冬季南海北部近岸蒸發波導環境分析

成印河 張玉生 趙振維 朱鳳芹

(1.廣東海洋大學海洋與氣象學院 陸架及深遠海氣候、資源與環境省教育廳重點實驗室，廣東 湛江 524088；2.中國電波傳播研究所，山東 青島 266017)

引 言

在海洋大氣環境中，蒸發波導是由于海水蒸發引起的濕度銳減而形成的一種近地層大氣結構，是影響30 MHz 以上電磁波傳播的一種近海面反常大氣環境[1].海上蒸發波導的存在改變了電磁波傳播路徑和范圍，使通信、探測、導航等系統出現了一些特殊的傳播特征，如雷達出現超視距傳播[2]和探測盲區[3]，從而影響了雷達的探測性能.因此通信、探測、導航等現代應用系統迫切需要海洋環境效應技術的支撐，需要充分考慮蒸發波導環境的影響.這就要求進行蒸發波導環境特性研究.

蒸發波導環境的觀測有兩種方法，運用微波折射率儀直接探測大氣折射率剖面[4]和利用探空氣球、定點多層傳感器等測量各個高度上的氣象參量間接地計算近海面大氣折射率剖面.在蒸發波導觀測的科學試驗中最為常用的是間接測量方法[5-9]，通過測量各個高度上的溫度、濕度和大氣壓，然后計算大氣折射率，擬合其剖面.統計分析獲得的氣象水文廓線，研究利用宏觀的水文氣象要素開發蒸發波導診斷模型，預測近海面大氣折射率廓線的應用方法和系統，為評估和預測艦載雷達、岸基對海雷達提供環境支撐.由于出海觀測實驗獲取數據非常有限，因此蒸發波導環境特征研究中一般結合某一蒸發波導診斷模式進行分析[9-15]，如2000年Paulus等[6]基于模式利用馬士頓方的海域劃分方法對海濱區域145和116海域的蒸發波導進行了分析，指出年際蒸發波導高度分布及成因；2002年Kerans等[9]利用澳大利亞北部近岸梯度觀測浮標上的氣象水文數據統計分析了當地的蒸發波導高度，指出海濱蒸發波導高度在24小時日循環中變化很大；2005年藺發軍等[12]和2009年楊坤德等[13]基于蒸發波導模式對我國海域蒸發波導進行了統計分析，指出蒸發波導高度具有季節變化、月變化以及空間分布的特征.

雖然蒸發波導的環境特性研究取得了一定的研究成果，然而我國南海有關蒸發波導的研究卻比較少，尤其是基于觀測的研究.2009年丁菊麗等[14]基于New模式和鐵塔資料分析了南海海區蒸發波導出現規律，指出冬季蒸發波導環境出現概率為100%,由于受蒸發波導診斷模式診斷準確度制約，如2001年劉成國等[16]利用偽折射率模式預測與實測折射率儀觀測吻合率為52%，所以基于蒸發波導診斷模式統計規律需要進一步驗證和分析.本文針對南海近岸海域，利用鐵塔觀測氣象水文資料分析了南海近岸蒸發波導環境及其影響因素，為診斷和預報蒸發波導環境提供理論依據.

1 數據與分析方法

1.1 數據

本文采用博賀海洋氣象科學實驗基地的海洋氣象觀測平臺中的大氣邊界層特征觀測塔梯度氣象觀測數據.該數據具有多種時間分辨率，如10 min平均的，包括相對于平均海平面0 、10、13 m等高度上的溫度、相對濕度和風速、風向等信息，其中0 m為利用熱紅外測溫計獲得的海表面皮層溫度(surface skin temperature, SST).海表面皮層溫度能夠減少蒸發波導模型診斷計算中的誤差，有利于蒸發波導環境的研究[17].該觀測塔，見圖1，位于廣東省茂名市博賀港南面約6 km的海床上，鐵塔總高度為53 m，所在海水平均深度為17 m，水面以上為30 m左右.該觀測平臺受陸地下墊面的影響較小，可獲取具有代表性的海氣邊界層近海海洋觀測數據.

