郝曉靜 李清亮 郭立新 韓杰 郭相明

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071; 2. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g重點實驗室,青島 266107)

引 言

大氣波導是影響電波傳播的一種反常大氣環(huán)境. 大氣波導的存在會導致超視距現象和雷達盲區(qū)的出現,對雷達、通信等電子信息系統(tǒng)性能產生重要的影響. 因此,大氣波導的研究,尤其是大氣波導的預報得到了廣泛的關注．

利用數值天氣預報模式進行低空大氣波導模擬和預報研究是近年來大氣波導研究領域的一個熱點.國內外多所院校和科研機構都開展了此方面的研究.在國外,美國和歐洲從1996—2011利用中尺度數值模式對大氣折射環(huán)境和大氣波導進行了模擬和預報研究[1-5]. 研究結果表明,數值模式已經能夠描述大氣波導的存在和位置特征,但預報的波導參數(高度、強度等)不準確. 在國內,也有很多院校和科研機構開展了這方面的研究工作[6-12],主要集中在初步實現了中尺度模式預報大氣波導及在一些典型天氣系統(tǒng)影響下大氣波導生消變化機理的個例研究. 分析國內外研究進展發(fā)現,利用中尺度數值模式預報大氣波導雖然能夠描述波導的存在和位置特征,但對波導高度和強度的預報準確度較差. 雖然基于中尺度數值模式預報大氣環(huán)境還存在許多問題尚待解決,但它仍是預報三維對流層大氣折射環(huán)境和大氣波導的有效手段.

本文利用全球電信系統(tǒng) (Global Telecommunications System,GTS)探空數據計算的波導參數作為真實值,驗證了第五代大氣中尺度模式(Mesoscale Model 5 Version 3, MM5V3)預報表面波導和懸空波導的有效性;利用美國環(huán)境預報中心最終分析 (Final Operational Analysis,FNL)數據和美國海軍研究生學院(Naval Postgraduate School, NPS)蒸發(fā)波導模型(下文簡稱“NPS模型”)計算的蒸發(fā)波導參數作為真實值,對MM5V3中尺度模式預報的蒸發(fā)波導進行驗證. 驗證所在區(qū)域為東海關注區(qū)、南海關注區(qū)和亞丁灣關注區(qū)．驗證中尺度數值模式在這些關注區(qū)預報大氣波導的可行性及其存在的問題,為日后提高數值模式預報大氣波導可靠性和準確度的研究工作提供了參考.

1 MM5V3預報平臺建立

MM5V3中尺度模式是美國賓夕法尼亞州立大學和美國國家大氣研究中心從20世紀80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數值模式的第三個版本. 本文模式初始場和側邊界條件選用美國環(huán)境預報中心得到的全球預報系統(tǒng)(Global Forecasting System, GFS)數據,實現對大氣波導未來24小時的預報．利用MM5V3模式進行波導預報的參數化方案如表1所示.

表1 MM5V3模式設置

2 驗證數據與方法

2.1 驗證數據

用于驗證數值模式預報結果的數據有兩種.第一,2014年每天08:00時、20:00時兩個時次的GTS探空數據. GTS是世界氣象組為了迅速、準確地在全世界范圍內傳遞氣象觀測數據而設立的一個數據通信系統(tǒng). 本文使用的是由GTS提供的全球探空數據(下文簡稱“GTS數據”). 用GTS數據對預報的表面波導、懸空波導進行驗證. 第二,2014年每天08:00時、20:00時兩個時次的FNL最終分析數據. FNL最終分析數據是由美國環(huán)境預報中心提供的全球氣象環(huán)境格點場數據,水平分辨率為1°×1°．因為FNL最終分析數據加入了高空探測等各種水文氣象觀測數據,包括衛(wèi)星數據等,且已有大量研究證實,在缺少實測數據的情況下,FNL最終分析數據可以作為實測數據來使用[13]．因此,在缺少海洋實測數據的情況下,本文用FNL最終數據(下文簡稱“FNL數據”)對蒸發(fā)波導的預報效果進行驗證. 預報區(qū)域中選擇離驗證點最近的格點進行驗證,驗證點和格點的距離<0.05°,大約為5 km左右,波導的水平范圍一般在幾km到幾百km,所以,驗證點基本能用來對預報結果進行驗證．

2.2 診斷和驗證方法

2.2.1 GTS數據診斷表面和懸空波導方法

利用GTS數據的溫、壓、濕參數計算修正折射指數(以下簡稱M)剖面,然后通過分析M的梯度判斷波導及其參數. 具體方法和步驟如下.

