基于ECMWF 再分析數(shù)據(jù)的大氣波導(dǎo)分布規(guī)律研究*

王 華 馬 賁 焦 林 唐海川

1.海軍大連艦艇學(xué)院，大連，116018

2.中國(guó)海警局，北京，100097

1 引言

大氣波導(dǎo)是在某些海域經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象（Abdul，et al，1991；Babin，1996），它能改變電磁波傳播軌跡，對(duì)雷達(dá)探測(cè)、無線電通信等有顯著影響（Dockery，1988），能產(chǎn)生超視距傳播和大氣波導(dǎo)盲區(qū)等現(xiàn)象，也能增加雷達(dá)測(cè)量誤差和雜波，大氣波導(dǎo)在軍事領(lǐng)域有重要應(yīng)用。大氣波導(dǎo)對(duì)無線電信號(hào)的影響程度主要是由它的強(qiáng)度、厚度和高度等特征參數(shù)決定，研究大氣波導(dǎo)的分布規(guī)律就是研究這些特征參數(shù)的分布，是研究大氣波導(dǎo)對(duì)無線電信號(hào)影響的基礎(chǔ)，這些特征參數(shù)的分布主要與所在海域、季節(jié)、天氣系統(tǒng)等因素有關(guān)。大氣波導(dǎo)分布規(guī)律研究的方法按數(shù)據(jù)來源不同主要有兩種，一種是以各種無線電探空設(shè)備或飛行平臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，例如，Patterson（1982）利用全球6 a 無線電探空站點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)研究了全球有關(guān)站點(diǎn)的大氣波導(dǎo)分布規(guī)律，Craig 等（1995）利用無線電探空數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了歐洲大氣折射率參數(shù)，Babin（1996）利用直升機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)分析了位于弗吉尼亞州Wallops島表面波導(dǎo)的季節(jié)變化，Brooks 等（1999）、Mentes等（2007）、Cheng 等（2016）從事了相似的工作，他們分別分析研究了波斯灣、土耳其的伊斯坦布爾、西北太平洋和中國(guó)南海的大氣波導(dǎo)分布規(guī)律，這些研究的共同特點(diǎn)是研究單個(gè)測(cè)站的大氣波導(dǎo)分布規(guī)律。另一種以再分析或大氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式垂向分層數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源研究區(qū)域大氣波導(dǎo)分布規(guī)律，例如，Zhu 等（2005）利用MM3 數(shù)據(jù)分析了波斯灣海域大氣波導(dǎo)的分布規(guī)律，von Engeln 等（2004）利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA-40 數(shù)據(jù)研究了全球大氣波導(dǎo)氣候分布，該數(shù)據(jù)的經(jīng)/緯度網(wǎng)格點(diǎn)為1.5°×1.5°，在統(tǒng)計(jì)大氣波導(dǎo)強(qiáng)度時(shí)，將大氣波導(dǎo)層中的大氣修正折射率梯度視為大氣波導(dǎo)強(qiáng)度，大氣波導(dǎo)強(qiáng)度是表示該層大氣陷獲電磁波能力的值，反映大氣波導(dǎo)對(duì)電磁波陷獲能力的應(yīng)該是陷獲層頂和底大氣修正折射率的差值。在統(tǒng)計(jì)每季度大氣波導(dǎo)特征參數(shù)值時(shí)，采用了平均值統(tǒng)計(jì)方法，這與實(shí)際特征參數(shù)值的季節(jié)分布是有差別的，比如，赤道輻合帶長(zhǎng)年被對(duì)流云覆蓋，該區(qū)基本上沒有大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，應(yīng)存在一個(gè)無大氣波導(dǎo)的帶狀區(qū)域，但由于采用均值統(tǒng)計(jì)方法，使該區(qū)并沒有呈現(xiàn)出無大氣波導(dǎo)帶。文中利用ECMWF 提供的ERAinterim 數(shù)據(jù)（經(jīng)/緯度網(wǎng)格距為0.75°×0.75°）中的溫度、比濕垂向分層數(shù)據(jù)，計(jì)算全球大氣修正折射率廓線，并利用海洋調(diào)查期間獲取的低空探空火箭數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣修正折射率與ERA-Interim 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，然后利用該數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析全球大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)概率、高度和強(qiáng)度分布特征。

2 數(shù)據(jù)和大氣波導(dǎo)計(jì)算

2.1 數(shù) 據(jù)

