北極大氣波導時空分布研究

郝曉靜 李清亮 郭立新 張玉生

(1西安電子科技大學物理與光電工程學院, 陜西 西安 710071;2中國電波傳播研究所, 電波環境特性及模化技術重點實驗室, 山東 青島 266107)

提要 在北極地區, 有接通北美洲、歐洲北部和亞洲北部國家之間距離最短的直線路線, 所以北極地區的戰略位置日益重要。大氣波導是重要的電波環境, 利用大氣波導可實現超短波、微波頻段的超視距探測和通信應用。因此, 研究北極大氣波導有重要的意義。本文利用2007年1月—2016年12月十年的氣象探空數據, 統計分析了北極16個站點大氣波導的時空分布, 給出了大氣波導出現概率與其波導層厚度、強度特征量的統計特征, 并從天氣和氣候學角度初步探討了其成因。統計結果顯示: 1.北極地區大氣波導平均出現概率低于50%, 且表面波導出現概率高于懸空波導; 2.表面波導層厚度、強度分別在30 m以下和10 M以下,懸空波導層厚度在40—80 m, 強度小于10 M; 3.北歐海區和格陵蘭島為北極波導高發區, 歐亞大陸的北部邊緣為無波導區; 4.表面波導高發區在北歐海區和格陵蘭島, 北大西洋暖流、格陵蘭冷高壓及極夜期的輻射逆溫是表面波導形成的可能原因; 5.懸空波導高發區在北歐海區和白令海峽東北部區域, 且在7—8月份的暖季極晝期間為其高發季, 北歐海區暖季海霧、白令海峽東北部區域暖季受北極鋒影響是懸空波導形成的可能原因。

0 引言

大氣波導是一種異常大氣折射結構, 它的出現能夠改變電磁波傳播路徑及空間能量分布, 從而影響雷達等無線電電磁通信系統的探測性能,如實現雷達的超視距探測, 形成雷達電磁盲區及造成雷達的測高、測距誤差。了解大氣波導發生規律, 掌握其特征量的概率分布狀況, 將有助于趨利避害地利用大氣波導。

大氣波導研究常利用氣象高空探測數據(簡稱“探空數據”)進行分析。前人關于大氣波導時空分布特征的研究主要集中在中低緯地區。Patterson[1]用6年的歷史探空數據統計了全球各探空站大氣波導的分布。Craig和Hayton[2]用全球689個探空站10年的探空數據通過100 m折射率梯度小于–100 N·km–1的概率分析了全球大氣波導的發生概率。但由于過去使用探空儀測量分辨率比現在低, 測量的波導發生概率也較低。Babin[3]用飛機攜帶的溫壓濕傳感器測量得到的高分辨率數據分析得到了美國瓦勒普斯島沿海大西洋表面波導出現情況, 結果表明4—9月該海域表面波導高度最高。Brooks等[4]用1996年波斯灣航測和船測的實測數據研究了邊界層結構和波導厚度空間分布。劉成國和潘中偉[5]用中國的探空數據分析了波導分布特征, 發現我國有4個波導高發區和4個無波導區, 我國各地波導的出現情況和我國各地的地理氣候條件緊密相關并隨季節、時間和具體地區不同而存在差別。劉成國等[6]用1997年10月的實測數據研究了我國東南沿海大氣波導出現情況及它們和氣象條件的關系。Bech等[7-8]用探空數據分析了地中海西班牙巴塞羅那沿海波導出現情況。藺發軍等[9]和唐海川等[10]利用船舶探空數據和島上的探空數據分析了東南沿海、黃海波導分布特征及天氣學成因。Steiner和Smith[11]為了研究超視距和波導傳播引起雷達雜波的處理方法, 用美國16年的探空數據研究了美國超視距和波導分布情況。Fornasiero等[12]為了研究天氣雷達雜波對降雨估計的影響, 通過對 C波段雷達探測的異常傳播(波導)進行統計, 分析意大利北部波河流域大氣波導的日變化和季節變化。Mentes和Kaymaz[13]用兩年的探空數據分析了土耳其的伊斯坦布爾表面波導分布情況。陳莉等[14]通過2006—2007年NCEP大氣數值模擬格點氣象數據融合探空數據后計算并分析了我國近海大氣波導分布特征。Ding等[15]用2003—2006年3年GPS下投式探空儀數據分析了西太平洋臺風中大氣波導的分布特征。Kaissassou等[16]用6年的探空數據分析了北喀麥隆的恩岡代雷表面波導季節變化特征。Zhao等[17]和Cheng等[18]分別統計分析了南海和東印度洋大氣波導的分布特征。但利用實測數據開展北極地區大氣波導分布情況的研究幾乎沒有。

