雷暴作为强烈的对流活动，不仅能诱发对流层湍流，还可能通过垂直能量传输引起电离层扰动并产生不均匀体，因此实现从对流层至电离层的同步探测对理解跨圈层耦合机制、提升空间天气预报精度等至关重要。目前，雷暴观测主要依赖X、C、S等短波气象雷达。这类雷达波长较短，对大气湿度梯度敏感，但能量易在低层大气耗散，难以抵达电离层高度。而对电离层不均匀体的探测则多采用窄波束甚高频（VHF）雷达，其波束常垂直指向地磁场方向，用于分析电离层场向不均匀体特性。然而，受限于电离层探测的窄波束配置，这类雷达难以做到同步追踪低层雷暴。因此，现阶段仍缺乏一种可以同时对垂直与水平方向覆盖几公里至数百公里的大气活动进行观测的有效手段，这极大地限制了跨圈层耦合机制的研究。

针对这一挑战，中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室刘建飞等人基于VHF波段的全天空流星雷达进行技术开发，利用其全天空大视场探测能力，结合多基地定位技术，发展了在低层大气中探测和追踪雷暴的新方法（如图1）。该技术以三亚雷达为收发站，乐东雷达为接收站，构建了双基地干涉探测系统，获得了跨圈层同步观测能力。

图1 双基地全天空流星雷达系统配置示意图

基于该技术，成功对2024年6月5日发生于海南地区的雷暴过程进行了跟踪观测。双基地系统同步捕获了低距离门的高信噪比回波（图2a、图2d），到达角分布均指向海南岛西南沿海方向（图2b、图2e）。干涉定位结果表明（图2c、图2f），两台雷达观测到的是同一雷暴活动，且与单站定位相比，双基地系统展现出多重优势：可通过交叉验证有效提高定位精度；能够通过相互补偿探测盲区来扩大覆盖范围；并可利用重叠观测区域保持观测的时空连续性。此外，该系统还能揭示雷暴的垂直发展结构（图3）。观测显示，19:00 UT至21:00 UT期间，回波上下边界高度显著上升，与云顶高度变化趋势一致。结合云顶高度在18:15 UT后的骤升及后续的持续抬升过程，观测结果清晰反映了对流活动与雷暴增强过程。

图2 （左）三亚（上）和乐东（下）的全天空流星雷达回波的距离-时间-强度（RTI）图，（中）回波到达角，（右）回波空间位置。黑色点框标记了几个主要回波区域

图3 双基地系统观测到回波结构的垂直发展。左图和中图分别为三亚和乐东的观测结果，右边子图为综合两站的探测结果。蓝色虚线为回波的上下边界高度变化，点线为附近地区云顶高度（CTH）和云底高度（CBH）变化

为精细解析雷暴演变过程，研究将双基地全天空雷达在四个时刻观测的散射回波与组合反射率图进行叠加对比（图4）。结果显示，19:00 UT两台雷达分别在各自站点南侧观测到雷暴回波。随后至20:00 UT，回波结构持续向东北移动，与对流云团移动方向一致。20:30 UT后，对流云团逐渐移出乐东雷达探测范围，回波由三亚雷达持续跟踪。整个过程中双基地系统观测的雷暴空间演变与40–50 dBZ的高组合反射率的雷暴核心区移动轨迹高度一致，有效验证了全天空流星雷达在追踪雷暴活动方面的有效性与准确性。

双基地全天空流星雷达系统利用VHF波段雷暴湍流的布拉格散射信号来定位雷暴，有效避免了传统短波气象雷达普遍存在的扇形伪回波干扰问题，同时具有比窄波束VHF雷达扩展的水平探测范围。该技术的成功实现，使全天空流星雷达同时兼具低层大气雷暴活动和流星事件/电离层不均匀体/中间层风场的观测能力，为低层大气雷暴活动的研究提供了新方法，对雷暴早期预报及探究低层大气与电离层耦合机制具有重要价值。

图4 雷暴在不同发展时段的组合反射率。三角形与圆点分别表示乐东与三亚雷达回波干涉定位结果

相关成果发表于国际学术期刊JGR: Atmospheres（刘建飞，孙文杰^*，李国主，胡连欢，李怡，解海永，赵秀宽，代国峰，宁百齐. 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.）。成果受国家自然科学基金项目(42020104002、41727803)、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目(YSBR-018)和中国科学院日地环境研究网络(STERN)的支持和资助。