大氣波導(dǎo)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)采用ECMWF 發(fā)布的ERA-Interim 數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱EID），該數(shù)據(jù)是ECMWF自2011年開始發(fā)布的全球大氣再分析數(shù)據(jù)，經(jīng)/緯度網(wǎng)格點(diǎn)為0.75°×0.75°，從地面到0.1 hPa 分為60 層，在高度1000 m 以下有11 層，在海平面上層高分別為10、30、60、100、160、240、340、460、600、760、950 m，數(shù)據(jù)每天4 個(gè)時(shí)次，分別是00、06、12、18 時(shí)（世界時(shí)，下同）。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)2011—2016年的溫度和濕度分層數(shù)據(jù)計(jì)算大氣修正折射率和大氣波導(dǎo)特征參量值。

為了驗(yàn)證EID 計(jì)算大氣波導(dǎo)的可用性，采用海上低空探空火箭數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱LRD）計(jì)算的大氣修正折射率和大氣波導(dǎo)特征參量進(jìn)行驗(yàn)證。LRD 為2001—2003年中國(guó)近海15 個(gè)航次的溫度、濕度廓線數(shù)據(jù)，共有357 組。數(shù)據(jù)測(cè)量的高度范圍為海面至1200 m 高度，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，數(shù)據(jù)垂向分辨率平均約為3 m。

2.2 大氣波導(dǎo)計(jì)算

利用溫度、濕度廓線計(jì)算大氣折射率（N）可以通過Bean 等（1968）給出的公式計(jì)算，

式中，z為地面以上高度（m），p 為氣壓（hPa），T 為絕對(duì)溫度（K），e 為水汽壓（hPa）。大氣中是否存在大氣波導(dǎo)采用大氣修正折射率梯度法來判定，大氣修正折射率（M）與大氣折射率的關(guān)系如下式所列，1/a=0.157×10-3km-1，大氣修正折射率的單位是：M。

式中，a 為地球半徑，取6371 km，則地球曲率為大氣修正折射率的梯度與大氣折射率梯度的關(guān)系為

當(dāng)dM/dz＜0 時(shí)，大氣出現(xiàn)陷獲折射（Turton，et al，1988），該層大氣為陷獲層，即表示出現(xiàn)大氣波導(dǎo)。大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度用ΔM 表示，它表示陷獲電磁波的能力，ΔM=M2-M1，其中 M2為陷獲層頂層的大氣修正折射率，M1為陷獲層底層大氣修正折射率，M2所對(duì)應(yīng)的高度為大氣波導(dǎo)頂部高度，大氣波導(dǎo)頂部和底部的高度差為大氣波導(dǎo)厚度，大氣波導(dǎo)底部的高度為在大氣修正折射率廓線上與大氣波導(dǎo)頂大氣修正折射率值相等高度處的高度。

3 驗(yàn) 證

采用2001—2003年在中國(guó)近海獲取的LRD計(jì)算大氣修正折射率驗(yàn)證EID 計(jì)算值，共有357 組數(shù)據(jù)，比較兩種數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣波導(dǎo)高度、強(qiáng)度、厚度值。LRD 首先需要進(jìn)行質(zhì)量控制，去除錯(cuò)誤值，然后，根據(jù)LRD 測(cè)量的時(shí)間和位置，在EID 中找到鄰近時(shí)刻最接近測(cè)量點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，計(jì)算出該位置處的大氣修正折射率廓線。為了比較兩種數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣修正折射率差別，將LRD 采用Akima法插值到EID 各垂向分層的層高上，計(jì)算EID 大氣修正折射率的偏差均值（EID 計(jì)算值減去LRD 計(jì)算值）和方差，在此，將LRD 視為真值，計(jì)算結(jié)果如圖1a所示，各層偏差均值和方差值列于表1，從圖1a可見，除了10 m 層EID 計(jì)算值大于LRD 計(jì)算值，其他層EID 計(jì)算值均小于LRD 計(jì)算值，30 m 層的偏差均值最小，為-0.56，隨著高度的升高，偏差均值逐漸增大，在950 m 層偏差均值達(dá)到-9.3。偏差均方差也有類似的分布特點(diǎn)，低層偏差均方差小，10 m 層為8.91，高層偏差均方差大，950 m 層為11.95。計(jì)算兩種數(shù)據(jù)的357 組大氣修正折射率廓線數(shù)據(jù)，LRD 和EID 計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)為0.968，說明EID 與LRD 計(jì)算值具有較好的一致性。

表1 EID 計(jì)算大氣修正折射率偏差均值與方差Table 1 Deviation mean value and variance of atmospheric modified refractivity

