郭相明 康士峰 韓 杰 張玉生 王紅光 張守寶
(中國(guó)電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266107)
岸基和海上無(wú)線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行均需要考慮其工作的大氣環(huán)境,通常基于標(biāo)準(zhǔn)大氣模式[1].蒸發(fā)波導(dǎo)作為海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的特殊大氣結(jié)構(gòu),是影響無(wú)線電系統(tǒng)效能發(fā)揮的重要因素[2].Katzin[3]等指出,世界上幾乎所有海域、所有時(shí)間內(nèi)都可能存在蒸發(fā)波導(dǎo),并具有一定的尺度、天氣和地理特征,對(duì)大氣濕度、海氣溫差和水平風(fēng)速的變化具有敏感性等.當(dāng)海上出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí),位于或臨近波導(dǎo)層中的微波系統(tǒng)的電磁波傳播距離大大提高[4],可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的超視距探測(cè),同時(shí),蒸發(fā)波導(dǎo)也會(huì)造成雷達(dá)測(cè)距和測(cè)高誤差,形成雷達(dá)雜波干擾等.
蒸發(fā)波導(dǎo)的形成機(jī)制是由于大氣和海洋邊界間不平衡的熱力結(jié)構(gòu)導(dǎo)致海-氣相互耦合作用,使得海水表面存在水汽的蒸發(fā),大量水蒸氣附在海表近海面層附近,通過(guò)一定的風(fēng)速作用,使得近海面水蒸氣擴(kuò)散至一定高度,形成從海面飽和水汽到水汽含量迅速遞減的梯度結(jié)構(gòu).蒸發(fā)波導(dǎo)高度是表述蒸發(fā)波導(dǎo)的主要參量.目前獲取海洋蒸發(fā)波導(dǎo)高度或大氣折射率剖面的方法主要有實(shí)際測(cè)量、模型預(yù)測(cè)和海雜波反演等.實(shí)際測(cè)量大氣折射率剖面既可以通過(guò)微波折射率儀直接測(cè)量不同高度上的大氣折射率,也可以采用測(cè)量不同高度上的大氣壓強(qiáng)、濕度、溫度,根據(jù)氣象參數(shù)和大氣折射率的關(guān)系間接得到;模型預(yù)測(cè)法通過(guò)單點(diǎn)測(cè)量近海面空氣溫度、濕度、大氣壓、風(fēng)速、海水表面溫度等氣象水文參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)局部海域的波導(dǎo)高度.雷達(dá)雜波反演法利用雷達(dá)接收的海雜波功率進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)的反演[5];這些方法可以獲取實(shí)測(cè)地點(diǎn)或局部海域特定時(shí)間段的蒸發(fā)波導(dǎo)高度參數(shù),僅僅代表局地海域的蒸發(fā)波導(dǎo)分布特征.
為了獲取蒸發(fā)波導(dǎo)的區(qū)域分布特征,美國(guó)主要采用來(lái)自志愿商船于1970—1984年采集的15年氣象數(shù)據(jù),利用PJ模型計(jì)算獲得了全球大部分海域的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,形成蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù),其空間分辨率為10°×10°,并嵌入到高級(jí)折射效應(yīng)預(yù)報(bào)軟件AREPS(Advanced Refraction Effects Prediction System)中作為環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)模塊;在2008年,F(xiàn)rederickson[6]等,基于精細(xì)氣候的研究方法,利用1970-2007年的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National centers for Environmental Prediction,NCEP)給出的全球氣象再分析同化數(shù)據(jù)和美國(guó)海軍研究生院(Naval Postgraduate School,NPS)提出的蒸發(fā)波導(dǎo)模型,建立了全球蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)全球的蒸發(fā)波導(dǎo)的氣候特征進(jìn)行研究.我國(guó)海域廣闊,海洋資源豐富,在經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中占有舉足輕重的位置,尤其是南海和東海海域有著重要的戰(zhàn)略意義.