在北極地區, 有接通北美洲、歐洲北部和亞洲北部國家之間距離最短的路線, 其戰略位置日益重要。大氣波導是重要的電波環境, 利用大氣波導可實現超短波、微波頻段的超視距探測和通信應用。因此, 研究北極大氣波導有重要的意義。本文基于2007—2016年十年的探空數據, 統計分析了北極16個站點大氣波導的時空分布, 給出了大氣波導出現概率與其波導層厚度、強度特征量的統計特征, 診斷分析了波導形成的主要氣象要素, 結合天氣系統及天氣條件對波導形成的可能因素進行了初步分析。

1 數據和方法

1.1 數據

本文所用數據來自全球電信系統(Global Telecommunications System, GTS)的探空數據。數據時間段為 2007—2016年每天 00:00 UTC、12:00 UTC。選取了其中16個北極站點, 站點分布圖見圖1, 分布在北緯66°34′以北的北極圈內。

圖1 北極站點分布Fig.1.Station distribution of North Pole

1.2 數據處理方法

GTS探空數據記錄探空氣球所到高度處的溫壓濕氣象參數。100 m以下垂直分辨率在10—80 m,100—1 000 m的垂直分辨率在30—300 m。表面、懸空波導平均厚度在幾十米到幾百米之間, 因此,探空數據能夠用于大氣波導的研究。可能有多層懸空波導同時出現的情況, 但在北極這種情況很少見, 因此, 本文只取第一層表面和懸空波導進行統計分析。首先對GTS數據進行預處理, 把記錄中無效數據剔除, 提取每一層的壓強、溫度、露點溫度數據, 通過式(2)計算該層修正折射指數M, 通過壓高公式(3)計算該層高度, 然后通過分析M隨高度變化的梯度判斷波導頂高、厚度和強度等參量值, 具體方法和步驟如下。

影響大氣環境中的電磁波傳播特性的主要大氣因子是大氣折射率n,一般大氣的折射率 n=1.000 26—1.000 46,n為無量綱量。為了表明這種微小的變化,對頻率在1—100 GHz范圍內的電磁波, 大氣折射指數與大氣折射率及氣溫、氣壓和濕度之間的關系為

式(1)是一個經驗公式, N是大氣折射指數的實際應用單位, 簡稱為折射指數N單位。當電磁波長距離傳播時, 必須考慮地球曲率的影響, 此時, 為了將地球表面處理成平面, 需對 N進行地球曲率訂正而引入大氣修正折射指數M, 式(2):

式中, P為大氣壓強, hPa; T為大氣溫度, K; e為水汽壓, hPa; Z為該層大氣距離下墊面的垂直高度, m。這些參數都可以直接或間接地從 GTS數據中獲取。R=6.371×106m為平均地球半徑。同時每一層高度Z由下面壓高公式求出:

式中, ti、pi、Zi是第 i層的溫度、壓強和高度, ti–1、pi–1、Zi–1是第 i–1 層的溫度、壓強和高度。

M也是無量綱量, 通常以M單位對其進行表征。當修正折射指數梯度滿足條件:

此時即可判斷為波導出現, 并把這層大氣的底作為波導層底; 波導層底的 M 值記為Mmax; 然后再逐層向上判斷, 直到出現dM/dZ＞0, 則離這層最近的dM/dZ＜0的層的頂所在的高度為波導頂高; 波導頂高與波導層底的高度差為波導層厚度; 波導頂的 M值記為Mmin; 波導強度ΔM由下式求得:

通過上述步驟便得到波導頂高、波導層厚度、波導強度等特征參量值(以下簡稱“特征”)。本文分析兩類主要類型的大氣波導: 表面波導和懸空波導[19], 波導層頂修正折射指數值Mmin小于下墊面M值則為表面波導, 反之為懸空波導。如圖2所示, a、b圖為表面波導示意圖, 表面波導又分為兩類: 其中a圖是一般表面波導, b圖是有基礎層表面波導。c圖為懸空波導示意圖。圖中 h為波導層厚度, ΔM為波導強度。本文過濾掉波導強度小于1的波導樣本。

圖2 大氣波導分類Fig.2.Typical modified refractivity profiles for different duct types.a)simple surface duct; b) surface S-shaped duct; c)elevated duct

2 大氣波導出現概率及特征量時空特征

2.1 大氣波導出現概率年分布

首先對16個站點表面、懸空波導的年平均出現概率進行了統計分析, 結果見表 1, 總體來看,北極大氣波導出現概率低于50%。從波導出現概率全球分布圖(圖3, 利用全球探空數據計算繪制)上可知, 北極大氣波導出現概率低于中低緯地區。而且, 北極地區表面波導(圖4a)出現概率高于懸空波導(圖4b),這與中低緯分布情況正好相反(圖4c、d), 在中低緯, 懸空波導出現概率高于表面波導,圖4也是利用全球探空數據計算繪制的。