某高度大氣修正折射指數M可表示為

(1)

式中:P為大氣壓強;T為大氣溫度;e為水汽壓;Z為該層大氣的高度. 這些參數都可以直接或間接地從GTS數據中獲取. 當修正折射率梯度滿足條件

(2)

ΔM=Mmax-Mmin.

(3)

2.2.2 FNL數據診斷蒸發(fā)波導方法

目前,通?；诮Ｃ鏈y量的水文氣象參數,利用蒸發(fā)波導模型獲取蒸發(fā)波導高度. 國內外存在多個蒸發(fā)波導模型,PJ(Paulus-Jeske,)模型[14]、MGB(Musson-Genon-Gauthier-Bruth)模型[15]、BYC(Babin-Young-Carton,)模型[16]、NPS模型[17]、俄羅斯國家水文氣象大學(Russian State Hydrometeorological University,RSHMU)模型[18]等. 雖然所有模型均基于莫寧-奧布霍夫相似理論,但美國的Babin[17]和烏克蘭的V. K. Ivanov[18]等對不同模型進行了理論分析和試驗驗證,均推薦了采用NPS模型進行蒸發(fā)波導的預測. NPS模型使用海面上一定高度或不同高度上大氣溫、壓、濕、風及海表溫度作為輸入,基于莫寧-奧布霍夫相似理論,獲得大氣溫、壓、濕剖面,然后計算出M剖面,把M最小值所在的高度確定為波導高度.

近地層內溫度T、比濕q的垂直剖面如下式:

(4)

(5)

式中:T(z)、q(z)分別為高度z處大氣溫度和比濕;Tsea、qsea分別為海表溫度和比濕;θ*和q*分別為位溫θ和比濕q的特征尺度;k為卡曼常數;zot為溫度粗糙度高度;ψθ、Γd分別為溫度普適函數和干絕熱遞減率;L為相似長度．

在NPS模型中,氣壓剖面可以通過聯(lián)立流體靜力學方程和理想氣體定律得到:

(6)

式中:p(z1)、p(z2)分別為測量高度z1、z2處的氣壓;TM為高度z1、z2處的虛溫平均值．聯(lián)立式(4)～(6)即可求得M剖面,剖面最小值對應的高度為波導高度.

2.2.3 驗證方法

為了對預報結果的可靠性進行驗證,分別計算一般強度波導(下文簡稱“一般波導”)預報可靠度、漏報率、虛警率和強波導預報可靠度. 這里需要強調,蒸發(fā)波導不區(qū)分波導強度,只分析波導預報可靠度. 為了對預報結果的準確度進行驗證,分別計算了波導頂高和波導強度的均方根誤差. 具體方法步驟為:

1)對于表面、懸空波導,把GTS數據同預報值都有效的數據選入樣本;對于蒸發(fā)波導,把FNL數據同預報值都有效的數據選入樣本,并都用樣本總數TS記錄.

2)把實測值和預報值結果一致(實測值和預報值都存在波導或都不存在波導)的次數記為準確次數TA.

3)統(tǒng)計一般波導預報可靠度RA, 用于驗證一般強度波導預報有無的可靠性.可靠度RA為準確次數TA與樣本總數TS之比,即

(7)

4)統(tǒng)計漏報率RM. 當實測值存在波導,而預報沒有波導時,即為漏報．漏報率RM為漏報次數TM與實測存在波導次數TSY之比,即

(8)

5)統(tǒng)計虛警率RF. 當預報存在波導,而實測值沒有波導時,即為虛警,也稱錯報．虛警率RF為虛警次數TF與實測沒有波導次數TSN之比,即

(9)

6)統(tǒng)計強波導預報可靠度RAS. 當波導強度大于20 M時,即為強波導,強波導預報可靠度RAS為強波導次數TAS與實測存在強波導次數TSS之比,即

(10)

7)統(tǒng)計預報結果的準確度

當實測值與預報值波導都存在時,通過計算預報值與實測值之間的偏差,驗證預報的準確度.準確度的統(tǒng)計量為均方根誤差,分別統(tǒng)計波導頂高(用h表示)的均方根誤差ERMS(h)和波導強度(用s表示)的均方根誤差ERMS(s),表達式如下:

(11)

(12)

式中:hfi和hsi分別為波導頂高預報值和實測值;sfi和ssi分別為波導強度預報值和實測值;n為實測結果與預報結果都存在波導的次數.