LRD 垂向分辨率平均可達(dá)3 m，其計(jì)算大氣波導(dǎo)出現(xiàn)概率很高，為了統(tǒng)計(jì)具有一定強(qiáng)度的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)概率，在統(tǒng)計(jì)大氣波導(dǎo)時(shí)，設(shè)定大氣波導(dǎo)強(qiáng)度強(qiáng)于-2 M 時(shí)，記為出現(xiàn)大氣波導(dǎo)。兩種數(shù)據(jù)計(jì)算都出現(xiàn)大氣波導(dǎo)有54 組，大氣波導(dǎo)頂部高度比較如圖1b 所示，實(shí)線表示兩種數(shù)據(jù)源擬合結(jié)果，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.527，在高度小于650 m 時(shí)，EID 計(jì)算值小于LRD 計(jì)算值，在高度大于650 m時(shí)，EID 計(jì)算值大于LRD 計(jì)算值。

圖1 低空探空火箭數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣波導(dǎo)特征參量值與EID 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果比較（a.ERA-Interim 數(shù)據(jù)計(jì)算大氣修正折射率的偏差均值（實(shí)線）和均方差（虛線），“·”表示偏差），b.大氣波導(dǎo)頂高，c.大氣波導(dǎo)強(qiáng)度，d.大氣波導(dǎo)厚度）Fig.1 Comparison of rocketsonde ducts and the closest ERA-Interim ducts（a.Deviation mean value（solid）and variance（dashed）of atmospheric modified refractivity，b.altitude of ducts，c.magnitude of ducts，d.depth of ducts）

從大氣波導(dǎo)強(qiáng)度的比較（圖1c）可知，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.805，實(shí)線表示擬合結(jié)果，EID 計(jì)算的強(qiáng)度小于LRD 計(jì)算值，大氣波導(dǎo)越強(qiáng)兩者的差值越大，說明EID 計(jì)算的大氣波導(dǎo)強(qiáng)度要小于實(shí)際的強(qiáng)度。大氣波導(dǎo)厚度比較如圖1d 所示，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.669，從擬合結(jié)果看，多數(shù)情況下，EID 計(jì)算的大氣波導(dǎo)厚度值大于實(shí)際大氣波導(dǎo)厚度，這主要是EID 垂向分層在240 m 高度以上較疏，將會(huì)漏掉厚度較薄的大氣波導(dǎo)，如圖2 給出的例子，圖2a 為2003年4月6日06 時(shí)某海域兩種數(shù)據(jù)計(jì)算大氣修正折射率結(jié)果，可見在800 m 高度附近，出現(xiàn)大氣波導(dǎo)，波導(dǎo)強(qiáng)度為-5.3 M，波導(dǎo)頂高度為844.2 m，大氣波導(dǎo)厚度為58.2 m，EID 在這一層高度分辨率為190 m，致使漏掉了這一層較薄的大氣波導(dǎo)。當(dāng)大氣波導(dǎo)厚度大，而且高度比較低時(shí)，EID 計(jì)算大氣波導(dǎo)結(jié)果與實(shí)際吻合較好，如圖2b為2003年4月14日06 時(shí)兩種數(shù)據(jù)計(jì)算大氣修正折射率結(jié)果，LRD 計(jì)算大氣波導(dǎo)強(qiáng)度為-23.7 M，波導(dǎo)厚度為476.2 m，EID 計(jì)算大氣波導(dǎo)強(qiáng)度為-21.3 M，波導(dǎo)厚度為641.4 m，可見兩種數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果吻合較好。

圖2 EID 與LRD 計(jì)算的大氣波導(dǎo)比較（a.2003年4月6日06 時(shí)，b.2003年4月14日06 時(shí)）Fig.2 Comparison of ducts by rocketsonde and ERA-Interim（a.06：00 UTC 6 April 2003，b.06：00 UTC 14 April 2003）

在這357 組數(shù)據(jù)中，LRD 出現(xiàn)大氣波導(dǎo)332 組，說明實(shí)際大氣波導(dǎo)出現(xiàn)概率為93%。EID 出現(xiàn)大氣波導(dǎo)82 組，計(jì)算大氣波導(dǎo)出現(xiàn)概率為23%，兩者同時(shí)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)有54 組。EID 出現(xiàn)大氣波導(dǎo)時(shí)LRD 存在大氣波導(dǎo)的概率為65.9%，即EID 計(jì)算存在大氣波導(dǎo)，實(shí)際存在大氣波導(dǎo)的概率為65.9%，因此，可以利用EID 統(tǒng)計(jì)分析大氣波導(dǎo)特征參量值，其統(tǒng)計(jì)的大氣波導(dǎo)發(fā)生概率要小于實(shí)際大氣波導(dǎo)發(fā)生概率；其計(jì)算的大氣波導(dǎo)強(qiáng)度小于實(shí)際大氣波導(dǎo)強(qiáng)度；大氣波導(dǎo)厚度大于實(shí)際大氣波導(dǎo)厚度；大氣波導(dǎo)高度在低于650 m 時(shí)，大氣波導(dǎo)高度小于實(shí)際大氣波導(dǎo)高度，大氣波導(dǎo)高度高于650 m 時(shí)，大氣波導(dǎo)高度大于實(shí)際大氣波導(dǎo)高度。