我國(guó)學(xué)者也開(kāi)展了針對(duì)我國(guó)海域的蒸發(fā)波導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)分析工作:早在2005年,藺法軍[7]等利用1982-1999年的海洋觀測(cè)資料,運(yùn)用偽折射率模型對(duì)東經(jīng)100~140°,北緯0~40°海域的蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率、高度和強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;丁菊麗[8]等利用2002年1-3月的鐵塔平臺(tái)氣象水文資料以及New蒸發(fā)波導(dǎo)模型得到了此段時(shí)間內(nèi)南海及東海地區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律;楊坤德[9]等利用國(guó)際上開(kāi)放的NCEP全球氣象再分析同化數(shù)據(jù)和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型,建立了空間分辨率約為1.875°×1.9°全球蒸發(fā)波導(dǎo)特性數(shù)據(jù)庫(kù),獲得了整個(gè)西太平洋蒸發(fā)波導(dǎo)的高分辨時(shí)空統(tǒng)計(jì)規(guī)律;陳莉等[10]利用中尺度大氣模式MM5對(duì)2007年中國(guó)近海大氣蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行了全年的高分辨的數(shù)值模擬,定量分析了典型海域蒸發(fā)波導(dǎo)在不同月份的均值和概率分布等.所有這些研究結(jié)果為利用蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有益參考,但也存在一定的不足:1)由于氣象水文數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)覆蓋率和分辨率較低,數(shù)據(jù)庫(kù)中蒸發(fā)波導(dǎo)高度的空間格距太大,分辨率很低;2)近年來(lái),蒸發(fā)波導(dǎo)模型也有了一定的發(fā)展.因此,本文利用NCEP和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心((National Center for Atmospheric Research,NCAR)發(fā)布的全球大氣再分析資料,和改進(jìn)的NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型,建立了空間分辨率更高的全球海洋蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)中國(guó)近海的海域蒸發(fā)波導(dǎo)特性進(jìn)行了深入的統(tǒng)計(jì)分析,可為海上雷達(dá)與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和效能發(fā)揮提供參考.
目前,通?;诮C鏈y(cè)量的水文氣象參數(shù),利用蒸發(fā)波導(dǎo)模型獲取蒸發(fā)波導(dǎo)高度及其修正折射率垂直分布.蒸發(fā)波導(dǎo)模型是伴隨大氣邊界層莫寧-奧布霍夫相似理論的提出而發(fā)展起來(lái)的,目前,國(guó)內(nèi)外存在多個(gè)蒸發(fā)波導(dǎo)模型,如PJ模型[11]、MGB模型[12]、BYC模型[13]、NPS模型[14]、RSHMU模型[15]等.雖然所有的蒸發(fā)波導(dǎo)模型均基于莫寧-奧布霍夫相似理論,但在應(yīng)用上存在差異,使得不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型在相同大氣條件下的波導(dǎo)高度預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定差別,其適用性也存在一定差異.美國(guó)的Babin[14]和烏克蘭的V.K.Ivanov[15]等對(duì)不同模型進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,均推薦了采用NPS模型進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測(cè).NPS模型使用海面上一定高度上或不同高度的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、壓強(qiáng)以及海表溫度作為輸入,基于莫寧-奧布霍夫相似理論,獲得溫度、濕度、大氣壓的剖面后,計(jì)算出大氣折射率剖面,再利用修正折射率最小值的位置確定波導(dǎo)高度.
在NPS模型中,基于相似理論,近地層內(nèi)溫度T、比濕q的垂直剖面表示為[16]
式中:θ*、q*分別是位溫θ、比濕q的特征尺度;κ是von Karman常數(shù);z為垂直高度;z0θ為溫度粗糙度高度;Ψθ為溫度普適函數(shù);Γd為干絕熱遞減率,約等于0.009 76K/m;L是相似長(zhǎng)度;u(z)、θ(z)、q(z)分別是高度z處的水平風(fēng)速、位溫和比濕;Tsea、qsea分別是海面溫度和比濕,且考慮海水鹽度對(duì)比濕的影響,qsea=0.98qsat(Tsea),qsat(Tsea)為基于海面溫度計(jì)算的海面飽和比濕.NPS模型采用海洋-大氣耦合響應(yīng)試驗(yàn)(Tropical Oceans Global Atmosphere-Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment,TOGA-COARE)發(fā)展起來(lái)的海氣通量整體算法COARE2.6版進(jìn)行位溫θ、比濕q的特征尺度θ*、q*的計(jì)算,成為NPS模型的核心,考慮到目前海氣通量整體算法已更新到3.0版本[17],因此本文采用最新發(fā)布的COARE3.0算法來(lái)確定海表層尺度參數(shù)和海面粗糙度的計(jì)算,對(duì)NPS模型進(jìn)行改進(jìn).
