地球大气中的金属钠元素来源于消融的流星体,分别以金属钠原子和钠离子层的形式分布在80-105公里和90-130公里的中间层和低热层区域中。中间层和低热层是大气从中性层到部分电离层的过渡区域,既受到太阳辐射和高能带电粒子的影响,又受到低层大气的中尺度对流天气和雷暴闪电活动的影响,因此,这个区域的动力学、光化学过程变得尤为复杂。这一区域的中性金属原子密度变化会受到大气成分、大气温度以及风剪切作用的影响,而富集的中性金属钠原子可以被钠共振荧光激光雷达探测并反演出钠原子密度,因此被当作地球大气探测的良好示踪物,用来研究大气的化学和动力学演化过程。电离层突发E层（Es层）是由Fe+,Na+等金属离子构成,它的变化主要是受太阳活动,地磁活动和热层成分变化所调制,但最近的一些研究表明中尺度对流天气和雷暴活动等低层大气活动也会影响电离层状态。大气中间层和低热层区域是传统大气观测的探测盲区,尤其是对中性大气层的观测。在过去十几年的时间里,我国启动并建设了“东半球空间环境地基综合监测子午链”工程（简称子午工程）,建立起了沿我国东经120°子午线和北纬30°附近的空间环境观测链。这些临近空间的地基观测台站为中间层和低热层金属成分特性研究以及低层大气和高层大气的垂直耦合研究提供了宝贵的数据,同时也可以进一步检验电离层突发E层和中间层突发钠层的相关性。本论文的主要研究工作如下:第一,基于2006年到2014年的COSMIC卫星数据,利用对GPS掩星观测在90到130公里的信号扰动,反演得到全球电离层突发E层的强度,发现突发E层的分布和地球磁场有关,并且突发E层有着显著的季节变化,在夏季半球出现极大值,这和以往关于电离层突发E层的全球发生率的结果较为一致。第二,利用子午工程的三亚和北京台站的电离层观测数据和全球闪电定位系统WWLLN闪电数据,对雷暴闪电之后的电离层突发E层的电子密度变化进行研究,在三亚站发现了闪电之后电离层突发E层有着临界频率foEs显著增强和虚高h’Es降低的现象。电离层突发E层对闪电的响应和闪电能量强弱有关:能量越高的闪电对电离层突发E层的影响越显著。闪电之后电离层突发E层增强的机制可能是雷暴活动激发的重力波向上传播,将地球低层大气中的能量和动量传输到高层大气中。第三,首次观测发现低层强雷暴活动和中间层金属钠层存在耦合作用。利用子午工程海口观测站的钠荧光共振激光雷达的中间层金属钠原子密度数据和全球闪电定位系统WWLLN闪电数据,对在雷暴影响下中间层金属钠原子层的变化进行研究,发现闪电之后19小时钠原子密度和柱密度都出现显著增强,这也是第一次基于大量统计观测证明雷暴可以影响到距离地球表面90公里之上的金属层。第四,利用之前研究得到的雷暴过程中海口金属钠层钠原子密度在闪电之后增强的所有观测事件,结合三亚站和富克站电离层数字测高仪同时观测的电离层突发E层数据,对中间层/低热层金属成分和低层大气雷暴活动耦合过程的机制进行研究。基于中间层和热层中钠原子和钠离子涉及到的化学反应,对这一过程金属离子和中性成分的变化进行了模拟。同时我们利用雷暴-电离层模型对雷暴过程中的电离层突发E层电子密度的变化进行研究,提出雷暴产生的电场和激发的重力波活动可能是引起雷暴之上的中间层金属钠原子层和电离层突发E层增强的可能机制。地球中间层金属钠层和电离层突发E层在雷暴活动过程中对闪电有着显著的响应,表明低层大气和高层大气紧密联系。低层强雷暴活动和中间层金属钠层存在耦合作用,这种低层大气和高层大气相互耦合,影响整个大气的动力学过程,化学过程和大气特性。因此,雷暴活动对大气金属层的影响过程需要开展进一步的模拟和观测研究工作。