3 驗證結果分析

3.1 表面波導和懸空波導驗證

3.1.1 東海關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖1(a)所在區(qū)域,分別選取47909和47945兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證,結果見表2．由表2可知:兩個站點一般波導預報可靠度均大于70%;強波導預報可靠度均大于80%;漏報率分別為40%和39%;虛警率分別為19%和26%;波導頂高的均方根誤差約為500 m;波導強度均方根誤差為12 M.

圖1(b)和(c)為波導頂高預報值和實測值的散點圖.圖中顯示:47909預報值高于實測值;47945預報值與實測值較接近,波導頂高所在的高度層較一致.

表2 東海關注區(qū)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點47909

(c) 站點47945

3.1.2 南海關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖2(a)所在區(qū)域,分別選取48855和96471兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證,結果見表3．由表3可知:兩個站點一般波導預報可靠度均大于80%;強波導預報可靠度較一般波導高;漏報率分別為39%和24%;虛警率分別為14%和7%;波導頂高均方根誤差分別為719 m和767m;波導強度均方根誤差分別為13 M和9 M.

圖2(b)和(c)為波導頂高預報值和實測值的散點圖.圖中顯示:48855實測值高于預報值;96471樣本較少. 兩個站點有一個共同趨勢,預報值低于實測值.

表3 南海關注區(qū)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點48855

(c) 站點96471圖2 南海關注區(qū)站點分布以及波導頂高預報值與實測值散點圖

3.1.3 亞丁灣關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖3(a)所在區(qū)域,分別選取43333和43369兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證. 從表4可以看出:兩個站點一般波導預報可靠度均大于60%;漏報率分別為23%和15%;虛警率分別為34%和40%;43333站沒有強波導樣本,43369站的強波導預報可靠度為100%;波導頂高均方根誤差分別為887 m和511 m;波導強度均方根誤差分別為10 M和19 M.

圖3(b)和(c)為波導頂高預報值和實測值散點圖,圖中顯示:43333站樣本較少,預報值低于實測值;43369站大部分預報值與實測值波導頂高在相同高度層內.

表4 亞丁灣關注區(qū)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點43333

(c) 站點43369圖3 亞丁灣關注區(qū)站點分布以及波導頂高預報值與實測值散點圖

3.2 蒸發(fā)波導驗證

3.2.1 東海關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖4(a)所在區(qū)域,分別選取兩個區(qū)域進行統(tǒng)計驗證:區(qū)域1為125°E～127°E,27°N～30°N;區(qū)域2為128°E～133°E,21°N～25°N,結果見表5．由表5可知:兩個區(qū)域波導預報可靠度均大于95%;區(qū)域1的漏報率為5%,區(qū)域2無漏報;區(qū)域1無虛警,區(qū)域2沒有實測數據無波導的情況,沒有虛警樣本,所以沒有得到虛警率;兩個區(qū)域波導頂高的均方根誤差分別為2 m和3 m.

圖4(b)和(c)為波導頂高預報值和實測值的散點圖,圖中顯示,大部分樣本預報值和實測值波導頂高值很接近,說明驗證期內該海域蒸發(fā)波導高度預報效果較好.

表5 東海關注區(qū)蒸發(fā)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 區(qū)域1

(c) 區(qū)域2圖4 東海關注區(qū)站點分布以及波導頂高預報值與實測值散點圖

3.2.2 南海關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖5(a)所在區(qū)域,選取經緯度范圍為112°E～117°E,10°N～20°N的區(qū)域進行統(tǒng)計驗證,結果見表6．由表6可知:預報可靠度為100%;無漏報;沒有虛警樣本;波導頂高的均方根誤差為2 m.

圖5(b)為波導頂高預報值和實測值散點圖.圖中顯示:大部分樣本預報值和實測值波導頂高值很接近,說明驗證期內南海關注區(qū)蒸發(fā)波導預報效果較好.

表6 南海關注區(qū)蒸發(fā)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 南海區(qū)域圖5 南海關注區(qū)站點分布以及預報值與實測值散點圖

3.2.3 亞丁灣關注區(qū)驗證結果

模式預報區(qū)域為圖6(a)所在區(qū)域,分別選取兩個區(qū)域進行統(tǒng)計驗證:區(qū)域1為60°E～70°E,6°N～16°N;區(qū)域2為84°E～92°E,6°N～14°N,結果見表7．由表7可知:波導預報可靠度均為100%;且均無漏報;沒有虛警樣本,所以沒有得到虛警率;波導頂高的均方根誤差分別為3 m和2 m.