為了確定近海面大氣折射率剖面,還要確定大氣壓剖面,在NPS模型中,通過(guò)聯(lián)立流體靜力學(xué)方程和理想氣體定律并積分得到,有[18]
式中:R為干空氣氣體常數(shù);g為重力加速度;P(z1)為測(cè)量高度z1外的氣壓;P(z2)為計(jì)算z2高度的氣壓;為高度z1和高度z2處的虛溫的平均值,即=[Tν(z1)+Tν(z2)]/2.
根據(jù)式(1)~(3)確定的溫度、比濕和氣壓剖面,代入折射率公式就可以確定大氣折射率剖面和修正大氣折射率剖面,修正大氣折射率剖面中修正折射率最小值的位置對(duì)應(yīng)的高度即為波導(dǎo)高度.
美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大研究中心(NCEP和NCAR)對(duì)1948年至現(xiàn)在來(lái)源于地面、船舶、無(wú)線電探空、飛機(jī)、衛(wèi)星等全球氣象觀測(cè)資料進(jìn)行同化處理后,研制出全球氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù),給出了時(shí)間間隔為6h的全球氣象再分析資料.由于NCEP資料時(shí)間序列長(zhǎng),涵蓋內(nèi)容廣,常被氣象和海洋學(xué)界用來(lái)研究大氣和海洋的長(zhǎng)期影響,得出了許多有益的結(jié)論.再分析數(shù)據(jù)自發(fā)布以來(lái),發(fā)布的空間范圍、數(shù)據(jù)分辨率和數(shù)據(jù)的精度都不斷提高,數(shù)據(jù)質(zhì)量更加可靠.最近其發(fā)布了數(shù)據(jù)格點(diǎn)分辨率為1°×1°,時(shí)間范圍為1999年7月30至今的更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).
蒸發(fā)波導(dǎo)高度的確定需要已知近海面的大氣溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓,以及海面溫度,因此,基于再分析數(shù)據(jù)中的任一時(shí)次和任一格點(diǎn)處,2m高度的溫度和濕度,10m高度的維向和徑向風(fēng)速,以及海面氣壓和海水溫度,代入蒸發(fā)波導(dǎo)模型,可以確定該時(shí)次和格點(diǎn)處蒸發(fā)波導(dǎo)高度,基于統(tǒng)計(jì)分析方法可以確定全球蒸發(fā)波導(dǎo)高度的分布和統(tǒng)計(jì)規(guī)律.
為了獲取全球蒸發(fā)波導(dǎo)高度的分布特征,統(tǒng)計(jì)中采用了NCEP 2000-2011年1°×1°再分析數(shù)據(jù).首先將某年某日某時(shí)刻的近海面高度的水文氣象數(shù)據(jù)輸入到改進(jìn)的NPS預(yù)測(cè)模型中,計(jì)算出蒸發(fā)波導(dǎo)高度樣本,然后統(tǒng)計(jì)獲得全球海域的月平均分布,構(gòu)建全球蒸發(fā)波導(dǎo)高度數(shù)據(jù)庫(kù).如圖1所示為蒸發(fā)波導(dǎo)高度平均值1、4、7、9月的全球分布.
圖1 全球蒸發(fā)波導(dǎo)高度隨月份的變化
從圖1看出,蒸發(fā)波導(dǎo)在不同海域、不同月份具有明顯的時(shí)空分布特征.40°S~40°N區(qū)域是蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高,變化較大的區(qū)域,而其它區(qū)域蒸發(fā)波導(dǎo)的變化較小.因此,對(duì)于40°S~40°N區(qū)域,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或應(yīng)用中應(yīng)給予特別的關(guān)注.下面對(duì)中國(guó)海域進(jìn)行重點(diǎn)分析.
