熱帶海域內蒸發波導RSHMU模型分析*

謝凌霄 田 斌 王 石 劉亞杰 韓 凌

(1.南海艦隊司令部 湛江 524000)(2.海軍工程大學海洋電磁環境研究所 武漢 430033)(3.海軍工程大學科研部 武漢 430033)(4.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)(5.第二炮兵指揮學院 武漢 430012)

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熱帶海域內蒸發波導RSHMU模型分析*

謝凌霄1田 斌2王 石3劉亞杰4韓 凌5

(1.南海艦隊司令部 湛江 524000)(2.海軍工程大學海洋電磁環境研究所 武漢 430033)(3.海軍工程大學科研部 武漢 430033)(4.海軍工程大學訓練部 武漢 430033)(5.第二炮兵指揮學院 武漢 430012)

RSHMU模型是俄羅斯研究人員提出的一種蒸發波導預測模型,利用近幾年采集的熱帶海區的蒸發波導數據,得出了RSHMU模型在熱帶海區的適用性結論,所得結果對進一步了解RSHMU模型預測性能具有一定的指導意義。

蒸發波導; RSHMU; 蒸發波導模型

Class Number TN911

1 引言

海洋上空被稱作蒸發波導的氣層,由于其具有對一定頻率電磁波強烈的“束縛”作用,從而使得電磁波的傳播效能發生顯著變化,因此受到國內外電磁波領域研究人員的廣泛重視。出于實用性、準確性等方面的考慮,人們提出使用蒸發波導模型來對蒸發波導進行研究。從目前公開的文獻中可以獲悉,包括美國[1]、中國[2]在內的許多國家都提出了各自的蒸發波導模型,較有影響的模型如PJ模型、偽折射率模型等[3～11]。俄羅斯國立氣象水文大學(原圣彼得堡氣象水文學院)的A.S.Gavrilov等學者結合自身的研究成果提出了一種被稱為RSHMU的蒸發波導預測模型,該模型自上世紀八十年代提出以來,主要在原蘇聯加盟共和國中使用。近期公開發表的文章中,來自烏克蘭國立科技大學無線電物理與電子學院的V.K.Ivanov,V.N.Shalyapin和Yu.V.Levadnyi利用在大西洋和印度洋部分海域的試驗數據,將RSHMU模型與其它蒸發波導模型進行了比較,使電磁波波導傳播的其他學者逐漸了解了這一模型的特性。考慮到國內外對RSHMU模型的研究,特別是其在熱帶海域內的研究較少,因此本文利用在熱帶海域部分海區進行的海上試驗中獲得的實測數據對該模型進行分析,使讀者進一步了解RSHMU模型的預測性能。

2 RSHMU模型基本原理

RSHMU蒸發波導模型求解蒸發波導特征量的思路不同于Jeske等模型,該模型首先通過一定的計算獲得修正折射率廓線,然后再獲取波導高度、強度結果。RSHMU蒸發波導模型具體實現方法與基于通量算法的蒸發波導模型相比,區別主要在于風速、位溫的無量綱化梯度函數和穩定度修正函數不同,因此文章參照A模型的求解思路來實現RSHMU模型,而模型中使用的無量綱化梯度函數和穩定度修正函數則按A.S.Gavrilov等學者給出的計算式,具體的風速、位溫的無量綱化梯度函數φu、φθ如下:

(1)

(2)

與之對應的風速、位溫的穩定度修正函數分別為

(3)

(4)

式中,x1=(1-8ζ)1/3,y1=(1-35ζ)1/3。

3 RSHMU模型敏感性分析

3.1 氣海溫差、風速、相對濕度的敏感性分析

本小節對RSHMU模型受輸入的氣海溫差、風速、相對濕度的影響做出分析,選取海表溫度15℃,6m處的氣壓1031hPa,風速分別取1m/s、7m/s,相對濕度以5%為間隔由50%變化到100%,氣溫分別取10℃、11℃、12℃、13℃、13.5℃、14℃、14.5℃、15℃、15.5℃、16℃、16.5℃、17℃、18℃、19℃、20℃,仿真的結果如圖1所示。

圖1 仿真結果

圖1的結果顯示RSHMU模型計算的蒸發波導高度、強度在氣海溫差小于零時會計算出結果,而在氣海溫差大于零時會得到“不合理”的結果。風速對模型計算的蒸發波導高度結果影響要比強度影響大,隨著風速的增加,模型計算的波導高度結果會有所增大,而對強度結果來說,這種影響不太強烈。相對濕度同樣對模型計算的波導高度、強度結果產生影響,在同樣的氣海溫差和風速條件下,較小的相對濕度對應的結果要大。

3.2 氣壓敏感性分析

仿真條件為海表溫度25℃,6m處的風速分別取4m/s,相對濕度為70%,氣溫分別取23℃、25.5℃,氣壓分別取1000hPa、1010hPa、1020hPa,RSHMU模型計算的蒸發波導高度、強度結果如表1、表2所示。