波導預報值和實測值散點圖(圖6(b)和(c))顯示,驗證期內,亞丁灣關注區(qū)波導預報效果較好.

表7 亞丁灣關注區(qū)蒸發(fā)波導預報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 區(qū)域1

(c) 區(qū)域2圖6 亞丁灣關注區(qū)站點分布以及預報值與實測值45°散點圖

3.3 驗證結果總結

通過利用GTS數據對MM5V3模式預報的表面和懸空波導結果進行了驗證. 驗證結果表明:

1)一般波導預報可靠度在東海關注區(qū)和南海關注區(qū)約為70%～95%;而在亞丁灣關注區(qū)稍低,為60%～70%.說明MM5V3模式在東海、南海關注區(qū)的預報可靠度較亞丁灣好.

2)強波導預報可靠度在上述三個關注區(qū)都為80%以上,說明MM5V3模式在強波導的預報上可靠度較高.

3)東海、南海關注區(qū)的預報效果比較結果為:南海關注區(qū)漏報率和虛警率較東海關注區(qū)低;南海關注區(qū)和東海關注區(qū)的虛警率都較漏報率低．說明從虛警率和漏報率的角度來看,MM5V3模式在南海的預報可靠性較東海高,且兩個關注區(qū)對無波導預報可靠性較有波導存在時預報可靠性高.

4)預報表面、懸空波導高度均方根誤差為500～800 m,強度均方根誤差為10～20 M,預報波導高度和強度的均方根誤差較大,說明MM5V3模式對波導參數預報準確度較差.

更具體地說，基于本研究的數據和分析，針對在英留學生提出了四個相當重要和有用的建議，忽略了復雜的交易過程和復雜的互聯(lián)網知識。

通過利用4天的FNL數據對MM5V3模式預報的蒸發(fā)波導結果進行了驗證. 驗證結果表明:因為選用的區(qū)域為蒸發(fā)波導高發(fā)區(qū),且根據歷史統(tǒng)計數據分析,驗證時間段驗證區(qū)域蒸發(fā)波導出現概率都為80%以上,所以模式預報和FNL數據基本都出現了蒸發(fā)波導,因此,初步得出MM5V3對蒸發(fā)波導高發(fā)區(qū)內的波導能夠實現預報．

4 結 論

通過以上結果分析可得出以下結論:MM5V3 數值模式能夠對強度強的表面和懸空波導做出預報,但對強度較弱的波導預報效果較差;預報虛警率低說明當預報出現波導時,實際存在波導的概率較高;但在預報準確度方面效果不好,有待提高;亞丁灣關注區(qū)因為選取的站點在陸地上,而東海關注區(qū)和南海關注區(qū)站點在島嶼上,相對島嶼上陸地的下墊面不均勻性增強,進而通過背景場進一步影響預報結果,是可能導致亞丁灣關注區(qū)預報可靠度相對較低的原因. 而且,對于不同的區(qū)域,適用的模式也不一樣,以上是可能導致亞丁灣關注區(qū)預報可靠度和準確度低的原因.對于蒸發(fā)波導,MM5V3對蒸發(fā)波導高發(fā)區(qū)波導能夠實現預報,但因使用的數據有限,因此MM5V3對蒸發(fā)波導的預報性能還需要進一步詳細驗證．

目前,中尺度數值預報模式是國內外實現大氣波導預報行之有效的方法途徑. 但是通過上述分析,模式對大氣波導預報可靠性和準確度上還需要很大的改進. 主要考慮以下幾方面:

1) 優(yōu)化初始場. 中尺度氣象模式的初始場是使用全球預報模式場和觀測數據同化形成的,而全球模式網格粗,海上觀測數據少,不能很好地描述海上大氣邊界層和中尺度模式的初始溫度場與濕度場,可通過同化更多的海上觀測數據和衛(wèi)星數據改進海上初始場. 尤其在目前海上觀測數據嚴重缺乏的情況下,同化衛(wèi)星遙感數據到海上初始場,是改進海上初始場最可行的途徑.

2) 中尺度模式的物理機制和參數化方案有待改進. 中尺度模式海洋大氣邊界層參數化方案需要準確地描述真實海洋大氣邊界層結構并預報大氣折射條件.

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