針對(duì)中國(guó)近海,蒸發(fā)波導(dǎo)高度的月均值變化如圖2所示.對(duì)于中國(guó)的渤海、黃海、東海和南海海域的蒸發(fā)波導(dǎo)高度分布存在以下特征:1)從3月份開(kāi)始,一直持續(xù)到8月份,渤海海域的蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高,特別是5月份,蒸發(fā)波導(dǎo)高度達(dá)到最高,局部可達(dá)到30m以上.1月,2月,12月蒸發(fā)波導(dǎo)高度最低;2)黃海海域大部蒸發(fā)波導(dǎo)高度全年變化不大,其中4-6月份高度較高,可達(dá)20m以上.3)東海以及以東海域大部全年波導(dǎo)高度基本維持在15m以下,僅僅在臺(tái)灣海峽附近及其以東洋面的局部海域在1-4月和10-12月波導(dǎo)高度較高.4)南海海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度年變化不大,基本維持在15m以下,其中1-2月和11-12月蒸發(fā)波導(dǎo)高度稍高.因此,就中國(guó)近海海域來(lái)看,蒸發(fā)波導(dǎo)在我國(guó)海域具有復(fù)雜的時(shí)空分布,具體成因與中國(guó)海域受到復(fù)雜氣象要素和氣候變化的影響有關(guān)
圖2 中國(guó)近海蒸發(fā)波導(dǎo)高度月變化
從圖2可以看出,渤海海域的蒸發(fā)波導(dǎo)高度在3-8月份異常偏高,特別是5月份,為了檢驗(yàn)結(jié)果的可信性,利用2011年渤海海域的氣象梯度塔實(shí)測(cè)水文氣象參數(shù)[19],分別代入改進(jìn)的NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型和實(shí)測(cè)波導(dǎo)高度值進(jìn)行了比較,由于試驗(yàn)時(shí)間限制,僅給出了4-7月份蒸發(fā)波導(dǎo)高度的統(tǒng)計(jì)特征,如圖3所示.由圖3可見(jiàn):1)實(shí)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度和預(yù)測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)高度相差不大,驗(yàn)證了NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型預(yù)測(cè)精度較高的特點(diǎn);2)基于NECP格點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度較實(shí)測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)高度要高的多,比較NCEP水文氣象數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)的水文氣象參數(shù)顯示,在4-7月份,因?yàn)闅庀筇荻人捎眉t外溫度傳感器測(cè)量海表溫度,和NCEP再分析數(shù)據(jù)給出的是海水溫度,導(dǎo)致實(shí)測(cè)大氣處于不穩(wěn)定大氣狀態(tài),由于NCEP數(shù)據(jù)的顯示大氣處于穩(wěn)定或強(qiáng)穩(wěn)定大氣狀態(tài),導(dǎo)致預(yù)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高.因此,在利用NCEP數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)高度的預(yù)測(cè)中,當(dāng)大氣處于穩(wěn)定大氣狀態(tài)時(shí)要特別注意.當(dāng)然,由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限,蒸發(fā)波導(dǎo)的實(shí)際分布特征還要進(jìn)一步的研究.
圖3 渤海某海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度4-7月份變化
研究表明,空氣溫度、海水表面溫度、風(fēng)速以及相對(duì)濕度是影響蒸發(fā)波導(dǎo)生成和變化的直接原因,其中相對(duì)濕度分布是蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)的核心參量.因此,天氣系統(tǒng)的變化特征成為影響蒸發(fā)波導(dǎo)分布特征的關(guān)鍵因素.我國(guó)海域遼闊,縱跨熱帶、亞熱帶和溫帶三個(gè)氣候區(qū),受多個(gè)天氣系統(tǒng)的影響,而各個(gè)海區(qū)受到的天氣系統(tǒng)也存在較大的差異,結(jié)合NCEP再分析水文氣象數(shù)據(jù)和天氣系統(tǒng),中國(guó)四個(gè)海區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)高度時(shí)空分布的原因如下:1)渤海海域在每年的10月到次年4月,主要受高緯度天氣系統(tǒng)的影響[20],來(lái)自陸地的冷高壓導(dǎo)致空氣溫度較低,在12月和1月份達(dá)到最低,雖然相對(duì)濕度較小,但大氣處于強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài),成為全年波導(dǎo)高度最低的時(shí)間段.