4 大氣波導(dǎo)發(fā)生概率分布

利用2011—2016年6 a 間EID 全球每天4 個(gè)時(shí)次（00、06、12、18 時(shí)）的溫度、濕度垂向分層數(shù)據(jù)計(jì)算大氣波導(dǎo)每個(gè)季節(jié)的發(fā)生概率。由于南北半球的季節(jié)差異，在分析大氣波導(dǎo)季節(jié)分布時(shí)，用DJF 季表示12月、1月、2月（北半球?yàn)槎荆琈AM季表示3—5月，JJA 季表示6—8月，SON 季表示9—11月，方法是：分別計(jì)算6 a 間每一季節(jié)對(duì)應(yīng)月份大氣波導(dǎo)的發(fā)生概率，為了體現(xiàn)大氣波導(dǎo)發(fā)生的季節(jié)和地域特點(diǎn)，將6 a 每一經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)上每季度各月的大氣波導(dǎo)概率取中值，得出大氣波導(dǎo)概率分布（圖3）。

圖3a 為MAM 季（北半球春季）大氣波導(dǎo)發(fā)生概率，圖中白色區(qū)域表示無大氣波導(dǎo)，在MAM 季大氣波導(dǎo)高發(fā)海區(qū)（發(fā)生概率＞50%）主要存在于信風(fēng)區(qū)，分布在大洋東部，大陸西部海區(qū)，越靠近大陸的海域大氣波導(dǎo)概率越高，最高可以超過90%，其主要是大氣平流形成的大氣波導(dǎo)，上述區(qū)域是冷洋流影響的海域，其上為從陸地平流來相對(duì)暖干的空氣，從而造成逆溫而使垂向上大氣濕度銳降，形成大氣波導(dǎo)。因此，大氣波導(dǎo)發(fā)生概率很高。另外還有一個(gè)大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)域?yàn)槟蠘O的陸地上，這是由陸地上近地層大氣輻射冷卻形成的大氣波導(dǎo)，當(dāng)極地處于極夜時(shí)，陸地上近地層具有強(qiáng)烈的輻射降溫現(xiàn)象，近地層氣溫很低，在其上大氣形成較強(qiáng)的輻射逆溫，從而形成大氣波導(dǎo)。近地層溫度越低，逆溫越強(qiáng)，出現(xiàn)大氣波導(dǎo)的概率越高。

該季節(jié)大氣波導(dǎo)的高發(fā)海區(qū)主要有5 個(gè)，分別是：北太平洋東部海區(qū)、南太平洋東部海區(qū)、北大西洋東部海區(qū)、南大西洋東部海區(qū)、北印度洋海區(qū)。從圖3a 可見，MAM 季大氣波導(dǎo)高發(fā)海區(qū)北半球的區(qū)域大于南半球區(qū)域，而且大氣波導(dǎo)發(fā)生概率北半球高于南半球，主要原因是北半球?yàn)榇杭?，在大洋東部和大陸西部的信風(fēng)帶，地面2 m 處海上的平均氣溫明顯小于陸地上的平均氣溫，在該處，信風(fēng)將陸地上的暖干空氣輸送到冷濕的海面上，如圖4 所示（圖中箭頭方向表示風(fēng)向）易形成較強(qiáng)的逆溫層結(jié)，而南半球?yàn)榍锛?，在大洋東部和大陸西部的信風(fēng)帶，地面2 m 處海上平均氣溫小于陸地上平均氣溫的情況不顯著，形成的逆溫層結(jié)不如北半球強(qiáng)。北太平洋高發(fā)區(qū)（發(fā)生概率＞50%）的范圍約為：15°—30°N，140°W 至北美大陸西岸，其南北覆蓋范圍與加利福尼亞冷流南北覆蓋范圍大致相同；南太平洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：10°—30°S，100°W 至南美大陸西岸，為秘魯冷流與東南信風(fēng)共同作用的區(qū)域；北大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：7°—25°N，40°W 至非洲大陸西岸，其南北覆蓋范圍與非洲西部加納利冷流流經(jīng)的覆蓋范圍大體相同；南大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：7°—30°S，10°W 至非洲大陸西岸，為本格拉冷流與東南信風(fēng)共同作用的區(qū)域；印度洋高發(fā)區(qū)的范圍約為9°N 與亞洲大陸包圍的廣大區(qū)域，整個(gè)阿拉伯海和大部分孟加拉灣為大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)。太平洋大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)東西覆蓋范圍比大西洋大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)大，南北覆蓋范圍小，這也主要是由冷流流經(jīng)的區(qū)域決定的。