表1和表2中的數據表明RSHMU模型計算的蒸發波導高度、強度結果基本不受氣壓變化的影響。因此在實際應用中,對參考高度處氣壓輸入數據的精度要求可以適當降低或者當真實氣壓結果無法獲取時,可類似Paulus-Jeske模型,直接使用1000hPa來代替計算蒸發波導高度、強度結果。

表1 氣壓敏感性結果(蒸發波導高度)

表2 氣壓敏感性結果(蒸發波導強度)

4 實測數據分析

為了檢驗RSHMU模型的實際預測效果,在熱帶海域部分海區進行了相關波導測量試驗。實測蒸發波導結果與RSHMU模型計算波導結果比對采用均方根誤差Erms為標準,其定義式為

(5)

式中,x,y分別為模型計算的波導結果和實測波導結果,n表示數據組數,計算的結果如表3所示。

表3 試驗數據分析

表3中的數據顯示試驗海區內蒸發波導高度、強度對應的均方根誤差均較大,特別是蒸發波導高度對應的均方根誤差值,表明RSHMU模型在試驗海區預測的結果不太理想,因此需要對模型進行進一步的修正,從而使該模型能夠適應熱帶海域氣象環境。

5 結語

本文在簡要介紹RSHMU模型基本原理的基礎上,通過計算機仿真分析了RSHMU模型受氣溫、海溫、相對濕度、風速、氣壓等因素的影響,分析結果顯示除氣壓外,其余因素都在一定程度上影響著RSHMU模型計算的蒸發波導高度和強度結果,因此在后續使用中要格外注意輸入的氣溫、海溫、相對濕度、風速數據,采用高精度的傳感器會得到更為準確的結果。同時,可以對氣壓傳感器的選擇適當降低,在無法獲取氣壓值的情況下,可以采用1000hPa作為代替值來計算。通過在熱帶海域采集的數據分析了RSHMU模型的實際預測性能,結果顯示該模型實際的預測效果不太理想,特別是預測的蒸發波導高度存在較大偏差,因此在后續應用中應加以修正。

[1] 劉愛國,察豪,周沫.岸海交界處微波雷達超視距探測實驗研究[J].電波科學學報,2013,28(4):758-763.

[2] 田斌,察豪,李杰,等.PJ模型和偽折射率模型特性對比[J].華中科技大學學報(自然科學版),2009,37(9):29-32.

[3] 田斌,察豪,張玉生,等.蒸發波導A模型在我國海區的適應性研究[J].電波科學學報,2009,24(3):556-561.

[4] Musson-Genon L, Gauthier S, Bruth E. A simple method to determine evaporation duct height in the sea surface boundary layer[J]. Radio Science,1992,27(5):635-644.

[5] Babin S M, Young G S, Carton J A. A new model of the oceanic evaporation duct[J]. Journal of Applied Meteorology,1997,36:193-204.

[6] 劉成國.蒸發波導環境特性和傳播特性及其應用研究[D].西安:西安電子科技大學,2003:33-34.

[7] Babin S M. A new model of the oceanic evaporation duct and its comparison with current models[D]. Maryland: PhD dissertation, University of Maryland,1996:63-78.

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[9] 李詩明,陳陟,喬然,等.海上蒸發波導模式研究進展及面臨的問題[J].海洋預報,2005,22(增刊):128-139.

[10] 楊坤德,馬遠良,史陽.西太平洋蒸發波導的時空統計規律研究[J].物理學報,2009,58(10):7339-7350.

[11] 焦林,張永剛.基于中尺度模式MM5下的海洋蒸發波導預報研究[J].氣象學報,2009,67(3):382-387.

Study on Evaporation Duct RSHMU Model in Tropical Waters

XIE Lingxiao1TIAN Bin2WANG Shi3LIU Yajie4HAN Ling5

(1. The South China Sea Fleet Headquarters, Zhanjiang 524000) (2. Institute of Ocean Electromagnetic Environment, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (3. The Scientific Research Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (4. The Training Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (5. The Second Artillery Command College, Wuhan 430012)

An evaporation duct model called RSHMU was introduced by Russian researcher. The applicability of RSHMU model in tropical waters is studied by using actual evaporation duct data measured in the experiments during recent years. The conclusions offer some help for further understanding of RSHMU model.

evaporation duct, RSHMU, evaporation duct model

2015年3月2日,

2015年4月27日

毫米波國家重點實驗室開放基金(編號:K201510)資助。

謝凌霄,男,工程師,研究方向:電子探測裝置效能。田斌,男,副教授,研究方向:蒸發波導預測。王石,男,講師,研究方向:雷達效能預測。劉亞杰,女,講師,研究方向:計算機仿真。韓凌,女,助理研究員,研究方向:非平穩數據處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.023