海上蒸發波導預測模型選擇方法

周　朋，劉光輝

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

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海上蒸發波導預測模型選擇方法

周朋，劉光輝

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

摘要：基于水文氣象條件的蒸發波導預測方法是一種常用的蒸發波導預測方法。在對現有典型方法的敏感性、穩定性、適應性以及優缺點進行了詳細的比較分析基礎上，提出海上艦艇蒸發波導預測模型選擇方法，從理論研究到實驗數據的對比分析表明該方法具有明顯的優勢，對提高海上蒸發波導預測能力具有重要意義。

關鍵詞：蒸發波導；預測模型；選擇方法

0引言

關于用水文氣象條件預測蒸發波導模型，國外許多專家在上世紀70年代初已經開始這方面的研究，比較有代表性的預測模型有美國的 Paulus-Jeske提出并不斷修正的蒸發波導預測模型(P-J模式)[1-2]、法國學者Luc Musson-Genon，Sylvie Gauthier和Eric Bruth提出的MGB模式[3]以及美國霍譜金斯大學的S.M.Babin提出的Babin模式[4](也稱A模式)。我國在蒸發波導預測上比較有代表性的研究成果有劉成國提出的偽折射率模式[5]和李云波提出的基于海氣通量算法的蒸發波導診斷模型[6]，他們提出的各種模型都是在Monin-Obukhov相似理論的基礎上得到的，只是應用不同。為彌補Monin-Obukhov相似理論在某些條件下不能使用的缺陷，戴福山提出了利用局地相似理論代替Monin-Obukhov相似理論確定蒸發波導的方法，稱為局地相似蒸發波導模式[7]。此外，我國的很多學者還對幾種傳統模式在我國海域的適應性進行了研究[8]，對蒸發波導預測模型在我國海域的應用研究起到了促進作用。本文對傳統的基于水文氣象條件預測蒸發波導模型進行綜合比較分析，提出了海上艦艇預測蒸發波導模型的選擇方法。

1傳統預測模型

1.1　 Monin-Obukhov相似理論

(1)

(2)

(3)

式中:μ*、θ*、q*分別為速度特征尺度、溫度特征尺度、水汽特征尺度;κ為Karman常數，取κ=0.4;L為長度特征尺度，稱為Monin-Obukhov長度;Ζ=z/L,為層結穩定度參數，當ζ>0時，為穩定層結；ζ<0時，為不穩定層結；ζ=0時，為中性層結;Φμ、Φt、Φq為穩定度參數ζ的函數，稱為普適函數，不同研究人員根據觀測資料給出的普適函數不同，在中性層結下均等于1[9]。

對式(3)進行積分，取風速為0，則有：

(4)

(5)

(6)

式(1)～(3)及式(4)～(6)稱為Monin-Obukhov相似理論關系式。

1.2　傳統模型

(1) P-J模式[7]

在利用P-J模式進行蒸發波導預測的過程中，引入了不隨氣壓變化的位折射指數Np，其關系式如下[9]:

(7)

由Monin-Obukhov相似理論的推導可知，位折射指數垂直梯度dNp/dz滿足：

(8)

當位折射指數梯度等于臨界位折射指數梯度b時，所對應的高度即為蒸發波導高度d。

因此，在穩定或者中性層結條件下：

(9)

對于不穩定層結條件下：

(10)

由于Monin-Obukhov相似理論不能適用于極端穩定和極端不穩定層結的海洋大氣環境，因此，在極端穩定層結環境下建議d/L應不大于1，否則令其等于1；極端不穩定層結環境下令蒸發波導高度為零。

(2) MGB模式[3,7,10-13]

(11)

式中:dθ/dz、dq/dz利用Monin-Obukhov相似理論計算獲得。

與P-J模式不同的地方在于MGB模式在確定L與Ri關系以及特征尺度參數θ*、q*時，引用了隱函數的方法，計算出特征尺度參數θ*、q*值。最后采用解析方法計算得到波導的高度為：

(12)

(3) Babin模式[4,7]

Babin模式最突出的貢獻就是通過引入“陣風性”速度的概念，將Monin-Obukhov相似理論的適用性推廣到了甚低風速條件下。

得到在穩定和中性大氣層結條件下，預測的波導高度表達式為：

(13)

不穩定層結大氣條件下的波導高度由下式確定：

(14)