圖3 大氣波導(dǎo)發(fā)生概率（單位：%）的季節(jié)分布（a.MAM 季，b.JJA 季，c.SON 季，d.DJF 季）Fig.3 Ducting probability（unit：%）per season（a.Season MAM，b.Season JJA，c.Season SON，d.Season DJF）

圖4 ERA-Interim 表面平均風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢）和地面2 m 的平均氣溫（色階，單位：℃）（a.4月，b.10月）Fig.4 Average surface wind（vector）and air temperature（colour，unit：℃）at 2 m from ERA-Interim（a.April，b.October）

基本無大氣波導(dǎo)的海區(qū)呈緯向分布，主要有3 個(gè)帶，分別是北半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)，分布在42°N 以北海域；南半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)，分布在48°S 以南海域；熱帶輻合帶無大氣波導(dǎo)區(qū)，大致在0°—5°N 的部分海域。

JJA 季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率如圖3b 所示，該季節(jié)大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)和低發(fā)區(qū)大體與MAM 季相同，但是部分海域發(fā)生概率和大氣波導(dǎo)高發(fā)的區(qū)域出現(xiàn)改變。北印度洋大氣波導(dǎo)基本消失，僅在紅海、亞丁灣、波斯灣、阿曼灣等北部海灣大氣波導(dǎo)高發(fā)。大氣波導(dǎo)高發(fā)海區(qū)北半球區(qū)域的發(fā)生概率降低，海區(qū)減小，南半球的區(qū)域發(fā)生概率增加，海區(qū)增大，南半球區(qū)域開始大于北半球區(qū)域，各高發(fā)區(qū)北移，位置到達(dá)最北端。北太平洋高發(fā)區(qū)范圍約為：20°—35°N，140°W 至大陸西岸；南太平洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：5°—30°S，110°W 至大陸西岸；北大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：15°—40°N，40°W 至大陸西岸；南大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：6°—25°S，10°W 至大陸西岸。

基本無大氣波導(dǎo)的海區(qū)位置北移，總體上到達(dá)最北端，北半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)大體在48°N以北；南半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)在40°S 以南；熱帶輻合帶無大氣波導(dǎo)區(qū)大致在4°—12°N。

從SON 季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率分布（圖3c）可知，太平洋和大西洋上的大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)不變，但是，北半球的高發(fā)區(qū)范圍進(jìn)一步縮小，概率也進(jìn)一步降低；南半球的高發(fā)區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，概率也進(jìn)一步升高，位置開始向南移。印度洋上出現(xiàn)了南印度洋澳大利亞西北部大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)，此季節(jié)，該高發(fā)區(qū)大體位于100°E 以東，澳大利亞西北部與爪哇島之間的海域。北太平洋高發(fā)區(qū)范圍約為：20°—35°N，130°W 至大陸西岸；南太平洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：2°—32°S，115°W 至大陸西岸；北大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：14°—28°N，30°W 至大陸西岸；南大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：8°—28°S，20°W 至大陸西岸。

基本無大氣波導(dǎo)的海區(qū)位置總體上開始向南移，北半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)在48°N 以北；南半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)在48°S 以南；熱帶輻合帶無大氣波導(dǎo)區(qū)大致在2°— 10°N。

從DJF 季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率分布（圖3d）可見，太平洋和大西洋上的大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)不變，但是，北半球的高發(fā)區(qū)范圍較SON 季增大，概率增高，南半球的高發(fā)區(qū)范圍較SON 季減小，概率降低，位置到達(dá)最南端。印度洋上出現(xiàn)了兩個(gè)大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)，南印度洋澳大利亞西部大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)依然存在，發(fā)生概率有所下降，位置南移，主要位于澳大利亞以西，100°E 以東海域；北太平洋高發(fā)區(qū)范圍約為：15°—32°N，130°W 至大陸西岸；南太平洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：8°—32°S，115°W 至大陸西岸；北大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：10°—24°N，40°W 至大陸西岸；南大西洋高發(fā)區(qū)的范圍約為：10°—30°S，20°W 至大陸西岸。

基本無大氣波導(dǎo)的海區(qū)位置總體上到達(dá)最南端，北半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)在40°N 以北；南半球中高緯度無大氣波導(dǎo)區(qū)在50°S 以南；熱帶輻合帶無大氣波導(dǎo)區(qū)大致在0°—10°N。