表1 表面、懸空波導出現次數、頻率Table 1.The number and frequency of occurrence about surface duct and elevated duct

從各站點波導出現概率分布圖(圖5a)中可知:在北極的16個站點中,1001、1028、4320、4339、71082、71924、71917和 70026這 8個站點波導年平均出現概率明顯高于其他幾個站點。其中,位于北歐海區的1001、1028和格陵蘭島的4320、4339四個站點波導出現概率最高(圖5b中紅色標記站點), 高于 30%; 其次是位于北美洲北部的71082、71924、71917、70026站(圖5b中橘色標記站點), 大約20%左右; 最后是位于歐亞大陸北部的 20046、20292、20674、20744、20891、21432、21824、21946站(圖5b中藍色標記站點), 出現概率低于 10%。因此, 可初步判斷北極大氣波導主要出現在北歐海區、格陵蘭島和北美洲北部。下面進一步分析上述波導主要出現區域的大氣波導出現情況和特征量分布。

2.2 大氣波導出現概率和特征量月、季分布

2.2.1 表面波導分析

表面波導月出現概率分布圖(圖6)顯示:1001、4320、4339站表面波導年平均出現概率最高(圖中用紅色虛線對應的縱坐標值表示表面波導年平均出現概率)。下面主要分析這3個站點。從圖6中可知, 1001、4320、4339站波導出現概率沒有明顯的季節變化規律。

圖7是上述3個站點表面波導層厚度、波導強度月分布圖, 圖中用藍色的虛線表示波導層厚度。從波導層厚度看, 1001在15 m以下, 且沒有明顯月份差別; 而4320和4339站較1001站大, 且在6、7、8、9月厚度達到最大值。3個站點波導強度在6、7、8、9月均達到最強。總體來看, 1001、4320、4339站波導層厚度較低、強度較弱, 平均分別在30 m以下和10 M以下。

圖3 全球大氣波導出現概率分布圖Fig.3.World-wide frequency of atmospheric duct occurrence

圖4 北極和中低緯表面和懸空波導出現概率對比分析Fig.4.Frequency of surface and elevated duct occurrence respectively.a), b) North Pole; c), d)mid-low latitudes

圖5 北極站點表面、懸空波導出現概率分布Fig.5.Frequency of surface and elevated duct occurrence in the North Pole

2.2.2 懸空波導分析

懸空波導月出現概率分布圖(圖8)顯示,1001、1028和 70026三個站懸空波導出現概率最高, 且主要發生在5—9月份, 這幾個月是3個站點極晝極夜更替過渡期(5、6月和 9、10月)及暖季極晝期(7、8月), 并在7—8月出現概率達到最高。在北極, 11、12、1、2、3、4月是寒季極夜期, 5、6月和 9、10月是過渡季節, 7、8月是暖季極晝期。分析說明, 上述3個站點懸空波導很少在寒季出現, 主要出現在過渡季節和暖季。

圖6 表面波導月出現概率分布Fig.6.Monthly variation of frequency for surface duct during the course of the year

圖7 1001、4320和4339站表面波導層厚度、強度月分布圖Fig.7.Monthly variation of surface duct characteristics with thickness and strength during the course of the year at 1001, 4320 and 4339

圖9是上述3個站點懸空波導層厚度、波導強度月分布圖, 圖中同樣用藍色的虛線表示波導厚度。從圖中可知, 3個站點波導厚度在 40—80 m,6—8月波導厚度達到全年最高值, 7月份達到峰值;3個站點波導強度平均在10 M以下。在4月、11月極夜極晝分割月, 波導厚度和強度都較低, 尤其70026為全年最低最弱。

圖8 懸空波導月出現概率分布Fig.8.Monthly variation of frequency for elevated duct during the course of the year

圖9 1001、1028和70026站懸空波導層厚度、強度月分布圖Fig.9.Monthly variation of elevated duct characteristics with thickness and strength during the course of the year at 1001,1028 and 70026

3 大氣波導成因初步分析

3.1 表面波導分析

圖10 1001站溫度、濕度、修正折射指數廓線分布圖Fig.10.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles at 1001 in (a) February and (b) July

