海域大氣波導(dǎo)分布

周輝

摘要：大氣波導(dǎo)是邊界層大氣尤其是海洋邊界層大氣中經(jīng)常出現(xiàn)的一種極端超折射的自然現(xiàn)象，它具有超長(zhǎng)水平尺度特征和顯著的天氣背景，其特征量對(duì)當(dāng)?shù)貧夂?，氣海溫差等要素的變化十分敏感，并且季?jié)變化相當(dāng)明顯。只要確定大氣折射參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)，就可確定大氣波導(dǎo)特征參量。

關(guān)鍵字：黃渤海;大氣波導(dǎo)

1?大氣波導(dǎo)基本介紹

大氣折射主要可分為負(fù)折射、標(biāo)準(zhǔn)折射、超折射和陷獲折射。當(dāng)大氣中出現(xiàn)陷獲折射時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。大氣折射的基本類型及其存在條件，影響大氣環(huán)境中的電磁波傳播特性的主要大氣因子是大氣折射率。對(duì)頻率在1～100 GHz 范圍內(nèi)的電磁波，大氣折射率n或大氣折射指數(shù)N（N單位）可表示為大氣溫度T（單位：K）、大氣壓力P（單位：hPa）和水汽壓e（單位： hPa）的函數(shù)，其關(guān)系由下式給出 ：

當(dāng)電磁波傳播距離很短時(shí)，可近似認(rèn)為地球表面為平面，但若電磁波傳播距離較長(zhǎng)時(shí)，就必須考慮地球曲率的影響。此時(shí)，為了將地球表面處理成平面，通常使用進(jìn)行了地球曲率訂正的大氣修正折射率M其表達(dá)式如下：;

式中h（單位： m）為地表以上的高度。當(dāng)大氣折射指數(shù)垂直梯度（單位：N-1） 時(shí)，此時(shí)的大氣為負(fù)折射。當(dāng)時(shí)，此時(shí)的大氣為無折射。當(dāng)時(shí)，此時(shí)的大氣為正折射。正折射包括正常折射（也稱標(biāo)準(zhǔn)折射）、超折射、陷獲折射等。

當(dāng)大氣中出現(xiàn)陷獲折射時(shí)，電磁波彎向地面的曲率會(huì)超過地球表面的曲率，電磁波會(huì)被限制在一定厚度的大氣層內(nèi)經(jīng)該層大氣上下邊界來回反射向前傳播，形成波導(dǎo)傳播的大氣層成為大氣波導(dǎo)。不同的氣候條件下會(huì)形成不同的波導(dǎo)類型，通常大氣波導(dǎo)分為：蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)。

（1）表面波導(dǎo)

當(dāng)時(shí)，即出現(xiàn)大氣波導(dǎo)，大氣呈現(xiàn)陷獲折射，此時(shí)在大氣中傳播的在一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，部分被陷獲在大氣波導(dǎo)層內(nèi)傳播，當(dāng)大氣波導(dǎo)層接地時(shí)，稱此種類型的波導(dǎo)為表面波導(dǎo)。即表面波導(dǎo)是下邊界與地表相連的大氣波導(dǎo)。一般發(fā)生在 300m 高度以下的邊界層大氣中。如果氣象條件能產(chǎn)生陷獲層條件，且波導(dǎo)的下表面是地球表面時(shí)，則形成表面波導(dǎo)。

（2）抬升波導(dǎo)

若氣象條件形成的陷獲層存在于空中，而且波導(dǎo)底層也是高于地球表面，這種波導(dǎo)成為抬升波導(dǎo)。高層大氣存在大范圍的強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng)，下沉增溫減濕而造成的干熱氣層覆蓋在下面相對(duì)濕且冷的海洋邊界層上，常常在該海域上空形成懸空信風(fēng)逆溫，易于導(dǎo)致抬升波導(dǎo)形成。在季風(fēng)海域和海陸風(fēng)環(huán)流盛行海域也會(huì)出現(xiàn)抬升波導(dǎo)。抬升波導(dǎo)從幾百米到幾千米之間變化。

（3）蒸發(fā)波導(dǎo)

從折射率方程可以看出，有濕度分布的變化而沒有相應(yīng)的溫度變化也能產(chǎn)生陷獲的折射梯度。海洋表面的大氣中水汽的含量是飽和的，表面以上幾米高度的水汽含量則不是飽和的，因此，海洋表面往上存 在水蒸氣壓力的遞減，將使修正折射率M隨高度遞減，到達(dá)一定高度后水蒸氣的分布使修正折射率降到最低點(diǎn)，而后修正折射率又隨高度的增加而增加，由此原因形成的陷獲折射梯度結(jié)構(gòu)稱為蒸發(fā)波導(dǎo)。

2?渤海海區(qū)

