蒸發(fā)波導(dǎo)模型概述

ESR Jinadasa，田 斌，郭 鵬

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蒸發(fā)波導(dǎo)模型概述

ESR Jinadasa，田 斌，郭 鵬

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

蒸發(fā)波導(dǎo)是在海上低空環(huán)境中發(fā)生概率最高的一種大氣波導(dǎo)，可有效利用蒸發(fā)波導(dǎo)傳播條件使雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)。本文分析了海上大氣波導(dǎo)的形成條件，闡述了蒸發(fā)波導(dǎo)模型提出的重要意義。綜述了幾種典型的蒸發(fā)波導(dǎo)模型研究應(yīng)用狀況。最后，展望了未來的研究工作方向。

蒸發(fā)波導(dǎo) 模型 應(yīng)用狀況

0 引言

大氣波導(dǎo)是一種可以使電磁波產(chǎn)生超折射的環(huán)境現(xiàn)象，它可以使部分電磁波陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)，形成超視距傳播，從而增加無線電系統(tǒng)的作用距離，實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)。蒸發(fā)波導(dǎo)是海上發(fā)生概率最高的一種大氣波導(dǎo)，其成因主要是海水蒸發(fā)使得空氣中的相對(duì)濕度隨著高度的增加劇烈下降，從而導(dǎo)致大氣折射率垂直分布滿足一定的形式所致。該波導(dǎo)具有穩(wěn)定性較好、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在水平方向上的延伸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，垂直高度一般在40 m以內(nèi)。由于大多數(shù)艦載微波雷達(dá)的天線架設(shè)高度較低，正好位于蒸發(fā)波導(dǎo)的有效高度范圍內(nèi)，因此可有效利用蒸發(fā)波導(dǎo)傳播條件進(jìn)行遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)。在海洋上，蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)等電子裝備的影響顯著，能準(zhǔn)確評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)敵我雙方電子系統(tǒng)的影響，對(duì)作戰(zhàn)實(shí)施人員進(jìn)行戰(zhàn)略部署以及掌握戰(zhàn)場(chǎng)制電磁權(quán)顯得極為重要，鑒于此，各軍事強(qiáng)國(guó)均在該領(lǐng)域進(jìn)行了較為深入的研究。低空大氣波導(dǎo)對(duì)電波傳播和探測(cè)通信系統(tǒng)等具有重要影響，研究大氣波導(dǎo)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大氣折射基本類型

無線電波在真空中傳播的速度約為3×108m/s，傳播軌跡為直線，不過在實(shí)際媒質(zhì)中，這兩種特性將發(fā)生一定的變化，電磁波的速度會(huì)減小，當(dāng)電磁波以一定的角度從傳播速度較慢的介質(zhì)到達(dá)傳播速度較快的介質(zhì)交界面時(shí)，傳播方向?qū)⒉辉俦３衷瓉淼姆较?，而是偏向慢速介質(zhì)一方。

式中，為氣壓（hPa），為氣溫（K），為水汽壓（hPa）。

將式(1)兩邊對(duì)高度求導(dǎo)得到折射率垂直梯度定義式（式（2）），并按照折射率垂直梯度將大氣折射劃分為不同類型（表1所示）。

表1 大氣折射基本類型及其存在條件

表2 大氣折射基本類型及其存在條件

引入修正折射率之后，判別陷獲折射產(chǎn)生的條件更加直觀，即當(dāng)修正折射率垂直梯度小于零時(shí)，大氣折射類型為陷獲折射。

2 海上大氣波導(dǎo)分類及其形成條件

當(dāng)大氣出現(xiàn)陷獲折射時(shí)，出現(xiàn)了電磁波繞地球表面的超視距傳播現(xiàn)象[1]。此時(shí)電磁波的能量被限制在海面與一定高度的空氣層之間傳播，類似電磁波在波導(dǎo)中傳播，因此稱這種現(xiàn)象為電磁波的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。

對(duì)于海洋大氣環(huán)境來說，有兩種自然現(xiàn)象使修正折射率出現(xiàn)負(fù)梯度，也就是使電磁波出現(xiàn)超視距傳播：一是海水蒸發(fā)時(shí)出現(xiàn)的電磁波的超視距傳播現(xiàn)象，這種由海水蒸發(fā)引起的大氣波導(dǎo)稱作蒸發(fā)波導(dǎo)。二是在海面上空，隨著高度上升，溫度突然升高（逆溫）、濕度突然下降，形成的空氣層時(shí)，出現(xiàn)的超視距傳播現(xiàn)象，這種大氣波導(dǎo)現(xiàn)象稱作表面波導(dǎo)。還有一種懸浮在空中的大氣波導(dǎo)稱作懸空波導(dǎo)，產(chǎn)生機(jī)理與表面波導(dǎo)類似，該類型波導(dǎo)通常出現(xiàn)在3 km（有時(shí)甚至達(dá)到6 km）的高度以下。