在北極, 主要有寒季和暖季兩個典型季節。因此, 主要分析 1001、4320、4339站兩個季節波導形成的氣象條件。其中, 寒季、暖季分別選擇 2月和 7月為代表進行分析。圖10是 1001站 2月(圖10a, 2016年2月 4日 12:00 UTC)和 7月(圖10b, 2016年7月25日 12:00 UTC)典型的溫度、濕度和修正折射指數廓線分布圖, 統計結果顯示這種情況在2月和7月分別占據了波導出現時間的93%和88%(圖表略)以上。受北大西洋暖流影響, 1001站溫度、濕度較高(圖11), 接近表面的大氣中水汽充足, 水汽隨高度減小, 垂直梯度相對較大, 相對較容易出現表面波導。4320站2月(圖12a, 2016年2月16日12:00 UTC)極夜期間, 邊界層內存在很厚的輻射逆溫層,而且, 在逆溫層內濕度減小的梯度明顯增加,說明輻射逆溫的蓋帽作用阻止空氣的向上流動而引起了該層內濕度隨高度急劇減小, 從而逆溫和隨之產生的濕度銳減共同作用導致了波導的出現, 這種情況在 2月占據了波導出現時間的95%。7月(圖12b, 2016年7月28日12:00 UTC)暖季格陵蘭冷高壓形成的下沉逆溫和與之伴隨出現的濕度隨高度銳減是該季節波導出現的可能原因, 這種情況在 7月占據了波導出現時間的 81%。4339與 4320站波導形成原因相似(圖略)。因此, 位于格陵蘭島東部的 4339和 4320站, 常年被冰雪覆蓋, 在寒季極夜期間冰雪下墊面的輻射冷卻形成的輻射逆溫, 和暖季格陵蘭冷高壓形成的下沉逆溫, 都可能是導致該站波導高發的原因。

3.2 懸空波導分析

圖11 北極(a)表面溫度、(b)濕度年平均分布Fig.11.Annual average of (a) surface temperature and (b) relative humidity in the Arctic

圖12 4320站溫度、濕度、修正折射指數廓線分布圖Fig.12.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles at 4320 in (a) February and (b) July

圖13 1001、1028和70026站7月溫度、濕度、修正折射指數廓線分布圖Fig.13.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles in July at (a) 1001, (b) 1028 and (c) 70026

懸空波導在7—8月份的暖季發生概率最高。因此, 主要分析1001、1028和70026這3個站點7月份形成波導的氣象條件。圖12是這3個站點典型的溫度、濕度和修正折射指數廓線分布圖。圖中顯示, 1001、1028站波導都出現在霧頂(圖13a,2016年7月13日00:00 UTC; 圖13b, 2016年7月1日00:00 UTC)。相對濕度圖顯示, 從地面到波導層底相對濕度基本都大于 95%, 統計結果顯示這種情況在 7月份占據了波導出現時間的90%(圖表略)以上, 因此, 可判斷這種情況波導層下存在霧; 1028站溫度廓線圖顯示霧頂存在厚度較厚的逆溫區; 但1028站波導層內沒有明顯的逆溫。所以, 總體來看, 該兩個站點主要是由于霧頂濕度隨高度銳減導致的波導出現。1001和 1028所在的北歐海區暖季多海霧, 可能是導致波導高發的原因。70026站波導出現的氣象條件與上述兩個站點不同, 該站波導出現時沒有霧存在, 波導出現在逆溫和濕度銳減的薄氣層內。7月(圖13c,2016年7月12日00:00 UTC)該站點受北極鋒影響, 鋒面逆溫和冷空氣一側的下沉逆溫是可能導致波導高發的原因, 這種情況在 7月份占據了波導出現時間的87%。

4 結論

文章對北極圈內16個北極探空站點10年的大氣波導出現情況進行了分析。初步得出以下結論。

1.北極地區大氣波導平均出現概率低于50%, 明顯低于中低緯地區。北極地區表面波導出現概率高于懸空波導,這與中低緯分布情況正好相反, 在中低緯, 懸空波導出現概率高于表面波導。

2.在北極的 16 個站點中, 1001、1028、4320、4339四個站點是北極波導出現概率最高的地區。20046、20292、20674、20744、20891、21432、21824、21946八個站點波導出現概率只有百分之幾, 是北極波導出現概率最低的地區。綜上所述,北歐海區和格陵蘭島為北極波導高發區, 歐亞大陸的北部邊緣為無波導發生區。

3.表面波導高發區有兩個: 北歐海區和格陵蘭島, 且沒有明顯的季節差別。懸空波導高發區有兩個: 北歐海區和白令海峽東北部區域, 且在7—8月份的暖季極晝期間為高發季。

4.對于表面波導, 北歐海區受北大西洋暖流的影響, 下墊面大氣溫濕度較大, 是可能導致表面波導高發的原因。格陵蘭島, 格陵蘭冷高壓形成的下沉逆溫, 及在寒季極夜期間形成的輻射逆溫, 都是可能導致表面波導高發的原因。

5.對于懸空波導, 北歐海區在暖季多海霧,在霧頂的逆溫層內常出現懸空波導, 是該區域懸空波導高發的可能原因。白令海峽東北部區域暖季受北極鋒影響, 鋒面逆溫和冷空氣一側的下沉逆溫是可能導致該地區懸空波導高發的原因。