渤海是一個(gè)深入中國(guó)大陸的淺海，其北、西、南三面被包圍，僅東面有渤海海峽與黃海溝通相連。渤海受東亞季風(fēng)影響明顯，存在著明顯的東亞季風(fēng)大氣環(huán)流的特點(diǎn)，屬于溫帶季風(fēng)區(qū)。冬季，盛行寒冷而干燥的西北季風(fēng)，夏季盛行溫暖而濕潤(rùn)的東南季風(fēng)或西南季風(fēng)。渤海水溫變化受北方大陸性氣候影響，2月在0℃左右，8月達(dá)到21℃，3月初融冰時(shí)有大量流冰發(fā)生，平均水溫11℃。

西南部波導(dǎo)概率大于東北部，概率呈單峰趨勢(shì)，在秋冬季節(jié)概率低，在10%以下，春夏季節(jié)高，最高在30%—60%。渤海海區(qū)全年出現(xiàn)的波導(dǎo)高度都較低，在300米以下，屬于表面波導(dǎo)。

冬季渤海海區(qū)受冷高壓控制，受寒冷干燥的西北風(fēng)影響，溫度低、濕度低，所以波導(dǎo)概率低。到3月氣溫開始回升，波導(dǎo)現(xiàn)象開始增多;4、5月冷高壓控制減弱，處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換月，偏南季風(fēng)開始增多，底層水汽增加、溫度升高，波導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)一步增加，到5月份波導(dǎo)現(xiàn)象最多;到6月份之后的夏季當(dāng)中，副熱帶高壓持續(xù)北進(jìn)，偏南季風(fēng)增強(qiáng)，降雨增多，對(duì)流增強(qiáng)，大霧天氣增多，高層暖干空氣減少，在大氣底層濕度隨高度升高下降不明顯，不利于波導(dǎo)的形成，因此造成波導(dǎo)現(xiàn)象的減少。9月到12月副熱帶高壓南移，渤海海域慢慢被冷高壓控制，偏南季風(fēng)減少，西北季風(fēng)增多，大氣底層氣溫降低，水汽降低，形成了不利于波導(dǎo)形成的大氣層結(jié)，波導(dǎo)現(xiàn)象減少。渤海海域西南部波導(dǎo)概率明顯大于東北部這是由于兩地地理位置造成的，東北部相較西南部偏北，西北冷高壓影響大于西南部，季風(fēng)準(zhǔn)換后西南部海域受偏南季風(fēng)影響大，溫度較高，所以波導(dǎo)顯現(xiàn)較多。

3?黃海海區(qū)

黃海海區(qū)波導(dǎo)變化存在明顯地季節(jié)變化特征，呈現(xiàn)單峰型分布，在夏季概率最高，6月為最高月，概率可達(dá)到50%，秋冬季節(jié)低，在10%以下。黃海東部出現(xiàn)的波導(dǎo)的高度在200米左右，類型全年基本為表面波導(dǎo)，在其他海區(qū)只有在夏季和夏秋交換的月份出現(xiàn)的波導(dǎo)高度在500—650米，是抬升波導(dǎo)，其余月份也為表面波導(dǎo)。

冬季黃海海域多為大陸冷高壓控制，到了3月氣溫開始回升，大氣波導(dǎo)現(xiàn)象開始增多;4、5月大陸冷高壓減弱，該區(qū)域處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換區(qū)，偏南風(fēng)開始增多，底層水汽增多，氣溫升高，波導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)一步增加，山東半島南部出現(xiàn)波導(dǎo)概率達(dá)到最大;6月副熱帶高壓脊北進(jìn)，該區(qū)域偏南風(fēng)增多，水汽進(jìn)一步增加，在山東半島南部大氣底層濕度隨高度升高下降不明顯，不利于波導(dǎo)形成，因此波導(dǎo)出現(xiàn)概率下降，而在遼東半島東部與朝鮮半島西部，因?yàn)閺暮Ｃ娴钠霞撅L(fēng)的濕空氣經(jīng)過朝鮮半島，到達(dá)此兩地時(shí)濕度下降，濕度隨高度下降明顯，所以波導(dǎo)進(jìn)一步增多;7月副熱帶高壓脊進(jìn)一步北移，偏南季風(fēng)進(jìn)一步增多，水汽增加，整個(gè)黃海波導(dǎo)明顯減少，到8月高壓脊到達(dá)最北位置，黃海海區(qū)水汽達(dá)到最大，對(duì)流增強(qiáng)，降雨增多，在山東半島南部雖然底層水汽條件滿足，但但高層暖干層減少，波導(dǎo)出現(xiàn)概率進(jìn)一步減少，而在其余兩個(gè)地區(qū)因偏南季風(fēng)經(jīng)過朝鮮半島上層暖干空氣保持穩(wěn)定，但底層濕度增大，形成較明顯的濕度銳降，所以出現(xiàn)波導(dǎo)的的小幅度升高，和6月基本相同;9月副熱帶高壓回移并減弱，10月以后黃海海域基本被冷高壓控制，黃海海域氣溫和水汽降低，波導(dǎo)出現(xiàn)概率降低;冬季黃海海域大氣波導(dǎo)很少出現(xiàn)。

遼寧?大連?116018