圖1 海洋大氣邊界層特征觀測塔

我國秋、冬季節蒸發波導觀測研究較少，因此，本文以2011年1月為代表的冬季10 min平均梯度氣象數據以及海面皮層溫度數據每30 min進行了平均，消除湍流的影響，進行南海近岸蒸發波導環境研究.

1.2 數據分析方法

對于微波波段，不同高度的修正大氣折射率M采用以下公式進行計算[10]

(1)

式中:P為大氣壓,hPa；e為水汽壓，hPa；T為大氣溫度, K；z為距離海面的平均高度，m.水汽壓計算采用Goff-Gratch飽和水汽壓公式為

lgE= 10.79574(1-T1/T)-5.02800lg(T/

T1)+1.50475×10-4(1-

10-8.2969(T/T1-1))+0.42873×

10-3(104.76955(1-T1/T)-1)+0.78614 .

(2)

式中：E為T氣溫(K)下的飽和水汽壓，Pa；T1為常數273.16，式中：那么空氣中實際水汽壓計算為

e=RH×E×10-4.

(3)

式中：RH為相對濕度，%；e為計算水汽壓，hPa.

南海海域的蒸發波導發生高度一般在10 m左右，比較低，同時在電波傳播評估應用系統中更注重大氣折射率廓線的梯度值即大氣折射率隨高度分布，如美國海軍應用中心研發的個人電腦版工程折射效應評估系統(Engineer’s Refractive Effects Predict System，EREPS)中利用兩層大氣折射率之差計算蒸發波導高度，其氣海大氣折射率之差大于零時，其蒸發波導高度為零，即不存在蒸發波導[11].因此利用兩層修正大氣折射率之差ΔM，可以判斷是否發生了蒸發波導；利用其垂直梯度值，大致可以判斷近海面大氣折射率廓線形狀.綜上所述，本文嘗試采用SST和鐵塔兩層(10 m和13 m)溫度、相對濕度、風速等數據計算修正大氣折射率，分析南海近岸蒸發環境研究.10 m與海面折射率之差被稱為第一層折射率之差，13 m和10 m層的大氣折射率之差被稱為第二層折射率之差(下同).

2 南海北部近岸蒸發波導環境

2.1 蒸發波導發生概率分析

2011年1月份每10 min采樣數據點中，每30 min取平均，共得1 242組數據.除了1月25日前幾天數據缺測外，大部分觀測是連續的.第一層和第二層修正大氣折射率差隨時間變化見圖2.

圖2 2011年1月第一層和第二層修正大氣折射率之差時間序列

從圖2中可知 ，2011年冬季第一層大氣折射率差值變化非常劇烈，從-38～9 M units之間變化，大部分折射率之差在-38～0 M units之間，而少量在0～9 M units之間，此時可以說明南海近岸蒸發波導發生概率是很高的；而第二層大氣折射率之差分布在-2～0 M units之間，隨時間變化緩慢，在1月中旬之前，其差值接近于0，而后接近于-1 M units.從兩層大氣折射率之差中大致可推測近海面大氣折射率廓線形狀，特別是兩層折射率之差的變化說明蒸發波導高度是隨時間變化的，但是整個冬季變化不大，在13 m左右，這與文獻[14]中的結果是一致的.如果僅考慮傳感器誤差對大氣折射率計算的影響，第一層修正折射率之差小于-1 M units的數據點為1 163個，其南海近岸發生蒸發波導的概率為94%，平均修正折射率梯度為-1.56 M units/m.如果考慮大氣折射率對電磁波傳播的影響，修正大氣折射率梯度絕對值在0.5 M units/m時，南海近岸蒸發波導發生波導數據點為1 060個，其發生概率為85%，平均折射率梯度為-1.67 M units/m.對于第一層大氣折射率之差是正值，而第二層是負值的情況，此時大氣折射率廓線形狀比較復雜，近海面有可能發生了有基礎層的表面波導，本文不再進行深入討論.