在極端不穩定層結環境下，Monin-Obukhov相似理論不再適用，該模式引入了“陣風性”速度ωg，海面平均風速為：

S=μ2+ω2

(15)

(4) 偽折射率模式[5]

偽折射率模式是由我國學者劉成國提出并驗證其可行性的。偽折射率Np定義如下：

Np=4.495e-1.263T

(16)

該模式最終給出的蒸發波導環境下大氣修正折射指數關系式如下：

(17)

并采用測得環境參數，利用迭代法即可得到波導高度。

(5) Flux模型[3,6]

Flux模式是基于通量算法的蒸發波導模型的簡稱，模型將相似理論與通量算法相結合，首先求得各氣象要素垂直廓線分布，進而得到修正折射率廓線，根據修正折射率最小值對應的高度，確定波導高度[12]。

根據測得的海洋環境試驗數據，該模型通過利用陣性風速ωg來提高適用性：

(18)

可以得到修正折射指數M的廓線，此時，最小值點所在高度即為蒸發波導高度。

(6) 局地相似模式和New模式[7]

局地相似蒸發波導模式和New模式是由我國專家戴福山在總結前人的基礎之上提出的，既吸收了國內外最新模式的優點，同時又彌補了Monin-Obukhov相似理論在某些特殊條件下不能適用的不足。

New模式是對Babin模式和局地相似蒸發波導模式的綜合，由于Babin模式沒有考慮在強穩定層結條件下Monin-Obukhov相似理論不再適用時的修正，因此，New模式在具有穩定層結海洋大氣環境時采用局地相似模式算法，具有不穩定層結海洋大氣環境時采用Babin算法，這樣即利用了Monin-Obukhov相似理論的優越性,又對極端條件下的波導預測進行了修正，因此，New模式是理論上較為優秀的模式。

1.3　敏感性分析

海上蒸發波導對大氣環境的變化呈現出不同的變化特性，對不同大氣環境特征的敏感性不同，對氣象條件的敏感度從高到低依次是：大氣濕度、氣海溫差、風速、氣壓[11]。蒸發波導敏感性最高的海洋大氣環境因素是大氣濕度，滿足其他海洋環境因素相同的環境下，海洋氣象環境中相對濕度越低時波導的絕對高度越大。蒸發波導敏感性次之的海洋大氣環境因素是氣海溫差，隨溫差正值、負值不同而不同：氣海溫差大于零時，氣海溫差差值的大小對波導高度影響很大；當氣海溫差小于零時，氣海溫差差值的大小對波導高度影響較小。風速對蒸發波導影響的顯著特點是風速越大，波導高度越低，尤其在低風速時影響效果更為明顯。相對而言，蒸發波導敏感性最小的海洋大氣環境因素是氣壓。

本文根據蒸發波導對不同海洋氣象環境的敏感性分析，結合我國周邊海域水文條件特點，對前人研究的不同蒸發波導預測模型在海洋大氣環境中的敏感性、穩定性、適應性加以總結與分析，選擇出較適合我國海域氣象環境特征和艦載通信裝備特點的蒸發波導預測模型。

2009年，左雷等人通過理論分析和實測實驗數據對P-J模式的敏感性、適應性進行了研究，研究結果表明[4]：該模式計算得到的波導高度對海面風速、大氣相對濕度的變化較為敏感，在其他海洋環境因素一定時波導高度濕度越大,波導高度越低，與實際蒸發波導敏感性特征相符，但在風速較大時模型計算結果的偏差較大；在不穩定層結海洋大氣環境下，預測高度對氣海溫差變化較為敏感；相對濕度介于75%～85%之間的小風速海洋大氣環境下,該模式計算結果與實際值偏差最小。

田斌等人對解析MGB預測模式在我國海區適應性也做了相關的研究，綜合比較分析可以得出模型預測結果對氣海溫差的敏感性最大，其次是相對濕度和風速，氣壓敏感性最小；越接近中性層結，模型預測得到的波導高度值與實測真實值越接近。但國家海洋環境預報中心李詩明對MGB模式的研究可以看出，模型預測結果對輸入變量噪聲的敏感性很強，因此限制了該模式在業務上的使用[1]。