從3、6月,冷空氣慢慢退去,空氣溫度和海水溫度開(kāi)始升高,風(fēng)速和相對(duì)濕度相對(duì)較小并且相對(duì)平穩(wěn),有利于較強(qiáng)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn),在7-8月份,溫帶和熱帶氣旋成為影響渤海海域的主要天氣系統(tǒng),特別是熱帶氣旋帶來(lái)了的豐富水汽,使整個(gè)海區(qū)的相對(duì)濕度保持在80%以上,不利用蒸發(fā)波導(dǎo)較強(qiáng)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn).9月是天氣系統(tǒng)更迭的季節(jié),相對(duì)8月份蒸發(fā)波導(dǎo)高度有所升高.2)黃海與渤海具有一定的相似性,相對(duì)于渤海海域,冷高壓天氣系統(tǒng)的影響較渤海海域要晚,持續(xù)的時(shí)間也要短,一般在11-3月份,成為全年波導(dǎo)高度最低的時(shí)間段.黃海海域在4-6月份主要受溫帶氣旋天氣系統(tǒng)影響,所受的溫帶氣旋既有來(lái)自北方的黃河和蒙古氣旋,也有來(lái)自南方的黃淮和江淮氣旋,大氣處于弱穩(wěn)定大氣狀態(tài),相對(duì)濕度還維持在80%左右,有利用較強(qiáng)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn).在7-9月份,黃海海域主要受熱帶氣旋控制,整個(gè)海區(qū)的相對(duì)濕度較高,大氣處于弱穩(wěn)定狀態(tài),不利強(qiáng)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn).3)東海及其以東海域,從5月份開(kāi)始,主要受西太平洋副熱帶高壓控制,一直持續(xù)到9月份,同時(shí)伴隨有溫帶氣旋和熱帶氣旋的共同影響;在其它月份,主要受極鋒天氣系統(tǒng)的影響,近海面大氣全年基本處于不穩(wěn)定和近中性大氣條件,雖然在4—9月的空氣溫度和海水溫度相對(duì)較高,但相對(duì)濕度很高,平均值在80%或以上,也不利于強(qiáng)波導(dǎo)的出現(xiàn),全年蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化不大,僅僅在臺(tái)灣海峽附近及其以東洋面在1-4月和10-12月出現(xiàn)局部海域波導(dǎo)高度較高,可能與局部海流分布有關(guān).4)南海位于中國(guó)大陸南方,縱跨熱帶與亞熱帶,以熱帶海洋性氣候?yàn)橹饕卣?,主要受熱帶氣旋天氣系統(tǒng)影響,導(dǎo)致全年水文氣象參數(shù)變化不大,低層大氣全年處于不穩(wěn)定大氣條件,相對(duì)濕度維持在80%左右,導(dǎo)致蒸發(fā)波導(dǎo)高度全年變化不大.
本文利用最新發(fā)布的NCEP再分析數(shù)據(jù)和改進(jìn)的蒸發(fā)波導(dǎo)模型,建立了空間分辨率為1°×1°的全球蒸發(fā)波導(dǎo)高度數(shù)據(jù)庫(kù),相對(duì)于2008年Frederickson等和2009年楊坤德等建立的蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù),蒸發(fā)波導(dǎo)高度的空間分辨率得到了提高,并針對(duì)中國(guó)海域的蒸發(fā)波導(dǎo)高度時(shí)空分布特征進(jìn)行了重點(diǎn)研究,并對(duì)其成因進(jìn)行了基于天氣系統(tǒng)的初步分析,表明中國(guó)近海的蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)空分布具有復(fù)雜的時(shí)空分布,且與局地的天氣系統(tǒng)具有復(fù)雜的關(guān)系,為我國(guó)應(yīng)用蒸發(fā)波導(dǎo)提供了有益參考.有報(bào)道指出,NCEP/NCAR計(jì)劃發(fā)布更高分辨率的全球耦合大氣海洋再分析數(shù)據(jù),大氣參數(shù)的分辨率可達(dá)0.5°×0.5°,海洋參數(shù)的分辨率可達(dá)0.25°×0.25°,將為建立更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)和蒸發(fā)波導(dǎo)統(tǒng)計(jì)特性研究提供更為有利的條件.
在此需要指出的是,中國(guó)近海蒸發(fā)波導(dǎo)的變化特征不僅受中國(guó)近海天氣系統(tǒng)的影響,同樣海流也是影響蒸發(fā)波導(dǎo)分布的另一個(gè)不容忽視的因素,因此,分析黑潮、臺(tái)灣暖流、黃海暖流和對(duì)馬暖流等對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)空分布特征的影響將是下一步的研究重點(diǎn).
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