5 大氣波導(dǎo)強(qiáng)度分布

大氣波導(dǎo)強(qiáng)度是大氣波導(dǎo)一個(gè)重要特征量，大氣波導(dǎo)強(qiáng)度越大對(duì)電磁波傳播的影響就越大，強(qiáng)波導(dǎo)可以造成雷達(dá)設(shè)備出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)、增強(qiáng)雷達(dá)雜波、增大測(cè)高誤差等現(xiàn)象，同時(shí)，也會(huì)造成通信頻率大于30 MHz 的通信信號(hào)出現(xiàn)異常（Tang，et al，2018）。在此用大氣波導(dǎo)強(qiáng)度的絕對(duì)值表征大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度，將每一經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)上每季度各月的大氣波導(dǎo)強(qiáng)度取中值，得到大氣波導(dǎo)強(qiáng)度的季節(jié)變化（圖5）。通過第2 節(jié)可知，由于EID 垂向分辨率較大，計(jì)算的大氣波導(dǎo)強(qiáng)度要小于實(shí)際情況。

由圖5 可見，大氣波導(dǎo)較強(qiáng)區(qū)域基本上是大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)域，波導(dǎo)發(fā)生概率越高，大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度也就越大。根據(jù)大氣波導(dǎo)對(duì)電磁波傳播的影響，將大氣波導(dǎo)強(qiáng)度絕對(duì)值大于10 M 視為較強(qiáng)波導(dǎo)，太平洋和大西洋大氣波導(dǎo)較強(qiáng)區(qū)域的范圍和強(qiáng)度呈現(xiàn)的季節(jié)變化是：北半球，MAM 季范圍最大，其次為JJA 季、再次為SON 季，DJF 季范圍最小；南半球，SON 季范圍最大，其次為MAM 季和DJF季，JJA 季范圍最??；北太平洋和北大西洋波導(dǎo)強(qiáng)度由于信風(fēng)帶大陸西部地面氣溫與大洋東部海面氣溫溫差的原因，大氣波導(dǎo)強(qiáng)度極值都是MAM 季最大，強(qiáng)度＞30 M，JJA 季其次，約為28—29 M，SON季最弱，為19—20 M，此后，DJF 季波導(dǎo)強(qiáng)度開始增強(qiáng)，為24—26 M；南太平洋波導(dǎo)強(qiáng)度的極值存在季節(jié)變化，但不如北太平洋明顯，各季節(jié)極值較為接近，JJA 季最強(qiáng)，約為19 M，MAM、SON 季其次，為16—18 M，DJF 季最弱，約為15 M；南大西洋波導(dǎo)強(qiáng)度的極值季節(jié)變化強(qiáng)于南太平洋，而小于北太平洋和北大西洋，MAM 季最強(qiáng)，約為28 M，SON、DJF 季其次，約為22 M，JJA 季最弱，約為17 M。南太平洋和南大西洋波導(dǎo)強(qiáng)度的極值較北半球數(shù)值要小，這主要是由于南、北半球陸地面積的差異，使得北半球平流逆溫強(qiáng)于南半球，導(dǎo)致大氣波導(dǎo)強(qiáng)度在太平洋和大西洋上，北半球的強(qiáng)度大于南半球。

圖5 大氣波導(dǎo)強(qiáng)度（單位：M）的季節(jié)分布（a.MAM 季，b.JJA 季，c.SON 季，d.DJF 季）Fig.5 Magnitude（unit：M）of duct layer per season（a.Season MAM，b.Season JJA，c.Season SON，d.Season DJF）

印度洋的大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域與上述兩洋存在差異，北印度洋與南印度洋差異也很大，北印度洋大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域的范圍季節(jié)變化是，MAM 季面積最大，DJF 季其次，SON 季范圍較小，位于阿拉伯海中部以北海域，JJA 季由于存在強(qiáng)勁的夏季風(fēng)，導(dǎo)致該海域基本沒有大氣波導(dǎo)，僅在波斯灣、阿曼灣、紅海等鄰近海域存在大氣波導(dǎo)。波導(dǎo)強(qiáng)度極值季節(jié)變化與北太平洋和北大西洋相同，也是MAM季最強(qiáng)，但該海域是大氣波導(dǎo)極值最強(qiáng)的區(qū)域，可達(dá)50 M 以上，其他季節(jié)極值明顯減小，DJF、SON季約為22—23 M，JJA 季僅在鄰近海域有大氣波導(dǎo)，極值約為20 M 左右；南印度洋大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域的范圍季節(jié)變化是，DJF 季面積最大，SON 季其次，MAM 季再次，JJA 季范圍較小，波導(dǎo)強(qiáng)度極值SON 季最強(qiáng)，約為33 M，DJF 季其次，約為31 M，再次為MAM 季，約為23 M，JJA 季最弱，約為10 M。