Babin模式最突出的特點是采用了鹽度修正來計算飽和水汽壓的值，并在一定程度上克服了Monin-Obukhov相似理論的局限性，將其適用性延伸至低風速的極端穩定層結海洋大氣環境下。田斌等對該模式在我國海域的適應性及敏感性進行了分析和實驗對比，結論為：該模式對氣海溫差、風速及大氣相對濕度等海洋氣象環境因素的變化都具備一定的敏感性，對水文氣象觀測系統的傳感器具有最低精度要求[3]。

劉成國在提出偽折射率模型的同時對其敏感性和實驗結果進行了分析[5]，計算機仿真結果表明:氣海溫差滿足小于-1℃的海洋氣象環境下，其對波導高度的影響不明顯;而當氣海溫差在0～2℃時，影響變化顯著，但變化規律不明顯；南海海上實驗利用測量儀器測得的蒸發波導在各種天氣條件下的發生概率與利用偽折射率模型預測得到的波導發生概率相近,并且吻合度達到了52%以上。

Flux模式與Babin模式計算機理大致相同，都是通過海氣通量算法計算Monin-Obukhov相似理論的相關參數，并且都引入了“陣風性”對在風速為零情況下Monin-Obukhov相似理論進行了修正，因此這2種模式的特點相似，在實際運用中根據大氣環境條件和二者在其他方面的差異考慮即可。

在研究蒸發波導預測模型過程中，許多專家學者對各模型在海洋大氣環境下的敏感性、穩定性等方面進行了比較分析，得出了許多的研究成果。戴福山分別于1999年和2000年先后5次進行海上試驗，實際觀測海洋水文氣象數據，研究不同預測模型預測得到的波導高度，得出如下結論[7]：

對于較常見的不穩定層結、中性層結和弱穩定層結的海洋大氣環境中，各模型預測得到的波導高度大致相同；對于晴好天氣里經常發生強穩定層結海洋大氣環境中，只有基于局地相似理論的local1模型和P-J模型預測結果比較準確，但在強穩定層結海洋大氣環境中Monin-Obukhov相似理論是不適用的，P-J模式采用了人為修正。

評估電磁波傳播損耗方面，當氣海溫差大于零時或者強穩定層結大氣環境下，基于局地相似理論的local1模式可以較好地滿足精確計算傳輸損耗的需要，P-J模式沒有顯示出超視距傳輸現象，其他模式結果也不夠準確；在弱穩定層結條件、中性層結以及不穩定層結的海洋大氣環境下,各模型之間預測得到的波導高度差異較小；而在風速較小時，Babin模式的預測結果較好。

王向敏結合我國海域實測數據對Babin模式與偽折射率模式進行了比較分析[1]，在風速較小時，Babin模式的穩定性明顯優于偽折射率模式；兩模式對濕度和溫度的敏感性相同，但偽折射率模式對風速的敏感性較小。宋偉利用實驗數據對P-J模式和Babin模式適應性進行了對比分析，分析結果表明[14]：按層結穩定性劃分時，P-J模式的準確性要好于Babin模式；而當風速較小時，Babin模式計算的波導高度誤差要小于P-J模式，進一步驗證了低風速環境下Babin模式較其他方法預測結果的準確性更好。郭相明等人指出[15]：在具備穩定層結的海洋大氣環境中，P-J模式預測精度最優；在不穩定層結的海洋大氣環境中，MGB模式預測精度最低，其他模式相差不大，并提出在蒸發波導預測上優先考慮P-J模式。

2海上艦艇預測蒸發波導模型

2.1　預測模型選擇方法

通過對基于水文氣象環境傳統預測模型的研究及前人對各個方法的比較分析可以看出，傳統的預測模型在分析檢測波導所處的近海面空間范圍內的氣象因素特征是基于Monin-Obukhov相似理論或局地相似理論來構建的；只是蒸發波導高度計算方法、普適函數選取依據、參量特征尺度等其他因素的選擇上存在差異。本文在此基礎上，根據海上艦艇裝備實際情況，提出采取如下方式利用水文氣象條件預測蒸發波導：

(1) 在強穩定層結海洋大氣環境時，選取局地相似理論的蒸發波導預測模式;

(2) 在弱穩定層結、中性層結以及不穩定層結海洋大氣環境時選取P-J模式;