在海洋大氣傳播的電磁波能否形成大氣波導(dǎo)傳播，需要滿足一定的條件。文獻(xiàn)[2]中給出了電磁波形成大氣波導(dǎo)傳播的兩個(gè)必要條件：一是電磁波波長(zhǎng)必須小于最大陷獲波長(zhǎng)（或稱截止波長(zhǎng)）；二是電磁波的發(fā)射仰角必須小于某一臨界仰角（或稱穿透角）。

3 蒸發(fā)波導(dǎo)模型綜述

3.1 蒸發(fā)波導(dǎo)模型的提出

在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量大氣修正折射率的方法如下：利用專用測(cè)量設(shè)備如微波折射率儀直接進(jìn)行折射率、修正折射率的獲??；利用探空球搭載傳感器進(jìn)行測(cè)量；利用空基、地基GPS觀測(cè)資料反演大氣修正折射率剖面；利用氣象學(xué)研究的天氣預(yù)測(cè)模式進(jìn)行修正折射率預(yù)報(bào)；利用對(duì)多地區(qū)長(zhǎng)期、大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的折射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷确椒?。以上獲取大氣折射率或修正折射率的方法雖各有優(yōu)點(diǎn)，但要得到海洋大氣近地層中蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率廓線，仍顯不足，并且以上方法在易用性和保密性等方面都存在一定缺陷。

為了解決傳統(tǒng)測(cè)量方法易用性、保密性等方面的不足，部分學(xué)者在相似理論的基礎(chǔ)上提出了蒸發(fā)波導(dǎo)模型的概念，只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)高度上的環(huán)境參數(shù)，即海水表面溫度和某個(gè)高度處的氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速等參數(shù)，就可以利用這些模型計(jì)算出海上幾十米高度以內(nèi)的修正折射率廓線。蒸發(fā)波導(dǎo)高度一般低于40 m，因此用這種方法可以解決海上發(fā)生概率最高的蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率剖面曲線的測(cè)量問題。

目前，全球范圍內(nèi)已知的蒸發(fā)波導(dǎo)模型主要有：Jeske模型、Paulus—Jeske模型（簡(jiǎn)稱PJ模型）、偽折射率模型、MGB模型、基于LKB通量算法的模型（包括NPS模型、NRL模型、NWA模型、A模型）、RSHMU模型。上述這些蒸發(fā)波導(dǎo)模型都是基于大氣近地層相似定理，利用海表溫度以及海上某一高度處的氣象數(shù)據(jù)作為輸入來得到蒸發(fā)波導(dǎo)高度等波導(dǎo)特征量。但上述波導(dǎo)模型在蒸發(fā)波導(dǎo)高度的判定準(zhǔn)則等方面存在一定的差別，因此得出的蒸發(fā)波導(dǎo)高度等特征量結(jié)果不盡相同。

3.2 Jeske模型及PJ模型

上世紀(jì)六七十年代，德國(guó)漢堡大學(xué)氣象學(xué)院Jeske提出了一種蒸發(fā)波導(dǎo)模型，被稱為Jeske模型，該模型是早期較為成功并被廣泛使用的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報(bào)模型，之后Jeske模型經(jīng)多名學(xué)者的應(yīng)用檢驗(yàn)，尤其是R.A.Paulus通過對(duì)歷史資料和較精確的浮標(biāo)資料的分析，對(duì)Jeske模型進(jìn)行了修正，形成Paulus—Jeske模型，簡(jiǎn)稱PJ模型[3]，現(xiàn)已被美國(guó)海軍評(píng)估電磁波傳播的多種業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)所采用，包括較早的EREPS以及最新的AREPS。PJ模型是在Jeske模型的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果進(jìn)行一定的修正。

Jeske模型是利用計(jì)算出的總體理查森數(shù)結(jié)果，得出近地層大氣的穩(wěn)定性狀況，然后根據(jù)不同的穩(wěn)定性結(jié)果，使用與之對(duì)應(yīng)的基于莫寧—奧布霍夫相似定理的函數(shù)得出蒸發(fā)波導(dǎo)高度結(jié)果。