6 大氣波導(dǎo)高度分布

大氣波導(dǎo)高度用大氣波導(dǎo)頂部高度來表示，它表示大氣波導(dǎo)在垂向上出現(xiàn)的位置，該數(shù)值對(duì)無線電波的傳播也有重要影響，當(dāng)無線電收發(fā)設(shè)備位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)或在大氣波導(dǎo)層附近時(shí)，該無線電設(shè)備接收信號(hào)才會(huì)受大氣波導(dǎo)層的影響。將6 a 每一經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)上每季度各月的大氣波導(dǎo)高度取中值，得到大氣波導(dǎo)高度的季節(jié)變化（圖6）。由第2 節(jié)可知，EID 得到的大氣波導(dǎo)高度在650 m 以內(nèi)，其計(jì)算的高度值通常小于實(shí)際值，當(dāng)高度超過650 m時(shí)，其計(jì)算的高度值通常大于實(shí)際值。根據(jù)對(duì)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)54 組LRD 的分析，大氣波導(dǎo)厚度在中國(guó)近海的中值為275 m，當(dāng)EID 的高度大于1680 m時(shí)，其垂向分辨率超過300 m，意味著當(dāng)大氣波導(dǎo)高度超過1680 m 時(shí)，由EID 統(tǒng)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)將會(huì)漏掉大多數(shù)的大氣波導(dǎo)情況。

圖6 大氣波導(dǎo)頂高度（單位：m）的季節(jié)分布（a.MAM 季，b.JJA 季，c.SON 季，d.DJF 季）Fig.6 The height（unit：m）of duct top per season（a.Season MAM，b.Season JJA，c.Season SON，d.Season DJF）

由圖6 可見，大氣波導(dǎo)高度在信風(fēng)帶靠近大陸西岸海域高度低，隨著向西離岸距離增大高度升高，這主要是由于靠近大陸西岸一側(cè)均存在沿岸冷流，當(dāng)暖干的信風(fēng)流經(jīng)冷海面時(shí)，形成逆溫層，該層濕度存在銳降現(xiàn)象，隨著入海距離的增大逆溫逐漸減弱，逆溫高度層也逐漸升高（Klein，et al，1993）。大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)的波導(dǎo)高度季節(jié)變化特征是，北半球在SON、DJF 季高度高，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積大，在MAM、JJA 季高度低，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積小，南半球在MAM、JJA 季高度高，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積大，在SON、DJF 季高度低，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積小，這與海上邊界層高度的變化是一致的（涂靜等，2012）。在其他中低緯度近岸海域大氣波導(dǎo)高度比較低，如北印度洋的阿拉伯海和孟加拉灣、澳大利亞西北部與爪哇島之間的海域。在大陸包圍的內(nèi)海中，大氣波導(dǎo)高度更低，例如地中海、波斯灣、亞丁灣、紅海等海域，即使在波導(dǎo)高度最高的秋季，波導(dǎo)高度一般也不超過500 m。

7 結(jié)論

通過對(duì)比EID 和LRD 計(jì)算的大氣修正折射率和大氣波導(dǎo)特征參量值，以及利用2010—2016年EID 采用取各月中值的方法，統(tǒng)計(jì)分析全球大氣波導(dǎo)特征參量值可得出以下結(jié)論：

（1）可以利用EID 統(tǒng)計(jì)分析大氣波導(dǎo)特征參量值，其統(tǒng)計(jì)的大氣波導(dǎo)發(fā)生概率要小于實(shí)際大氣波導(dǎo)發(fā)生概率，大氣波導(dǎo)強(qiáng)度小于實(shí)際強(qiáng)度，大氣波導(dǎo)厚度大于實(shí)際厚度；大氣波導(dǎo)頂高在低于650 m時(shí)，大氣波導(dǎo)頂高小于實(shí)際高度，大氣波導(dǎo)頂高在高于650 m 時(shí)，大氣波導(dǎo)頂高大于實(shí)際高度。

（2）大氣波導(dǎo)特征參量南北半球分布存在地理和季節(jié)差異，總體上大氣波導(dǎo)發(fā)生概率在DJF 和MAM季，北半球高于南半球，JJA 和SON 季南半球高于北半球；大氣波導(dǎo)強(qiáng)度北半球總體上強(qiáng)于南半球；大氣波導(dǎo)高度在信風(fēng)帶靠近大陸西岸海域高度低，隨著向西離岸距離增大高度升高，在中、低緯度大陸包圍的內(nèi)海中，大氣波導(dǎo)高度最低，大氣波導(dǎo)高度北半球總體上低于南半球。大洋東部、大陸西部的信風(fēng)帶是大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)，大洋上大氣波導(dǎo)的高發(fā)區(qū)（發(fā)生概率＞50%）主要有6 個(gè)，分別是北太平洋海區(qū)、南太平洋海區(qū)、北大西洋海區(qū)、南大西洋海區(qū)、北印度洋海區(qū)、南印度洋澳大利亞西部海區(qū)。