2.2 蒸發波導變化分析

由圖2可知，整個1月份發生的蒸發波導是連續變化的，呈現二個‘W’狀分布，不過在時間分布上不是軸對稱的，如2011年1月份，第一個‘W’狀，前一個‘V’狀持續約10 d，后半部‘V’持續約5 d，第二個恰好相反.這種分布與大的天氣系統是緊密聯系在一起的，后面還要進一步分析.整個冬季分布規律的基礎上，還疊加著好多‘W’狀，此時對應著蒸發波導日變化.此時蒸發波導變化還是很有規律的，見圖2中選擇數據連續的1月25日至2月3日的時間段.顯然，雖然蒸發波導高度變化較小，但是其蒸發波導強度變化較大，其中12～14時最大，最大達35 M units，其梯度達到了-2.70 M units/m，而深夜發生蒸發波導強度最小，甚至沒有發生蒸發波導.

為了詳細分析蒸發波導日變化，本文將1月份數據分成12組，從0時到24時每2 h間隔為一組，具體變化見圖3.

從圖3中可知，冬季南海近岸蒸發波導一日24 h的變化趨勢，蒸發波導發生概率(平均梯度小于-0.5 M units/m)從深夜的70%多到接近中午95%以上逐漸變大.晝夜發生概率相差較大，白天8-16時蒸發波導發生概率較高，90%以上，而夜里發生較低在80%左右.蒸發波導強度變化更是明顯，呈現‘V’字型，中午前后達最強達19 M units，深夜最低在14 M units左右.夜間蒸發波導強度變化較小，白天變化較大，由上午16 M units逐漸變化到中午19 M units，下午又逐漸回落到15 M units. 蒸發波導強度和發生概率呈正相關趨勢.

3 蒸發波導環境參數分析

為了選擇冬季氣象要素對蒸發波導影響的貢獻，對式(3)求導數，

(4)

代入冬季1月份的平均氣溫14 ℃、水汽壓15.5 hPa和大氣壓1 015 hPa，式(4)變為

(5)

由式(5)可知，影響冬季南海近岸修正折射率梯度從大到小依次是水汽壓、溫度、大氣壓.因此，本文主要分析氣溫和水汽壓對蒸發波導的影響，并與之關系密切的南海近岸的風場[18].

3.1 南海北部近岸溫度變化

氣海溫差在蒸發波導模式計算中是很重要的一個物理量，然而對于特定海域取決于本地的氣溫和海表面皮層溫度.圖4給出的南海北部近岸10 m氣溫、海面皮層溫度及氣海溫差情況.從圖4中可知，南海北部近岸氣溫和海溫是正相關的，具有同步的變化狀態.海溫在14 ℃左右隨時間震蕩，氣溫在13 ℃左右震蕩，氣溫比海溫震蕩振幅較大，這是由于大氣熱容比海洋小的緣故.同時誘發其氣海溫差隨時間的震蕩，但平衡位置是不同的，1月份上旬圍繞-2 ℃震蕩，振幅為2 ℃，中后旬圍繞-1 ℃左右以約1 ℃振幅在震蕩.在發生蒸發波導的85%的數據中，80%氣海溫差小于0 ℃，處于不穩定狀態，僅有20%的處于穩定狀態.調研發生波導時間，穩定狀態大部分發生在16-22時，位于下午和晚上的時間居多.

3.2 南海北部近岸水汽壓變化

在蒸發波導模式研究和環境特性研究中，直接用相對濕度來進行討論濕度的影響，然而水汽壓在計算中通常是氣溫和相對濕度的函數，更精確計算還需考慮大氣壓的影響，見公式(2)和(3).因此，本文直接用水汽壓討論蒸發波導的影響，其中也包含了溫度的影響，如本文中1月份10 m的水汽壓與氣溫、相對濕度相關系數分別為0.743和0.856，很好地說明了此問題.從冬季1月份的數據中，可知10 m相對濕度的變化非常劇烈，從36%～84%變化，然而轉化為水汽壓后，隨時間變化如圖5.

