近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院薛向辉教授课题组利用中国科大在我国中东部地区建立的多站流星雷达系统，发展了基于多站流星雷达组网观测的中高层大气三维风场成像技术，将水平分辨率从400千米提高到30千米，并提出了垂直风反演方法，实现了我国中东部地区中高层大气区域三维风场精细探测。相关研究成果以“Mesosphere/lower thermosphere 3-dimensional spatially resolved winds observed by Chinese multistatic meteor radar network using the newly developed VVP method”为题发表于大气科学国际知名学术期刊《地球物理研究杂志：大气》（Nature Index期刊）上。
中高层大气是地球大气向太空过渡的关键区域，在日地空间各个大气圈层耦合过程中起着承上启下的作用。中间层-低热层作为研究中高层大气的代表区域，有着非常剧烈的大气运动和最为丰富的大气波动现象，因此对探测该区域内的大气风场对于理解其内部大气动力学过程及动量能量的垂直输运过程有着重要意义。
流星雷达是中高层大气风场探测的主要手段之一。目前国内外流星雷达通常采用的是单站自发自收观测模式（即雷达接收机和发射机位于同一处），利用流星尾迹的后向散射回波反演水平风场。然而，单站流星雷达反演风场时需假设整个观测范围（半径约为200千米）内的风场为相同速度和方向（即水平风场的同一性），这意味着只能获得大气水平平均风场，缺乏水平方向上的分辨率。另一方面，大气垂直风可以直接反映大气动量、能量和成分的垂直输运过程，这对于研究全球大气的动力学过程及其经向环流具有重要意义。但是中间层-低热层大气垂直风量级很小（通常只有0.1cm/s至1m/s），导致对垂直风探测技术的精度要求很高，因此中间层-低热层大气垂直风探测是目前中高层大气探测技术中最薄弱的环节之一，数据非常稀缺。
针对上述问题，为了实现中间层-低热层大气区域三维精细风场探测，中国科学技术大学中高层大气团队在中国中东部地区建立了我国首套多站流星雷达系统，发展了多站流星雷达间信号的互发互收技术，实现多站流星雷达组网观测。如图1所示，该多站流星雷达系统包括蒙城、肥东流星雷达以及长丰远程接收站，中国科学院地质与地球物理研究所武汉站流星雷达，组成了3发5收多站流星雷达系统。多站流星雷达不仅可以扩大观测范围、增加流星探测数量，最重要的是由于能够同时对同一片区域从不同角度进行观测，最终可以实现中间层-低热层大气三维风场探测。
图1. 中国中东部多站流星雷达观测网工作示意图（从左至右：肥东、长丰、蒙城、武汉站）。
在此基础上，薛向辉教授课题组与瑞士伯尔尼大学应用物理研究所Gunter Stober教授团队合作，发展了基于中东部多站流星雷达系统的三维风场成像技术，实现了中间层-低热层大气三维风场探测。图2展示了我国中东部地区中间层-低热层大气区域二维水平风场变化情况，通过对大气风场的精细化探测，发现该区域大气风场呈现复杂的动力学过程，如大气风场的汇聚、旋转、发散等过程。另外，利用多站流星雷达系统，该研究首次实现了中纬度地区中间层-低热层大气垂直风的长期连续观测。观测得到垂直风基本小于1m/s，符合理论量级，填补了该区域垂直风连续探测的空白。目前，该多站流星雷达系统正在开展日常观测，已积累超过两年的连续观测数据，可以为我国中高层大气环境实时监测和科学研究提供数据支撑。
图2. 多站流星雷达系统观测的中东部地区中间层-低热层大气二维水平风场。
论文第一作者为地球和空间科学学院博士生曾洁，通讯作者为薛向辉教授和易稳副教授。合作者还包括了中国科学院地质与地球物理研究所李国主研究员、宁白齐研究员以及澳大利亚阿德莱德大学Iain Reid教授等。中国科大为该论文第一单位。此研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、双一流专项资助，安徽省自然科学基金、子午工程、瑞士国家自然科学基金等的资助。同时，中国科学院地质与地球物理研究所为本研究提供了武汉流星雷达数据支持。
论文链接：https://doi.org/10.1029/2023JD040642
（地球和空间科学学院、科研部）