（3）太平洋和大西洋大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)的大氣波導(dǎo)特征參量的季節(jié)變化較為一致，它們的變化特征是：大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)一年四季都存在，JJA 季位置最北，DJF 季位置最南，MAM 和SON 季介于其間。北太平洋和北大西洋海區(qū)MAM 季高發(fā)區(qū)范圍最大，發(fā)生概率最高，SON 季高發(fā)區(qū)范圍最小，發(fā)生概率最低，JJA 和DJF 季介于MAM、SON 季之間；MAM 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最大，強(qiáng)度最強(qiáng)，SON 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最小，強(qiáng)度最弱，JJA 和DJF 季介于MAM 和SON 季之間；大氣波導(dǎo)高度在MAM、JJA 季高度低，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積小，在SON、DJF 季高度高，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積大。南太平洋和南大西洋海區(qū)SON 季高發(fā)區(qū)范圍最大，發(fā)生概率最高，MAM 季高發(fā)區(qū)范圍最小，發(fā)生概率最低，JJA 和DJF 季介于MAM、SON 季之間；南太平洋大氣波導(dǎo)強(qiáng)度季節(jié)變化不明顯，強(qiáng)度與北太平洋比均較弱，南大西洋SON 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最大，強(qiáng)度最強(qiáng)，DJF 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最小，強(qiáng)度最弱，MAM、JJA 季介于兩者之間；南太平洋和南大西洋海區(qū)的大氣波導(dǎo)高度在SON、DJF 季高度低，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積小，在MAM、JJA 季高度高，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積大。

（4）印度洋大氣波導(dǎo)高發(fā)區(qū)大氣波導(dǎo)特征參量季節(jié)變化特征是：北印度洋高發(fā)區(qū)在MAM、DJF、SON 季存在，JJA 季基本沒有大氣波導(dǎo)，MAM 季高發(fā)區(qū)范圍最大，發(fā)生概率最高，可覆蓋10°N 以北的海域，從SON 到DJF 季高發(fā)區(qū)范圍逐漸增大，發(fā)生概率逐漸升高；MAM 季大氣波導(dǎo)強(qiáng)度強(qiáng)，是世界各大洋上大氣波導(dǎo)最強(qiáng)的海域，大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍大，可覆蓋10°N 以北的海域，從SON 到DJF 季大氣波導(dǎo)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍逐漸增大；大氣波導(dǎo)高度MAM 季最低，SON 季其次，DJF 季最高。南印度洋澳大利亞西部高發(fā)區(qū)也在MAM、DJF、SON 季存在，JJA 季大氣波導(dǎo)發(fā)生概率較低，DJF 季高發(fā)區(qū)范圍最大，發(fā)生概率最高，其次為SON 季，再次為MAM 季，JJA 季高發(fā)區(qū)基本不存在；DJF 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最大，強(qiáng)度最強(qiáng)，其次為SON 季，再次為MAM 季，JJA 季大氣波導(dǎo)較強(qiáng)海域范圍最小，強(qiáng)度最弱；大氣波導(dǎo)高度在SON、DJF 季高度低，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積小，在JJA 季高度最高，波導(dǎo)高度高的區(qū)域面積大。

（5）大氣波導(dǎo)低發(fā)區(qū)或無大氣波導(dǎo)海區(qū)呈緯帶分布，主要有3 個(gè)，分別是熱帶輻合帶區(qū)、北半球中高緯度區(qū)、南半球中高緯度區(qū)。這些區(qū)的位置具有季節(jié)變化，JJA 季位置最北，DJF 季位置最南，MAM、SON 季介于其間。

大氣波導(dǎo)分布特征研究需要高分辨率的水平和垂向網(wǎng)格數(shù)據(jù)，尤其是邊界層內(nèi)的高分辨率垂向網(wǎng)格數(shù)據(jù)，后續(xù)將采用未來更高分辨率的再分析數(shù)據(jù)對(duì)大氣波導(dǎo)分布特征進(jìn)行研究，尤其是分析大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度、高度和厚度等特征參量的分布，以及重點(diǎn)海域大氣波導(dǎo)的細(xì)部分布特征。

致 謝：感謝歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的ERA-Interim 再分析分層數(shù)據(jù)。