地球大气并非彼此孤立的分层结构，而是一个从低层大气的对流层、平流层一直延伸到高层大气的热层/电离层的连续多圈层耦合系统。近年来越来越多研究表明，发生在低层大气中的天气过程不仅影响降水、气候和天气变化，还可能通过大气波动向上传播，进而影响数百公里高空的电离层环境，对卫星通信、导航定位和空间环境安全产生重要影响。然而，一个长期悬而未决的问题是：低层天气系统产生的扰动究竟如何跨越数百公里高度，最终影响电离层？

青藏高原是全球最重要的大气活动中心之一，其特殊地形孕育出频繁发生的西南低涡。西南低涡不仅是我国西南地区暴雨天气的重要影响系统，也是青藏高原区域能量和物质输送的重要载体。过去研究主要关注西南低涡对天气和降水的影响，而其是否能够进一步影响中高层大气乃至电离层，以及这种跨圈层耦合过程如何实现，一直缺乏直接的观测证据。

围绕这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所乐会军研究员团队选取2022年6月一次典型西南低涡事件，综合运用ERA5再分析资料、中国地壳运动观测网络（CMONOC）GNSS观测资料以及COSMIC-2卫星掩星温度廓线数据，首次系统追踪了从对流层低涡到电离层扰动的传播链条。

研究发现，西南低涡发展过程中，其强烈的垂直运动和对流活动能够在对流层顶附近激发重力波（图1）。COSMIC-2卫星观测显示，这些初级重力波向上传播至约45–50公里高度时发生明显耗散，将动量和能量沉积到背景大气中，从而激发出次级重力波（图2）。次级重力波继续向上传播，在更高高度再次释放能量，并可能催生更高阶重力波。最终，这些高阶重力波到达热层和电离层，通过中性大气与电离层等离子体之间的耦合作用，引发明显的中尺度电离层行进扰动（图3）。

图1 2022年6月17日3:00-6:00UT西南低涡发展过程中，150 hPa处的垂直速度演变（左图）以及28°N纬度上O₃–PV的经度-高度剖面（右图）。对流层顶附近垂直运动速度先出现明显的速度向上区域，此后出现波状运动结构；对流层顶向下运动，重力波在对流层顶被激发

图2 2022年6月17日，COSMIC-2卫星在北纬20–35°和东经90–120°区域的干温信息。(a,b) 为UT 04:09的剖面的温度与扰动；(c,d) 为UT 05:42的剖面温度与扰动；(e)为掩星剖面的轨迹；十字标记表示涡旋中心。从图b、图d中可以看出，温度扰动的波状结构在对流层顶出现后，在45-50km处消失，这说明初级重力波在对流层顶产生后，在45-50km处耗散

图3 2022年6月17日dTEC观测数据：(a) 07：20 UT的dTEC图；(b) 07：40 UT的dTEC图；(c) 27°N经线上的Keogram图；(d) 103°E经线上的Keogram图。观测发现6：00-9：00 UT存在一个自东向西传播的MSTID

值得注意的是，研究团队利用射线追踪技术发现，电离层中观测到的扰动并非由对流层产生的重力波直接传播而来，而是在约135公里高度附近出现了新的波源区域（图4）。这一结果表明，从对流层到电离层的能量传输并非传统认识中的“一步直达”过程，而是经历了“初级重力波→次级重力波→高阶重力波”的多级接力传播过程。

图4 从250km开始对MSTID波阵面上的四个点进行逆向射线追踪。（a-b）不同高度下光线的纬度和经度变化；（c）从250公里处的MSTID波前出发，终止于约101 km处的完整射线追踪，空间汇聚点位于约135km附近，此处可能是重力波产生的重要区域

该研究首次为西南低涡影响电离层提供了完整的观测证据链，揭示了天气系统通过多级重力波实现跨越数百公里高度的大气垂直耦合机制。研究不仅深化了人们对青藏高原区域大气-电离层耦合过程的认识，也为理解低层天气系统对空间环境的影响打开了新的科学视角，从数据和理论层面丰富和发展了我国学者围绕这一问题持续数十年的探索。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（姚惟、乐会军、孙文杰、刘立波、陈一定. Multi-Step Gravity Wave Propagation From a Tropospheric Vortex to the Ionosphere Near the Tibetan Plateau[J]. Geophysical Research Letters, 2026, 131: e2025JA034386. DOI: 10.1029/2026GL121858.）。研究受国家自然科学基金（42274223）、中国科学院战略性先导科技专项B类（XDB0780000）的资助。

姚惟（博士生）