圖4 2011年1月SST、10 m高度處氣溫及氣海溫差時間序列

圖5 2011年1月海面水汽壓、10 m水汽壓及水汽壓差時間序列

由圖5可知，海面水汽壓隨時間變化與海面皮層溫度是一致的，具有日變化，在16 hPa附近震蕩，10 m水汽壓在10 hPa附近震蕩.其氣海水汽壓差在-6 hPa附近震蕩.在發生蒸發波導數據中，其水汽壓差絕大部分小于-5 hPa.這樣充分說明了水汽減少形成蒸發波導的直接原因.然而水汽壓的這種變化與局地風場密切相關的.

3.3 南海北部近岸風場的變化

由文獻[18]可知風場是影響近岸蒸發波導海洋環境的重要因素，因為風場變化可以帶來氣溫和濕度的變化.由此對南海北部近岸冬季1月份風矢量隨時間的變化進行了分析，見圖6(每隔4個數據點采樣作圖).

圖6 2011年1月10 m風矢量時間序列(黑點表示發生了蒸發波導)

從圖6中可知，南海北部站點附近冬季盛行偏北風，風速大部分集中在6 m/s的，少量超過并達到10 m/s.雖然冬季1月份站點附近盛行偏北風，但是也會有部分時間轉化為東北風、或者偏東風、甚至進行180的方向轉換，成為偏南風.這種風向的轉換對水汽影響非常明顯，相對濕度由80%降低為50%，甚至更低(圖略)，氣海溫差由小于零變為大于零，大氣由不穩定狀態進入穩定狀態.氣海水汽壓差上絕對值接近5 hPa，甚至更小，此時不易發生蒸發波導，或者發生弱的蒸發波導，修正折射率之差絕對值較小，如1月14日前后，1月20日，1月28日前后，以及2月份幾日.這是因為從南海南部、東部或東北部(此時風向與海岸線平行)低層氣流經過海洋加熱濕潤，形成較高溫度和濕度，使近海面混合均勻，不易發生波導，發生較弱的蒸發波導；而偏北風從大陸流入的氣流，低溫干燥，濕度較低，使近海面容易形成較大的溫度和濕度梯度，誘發較強的蒸發波導.南海北部蒸發波導環境日變化是在偏北風氣流背景下，主要由白天太陽短波輻射和夜間長波輻射交替加熱引起的.

4 結 論

利用2011冬季1月份南海近岸鐵塔氣象梯度數據和海面皮層溫度數據，對我國南海近岸蒸發波導環境進行了應用，初步得到了以下結論.

冬季我國南海近岸不低于10 m蒸發波導發生概率為85%以上，平均折射率梯度為-1.7 M units/m；雖然蒸發波導高度變化不大，與文獻[14]結果一致，但是蒸發波導強度較大.同時南海北部近岸蒸發波導特征日變化特征明顯，中午前后發生概率較高95%以上，平均折射率梯度為-2.0 M units/m，深夜發生概率較小80%左右，折射率梯度為-1.5 M units/m.

在影響我國南海近岸的蒸發波導環境因素中，冬季盛行的6 m/s偏北風是誘發、維持蒸發波導環境特性的主要原因；風向的轉變與蒸發波導環境特征量變化密切相關，冬季的偏南風降低了氣海溫差、水汽壓，降低了蒸發波導發生概率，減弱了其強度.在盛行偏北風氣流背景下，白天太陽短波和夜間海洋長波輻射交替加熱近海面大氣也會引起蒸發波導特征的晝夜變化.

致謝非常感謝中國氣象科學院熱帶氣象研究所黃建研究員指導和提供數據.

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