3.3 MGB模型

1992年，Musson-Genon、Gauthier和Bruth聯(lián)合發(fā)表了題為《A simple method to determine evaporation duct height in the sea surface boundary layer》的文章，介紹了一種基于近地層莫寧—奧布霍夫相似理論，利用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）模式所使用的近地層參數(shù)化方案中的有關(guān)方法，預(yù)報(bào)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的模型，被稱之為MGB模型。

該模型利用位溫、比濕的特征尺度參數(shù)、莫寧—奧布霍夫長(zhǎng)度以及位溫對(duì)應(yīng)的無量綱化梯度函數(shù)來求蒸發(fā)波導(dǎo)高度結(jié)果，MGB模型采用兩種不同的方法來求解上述物理量，一種為解析法，另一種為迭代法。

解析法和迭代法的結(jié)果并不完全一致，Luc Musson-Genon[4]等人計(jì)算得出，在不穩(wěn)定層結(jié)情況下，兩種方法結(jié)果偏差不大，但在穩(wěn)定層結(jié)情況下，解析法得到的波導(dǎo)高度結(jié)果與迭代法相比，隨氣海溫差增大增加更快。倘若在迭代法中采用Wieringa給出的無量綱化梯度函數(shù)，則解析法和迭代法的偏差會(huì)變小。所以，Luc Musson-Genon等人推薦使用解析方法確定蒸發(fā)波導(dǎo)高度，如果使用迭代方法，應(yīng)選擇Wieringa的無量綱化梯度函數(shù)。為了方便起見，將利用解析法求解波導(dǎo)高度的模型稱為MGB0模型，利用迭代法求解的稱為MGB1模型，利用Wieringa的無量綱化梯度函數(shù)的迭代法求解的稱為MGB2模型。

由于三種MGB模型均屬于第一類蒸發(fā)波導(dǎo)模型，因此要想獲得模型計(jì)算的波導(dǎo)強(qiáng)度，首先需要求出波導(dǎo)模型的修正折射率廓線。目前國(guó)內(nèi)外公開文獻(xiàn)中均未給出MGB模型的修正折射率廓線公式，這給求解該模型強(qiáng)度帶來了難題。

3.4 RSHMU模型

RSHMU模型是由俄羅斯國(guó)立氣象水文大學(xué)（原圣彼得堡氣象水文學(xué)院）的A.S.Gavrilov提出的一種波導(dǎo)預(yù)測(cè)模型，RSHMU即為該大學(xué)校名英文的首字母縮寫。該模型自上世紀(jì)八十年代提出以來，主要在原蘇聯(lián)加盟共和國(guó)中使用。近期公開發(fā)表的文章中，來自烏克蘭國(guó)立科技大學(xué)無線電物理與電子學(xué)院的V.K.Ivanov[5]，V.N.Shalyapin和Yu.V.Levadnyi利用在大西洋和印度洋部分海域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將RSHMU模型與其它蒸發(fā)波導(dǎo)模型進(jìn)行了比較，使電磁波波導(dǎo)傳播的其他學(xué)者逐漸了解了這一模型的特性。該模型首先得到的修正折射率廓線，然后再獲取波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果，該蒸發(fā)波導(dǎo)模型具體實(shí)現(xiàn)方法與基于通量算法的蒸發(fā)波導(dǎo)模型相比，區(qū)別主要在于風(fēng)速、位溫的無量綱化梯度函數(shù)和穩(wěn)定度修正函數(shù)不同。

4 展望

本文對(duì)不同的蒸發(fā)波導(dǎo)模型進(jìn)行了綜述，但是目前對(duì)不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型在不同海域的適應(yīng)性問題研究還比較缺乏，因此需要針對(duì)具體的蒸發(fā)波導(dǎo)模型在不同海域條件下所取得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

[1] Mathew Koll Roxy, Kapoor Ritika, Pascal Terray, Sébastien Masson. The Curious Case of Indian Ocean Warming[J]. Jurnal of Climate, 2014, 27: 8501-8509.

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Overview of Evaporation Duct Models

ESR Jinadasa, Tian Bin, Guo Peng

( Naval University of Engineering, Wuhan430033, China)

O436

A

1003-4862（2018）10-0013-03

2018-05-11

ESR Jinadasa（1979-），男，碩士研究生。研究方向：信息處理與系統(tǒng)。E-mail: 2908320020@qq.com