成显著的电子密度梯度。与梯度相关的电场在低纬度区域特有的地磁力场作用下，会触发不稳定性，进而发展成等离子体泡结构，引致电离层闪烁现象。中纬度地区因缺乏此类有利条件，闪烁相对较少，但在强烈的地磁风暴期间也可能发生[2]。

闪烁活动在春分和秋分季节更为活跃，这与太阳直射角度和有利的地磁条件有关[3]。

此外，太阳活动具有约11年的周期性变化，例如上一个太阳周期高峰出现在2014年，当前2025年亦为太阳活动高峰期[4]。在太阳周期的高峯期，太阳活动和地磁扰动增强，电离层闪烁会出现得较爲频密。

电离层闪烁的监测

天文台于今年3月在京士柏气象站安装了一套全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器 (图二)，实时监测电离层闪烁活动。接收器以50 Hz (即每秒50次) 高频率方式取样，同步接收全球定位系统 (Global Positioning System)、北斗卫星导航系统 (BeiDou Navigation Satellite System) 和其他导航卫星系统数据。由于电离层闪烁会造成GNSS信号传播时的强度起伏与相位变动，透过分析接收到的信号变化，便可监测电离层的闪烁活动。

现时国际上一般以电离层闪烁指数 S4 表示电离层闪烁的强度。通过计算在一段时间内卫星信号的标准差与平均值的比值，便可得出该指数。

S4指数代表的电离层闪烁程度可分为三个等级:

轻微闪烁：	S4少于0.3，
中等闪烁：	S4由0.3至少于0.6，
强烈闪烁：	S4达到或大于0.6。

当S4指数达强烈闪烁程度时，会导致卫星定位系统出现较大定位误差，甚至令定位系统接收器没法锁定讯号。

天文台在安装GNSS接收器后短短数个月内，已成功监测到多次的电离层闪烁现象。其中在今年3月20日春分时分的晚上，录得本港地区出现一次较强的闪烁活动。图三显示当晚全球定位系统和北斗卫星导航系统多颗卫星的S4指数都达到强烈闪烁程度。

另一方面，地政总署在本港设有监测站，接收GNSS卫星数据作定位用途，并比较测量坐标与已知坐标，实时将偏差数据于网上发布[5]。在3月20日，地政总署鰂鱼涌站的监测网页显示当晚大约8时后的一段时间，卫星测量坐标与已知坐标有大幅度的水平和垂直偏移，表示卫星定位系统的准确度受到明显影响 (图四)。

天文台会继续优化电离层闪烁监测系统，利用实时监测数据，加强在太空天气方面的服务，包括支援本港利用无人机进行的低空经济活动。

参考资料：
[1] 香港天文台:太空天气会影响日常生活吗 ?
[2] Li, G., Ning, B., Otsuka, Y. et al. (2021). Challenges to Equatorial Plasma Bubble and Ionospheric Scintillation Short-Term Forecasting and Future Aspects in East and Southeast Asia. Surv Geophys 42, 201–238.（只有英文版）
[3] 程洁, 徐继生, 蔡磊, (2018). 我国低纬电离层闪烁和周跳的统计特征比较, 地球物理学报, 61(1), 18-29.
[4] U.S. National Weather Service, National Oceanic and Atmospheric Administration: Hello Solar Cycle 25（只有英文版）
[5] 地政总署：网路实时动态完整性监测网页