雷暴作為強烈的對流活動，不僅能誘發(fā)對流層湍流，還可能通過垂直能量傳輸引起電離層擾動并產(chǎn)生不均勻體，因此實現(xiàn)從對流層至電離層的同步探測對理解跨圈層耦合機制、提升空間天氣預報精度等至關重要。目前，雷暴觀測主要依賴X、C、S等短波氣象雷達。這類雷達波長較短，對大氣濕度梯度敏感，但能量易在低層大氣耗散，難以抵達電離層高度。而對電離層不均勻體的探測則多采用窄波束甚高頻（VHF）雷達，其波束常垂直指向地磁場方向，用于分析電離層場向不均勻體特性。然而，受限于電離層探測的窄波束配置，這類雷達難以做到同步追蹤低層雷暴。因此，現(xiàn)階段仍缺乏一種可以同時對垂直與水平方向覆蓋幾公里至數(shù)百公里的大氣活動進行觀測的有效手段，這極大地限制了跨圈層耦合機制的研究。
針對這一挑戰(zhàn)，中國科學院地質與地球物理研究所空間環(huán)境探測實驗室劉建飛等人基于VHF波段的全天空流星雷達進行技術開發(fā)，利用其全天空大視場探測能力，結合多基地定位技術，發(fā)展了在低層大氣中探測和追蹤雷暴的新方法（如圖1）。該技術以三亞雷達為收發(fā)站，樂東雷達為接收站，構建了雙基地干涉探測系統(tǒng)，獲得了跨圈層同步觀測能力。
圖1 雙基地全天空流星雷達系統(tǒng)配置示意圖
基于該技術，成功對2024年6月5日發(fā)生于海南地區(qū)的雷暴過程進行了跟蹤觀測。雙基地系統(tǒng)同步捕獲了低距離門的高信噪比回波（圖2a、圖2d），到達角分布均指向海南島西南沿海方向（圖2b、圖2e）。干涉定位結果表明（圖2c、圖2f），兩臺雷達觀測到的是同一雷暴活動，且與單站定位相比，雙基地系統(tǒng)展現(xiàn)出多重優(yōu)勢：可通過交叉驗證有效提高定位精度；能夠通過相互補償探測盲區(qū)來擴大覆蓋范圍；并可利用重疊觀測區(qū)域保持觀測的時空連續(xù)性。此外，該系統(tǒng)還能揭示雷暴的垂直發(fā)展結構（圖3）。觀測顯示，19:00 UT至21:00 UT期間，回波上下邊界高度顯著上升，與云頂高度變化趨勢一致。結合云頂高度在18:15 UT后的驟升及后續(xù)的持續(xù)抬升過程，觀測結果清晰反映了對流活動與雷暴增強過程。
圖2 （左）三亞（上）和樂東（下）的全天空流星雷達回波的距離-時間-強度（RTI）圖，（中）回波到達角，（右）回波空間位置。黑色點框標記了幾個主要回波區(qū)域
圖3 雙基地系統(tǒng)觀測到回波結構的垂直發(fā)展。左圖和中圖分別為三亞和樂東的觀測結果，右邊子圖為綜合兩站的探測結果。藍色虛線為回波的上下邊界高度變化，點線為附近地區(qū)云頂高度（CTH）和云底高度（CBH）變化
為精細解析雷暴演變過程，研究將雙基地全天空雷達在四個時刻觀測的散射回波與組合反射率圖進行疊加對比（圖4）。結果顯示，19:00 UT兩臺雷達分別在各自站點南側觀測到雷暴回波。隨后至20:00 UT，回波結構持續(xù)向東北移動，與對流云團移動方向一致。20:30 UT后，對流云團逐漸移出樂東雷達探測范圍，回波由三亞雷達持續(xù)跟蹤。整個過程中雙基地系統(tǒng)觀測的雷暴空間演變與40–50 dBZ的高組合反射率的雷暴核心區(qū)移動軌跡高度一致，有效驗證了全天空流星雷達在追蹤雷暴活動方面的有效性與準確性。
雙基地全天空流星雷達系統(tǒng)利用VHF波段雷暴湍流的布拉格散射信號來定位雷暴，有效避免了傳統(tǒng)短波氣象雷達普遍存在的扇形偽回波干擾問題，同時具有比窄波束VHF雷達擴展的水平探測范圍。該技術的成功實現(xiàn)，使全天空流星雷達同時兼具低層大氣雷暴活動和流星事件/電離層不均勻體/中間層風場的觀測能力，為低層大氣雷暴活動的研究提供了新方法，對雷暴早期預報及探究低層大氣與電離層耦合機制具有重要價值。
圖4 雷暴在不同發(fā)展時段的組合反射率。三角形與圓點分別表示樂東與三亞雷達回波干涉定位結果
相關成果發(fā)表于國際學術期刊JGR: Atmospheres（劉建飛，孫文杰*，李國主，胡連歡，李怡，解海永，趙秀寬，代國峰，寧百齊. First observation of thunderstorm occurrences in the lower atmosphere by all‐sky meteor radars [J].?Journal of Geophysical Research: Atmospheres,2025,130(23):e2025JD044232. DOI：10.1029/2025jd044232.）。成果受國家自然科學基金項目(42020104002、41727803)、中國科學院基礎研究領域青年團隊穩(wěn)定支持項目(YSBR-018)和中國科學院日地環(huán)境研究網(wǎng)絡(STERN)的支持和資助。