(3) 在極端不穩定層結海洋大氣環境時選取Babin模式。

Monin-Obukhov相似理論不滿足強穩定層結海洋大氣環境時的應用條件，P-J模式在此情況下需考慮人為修正，不適于艦艇裝備及人員實際情況，而局地相似理論適用于整個近地層，可以彌補Monin-Obukhov相似理論的缺陷，因此本文在強穩定層結海洋大氣環境時選取基于局地相似理論的蒸發波導預測模式。

極端不穩定層結多發生在晴好的海洋大氣環境中，通過上述各個模式的研究與比較分析，Babin模式將Monin-Obukhov相似理論推廣到甚低風速海洋大氣環境下、風速較小的大氣環境時，該模型預測效果最優。

其它大氣層結的海洋大氣環境下選用P-J模式。P-J模式是目前蒸發波導預測方面應用最成功的模型之一，美國研究人員將其集成到某微波傳播預報系統中，作為業務化預報模式投入實際應用。可以看出，在P-J模式的應用上有著成熟的先例與經驗，而且通過前面的比較分析，在弱穩定層結、中性層結以及不穩定層結的海洋大氣環境時，該模式除在某些特定水文氣象環境下具有優勢外，其他環境條件下并無明顯缺陷，因此，建議使用P-J模式。

2.2　對比分析

為進一步驗證本文提出的蒸發波導預測模型選擇方法的有效性，采用戴福山于2000年1月14日南海試驗的海面水文氣象數據及部分模型計算得到的蒸發波導(見參考文獻[7]的238-239頁)高度加以分析。實驗數據如表1、表2所示。

表1　2000年1月14日南海試驗海面水文氣象觀測數據

表2　各模型不同時刻預測蒸發波導高度值

利用各預測模式實際預測的波導高度如表2和圖1所示。可以看出，在08∶00時刻，海面氣海溫差小于0，處于不穩定層結海洋大氣環境下，且風速較小。除Babin模式外，其他模式給出的波導高度明顯偏低，進一步驗證了Babin模式在低風速氣象環境下的優越性。此時，本文提出的選擇方法與Babin模式相同。與其他時刻相比，在11∶00和12∶00時刻各模型給出的蒸發波導高度差異較大，Babin模式給出的高度明顯偏高，而MGB模式明顯偏低，本文方法與局地相似蒸發波導模式相同，且與P-J模式相接近。在這2個時刻，氣溫顯著高于海面水溫，處于強穩定層結海洋大氣環境，驗證了在強穩定層結海洋大氣環境時Monin-Obukhov相似理論不再適用，以該理論為基礎的預測模型無法準確預測出波導高度。

圖1　蒸發波導高度

P-J模式預測結果較為接近，是由于該模式在強穩定層結條件下做了人為修正，而基于局地相似理論的蒸發波導模式沒有任何修正，因此，認為在強穩定層結海洋大氣環境時基于局地相似理論的蒸發波導模式可以更準確地預測得到波導高度。除上述時刻其他時間外，各模式預測得到的波導高度大致相同，且變化趨勢相同。本文提出的選擇方法與P-J模式相同，主要考慮P-J模式作為成功應用的先例，計算得到的蒸發波導高度較為平緩，穩定性較好。綜上所述，本文提出的海上艦艇預測蒸發波導模型選擇方法，從理論研究到實驗數據的對比分析表明是一種較好的蒸發波導預測模型選取方法。

3結束語

在基于水文氣象條件的方法中，本章對現有的典型方法進行了介紹，并對他們的敏感性、穩定性、適應性以及自身的優缺點進行了詳細的比較分析，提出了海上艦艇預測蒸發波導模型選擇方法，從理論研究到實驗數據的對比分析表明該方法具有明顯的優勢。

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Prediction Model Selection Method of Maritime Evaporation Wave-guide

ZHOU Peng，LIU Guang-hui

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:The prediction method of evaporation wave-guide based on hydrological meteorological condition is a common method.This paper presents the prediction model selection method of maritime ship evaporation wave-guide based on detailed comparison and analysis of existing typical methods from sensitivity,stability,adaptability and advantage/disadvantage.The comparison and analysis of theoretical study and experimental data show that the method has obvious advantages,which is of important meaning to raise the prediction ability of maritime evaporation wave-guide.

Key words:evaporation wave-guide;predication model;selection method

收稿日期:2015-04-08

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.05.011

中圖分類號：TN928

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)05-0046-06