海洋及其大氣的波導分類區劃、內在關聯與關鍵影響初探

關鍵詞：波導信道;大氣波導;陸架陷波;海洋內波;海洋行星波;海洋聲學波導;全球氣候變化

0 引言

波動是地球物理環境空間的最重要動力過程形式之一。波導源于電磁學以及通信工程用詞，原指用以電磁波對點傳遞的線性構造[1]。本文中海洋及其大氣波導主要指海洋與海上大氣環境中對特定波動的約束形成、異常折射等現象，取對波動的生成導向和折入捕獲之意。海洋及其大氣波導是影響海洋流體波動，如海洋行星波、海洋內波和海洋聲波等海洋內部波動，以及海上大氣中電磁波等重要波動形成、傳播的關鍵環境要素[2]。波導的重要作用在于產生、捕獲特定波動，同時，由于波導區內特殊的環境屬性，會改變波動的傳播特性[3-6]，因此，波導范圍內特定波動的屬性與作用貢獻，以及波導內波動傳播特性的改變及重要影響，是研究波導的重要出發點。波導區內形成的特定波型，可引起海洋氣候和環境生態異常，引發安全事件、事故以及氣候環境與災害風險[7-8]，尤其海上大氣波導改變電磁波動的正常傳播特性，使得以電磁波為載體的雷達等電子通信設備的性能遭到破壞，對大地地理信息監測、導航（定位、測距）以及通信傳輸具有重要影響[9]。因此，海洋及其大氣波導是海洋與氣候變化、防災減災研究，以及海洋環境國家安全保障極為重要的科學議題，對大地測量學、軍事海洋學和國防安全具有深刻的理論與應用價值。本文主要圍繞海洋及其大氣波導形成與機理、分類與區劃、內在關聯以及作用與影響進行綜述，針對研究現狀與存在的主要科學問題進行總結，最后提出幾點研究展望。以期為我國海洋環境國家安全綜合保障提供必要的科學參考和科技支撐。

1 海洋及其大氣的波導形成、機理和分類

本文從海氣耦合系統的整體角度，針對海洋上空大氣波導（以下簡稱海上大氣波導）的特殊性，將其與海洋內部波導（以下簡稱海洋波導）相結合，對其進行分類論述，旨在對海上大氣波導與海洋波導加以豐富和拓展，尤其突出兩者在全球變化下海氣系統波導環境的內在關聯和作用影響，從而深化對海洋與大氣各類波導的氣候學研究，提升對相關演變特征規律的認識和實踐運用。

1.1 海上大氣波導

大氣波導主要針對電磁波（gt;30 MHz）產生導向作用。大氣環境中，電磁波傳播路徑因介質的非均勻性而發生折射，依據折射率主要分為正常折射、負折射、超折射和陷獲等4類，其中陷獲即稱為大氣波導。大氣對流層，尤其是大氣邊界層內，由于受下墊面熱動力影響，導致動量、熱量和水汽較強的垂直輸送，一定氣象條件下，近地表和上空大氣邊界層會產生較穩定的逆溫層，且濕度隨高度銳減，引起大氣折射異常，使得部分電磁波被捕獲于特定大氣層內，產生大氣波導，進而形成大氣波導傳播[10]。上層海洋與低層大氣有著密切的相互作用關系，海上大氣極易滿足電磁波捕獲產生波導的條件。尤其由于蒸發作用，海上大氣濕度隨高度的快速減小，會形成海上大氣波導層，進而發生海上大氣波導現象。依據大氣修正折射指數，海上大氣波導通常可大致分為表面波導、蒸發波導和懸空（抬升）波導。在3類海上大氣波導中，以蒸發波導最為普遍[11]。

存在波導（由于大氣層結，折射率梯度小于0）的狀況下，形成波導傳播的約束條件主要包括波導層內或距其不遠處（強波導情形）存在波源，波動的頻率必須高于最低陷獲頻率（與大氣波導厚度和強度有關），而且波的發射仰角須小于臨界仰角（雷達條件）。研究表明，諸如平流、逆溫、鋒面、海陸風、海霧、臺風等天氣過程[12-14]，以及海洋溫度、海氣溫差、海洋地形地貌和海岸邊界等對海上大氣波導的形成具有重要影響[15]。通過波導的模理論模型[16]、幾何光學理論模型（射線追蹤技術）[17]和拋物線數值模型（結合參數模型和分布傅里葉變換）等方法[18-21]，可對海上大氣波導中的電磁波傳播進行預測。針對海上大氣蒸發波導的研究，始自蒸發波導厚度理論[22]提出后，學者們主要基于近地相似理論[23]，采用不同的近海表通量和特征尺度，并依據不同的低層大氣穩定度、海表熱動力粗糙度和觀測數據基礎，相繼研發了各種不同的蒸發波導模型。同時，融入同化、深度學習、神經網絡和遺傳算法等新方法，利用第五代中尺度氣象預報模式（MM5）、天氣研究與預報模式（WRF）等中尺度氣象模式，以及全球定位系統（GPS）與雷達系統的掩星技術、散射接收與海面回波等反演技術方法，開展了波導剖面的預測預報實驗[24-28]。通過4種蒸發波導模型（即P-J模型[29]、Babin模型[30]、NPS模型[31]和偽折射率模型[32]）的對比分析表明，相對濕度、風速和海氣溫差的變化對模型計算有較大影響，模型結果分析發現，不穩定層結狀況下，相對濕度增大會減小蒸發波導高度，而風速的加強則會增加蒸發波導高度[33]。在海上大氣蒸發波導參數反演方面，Gerstoft采用垂向5參數和水平6參數構建了折射率環境模型[34]，并結合遺傳算法、模擬退火算法、非線性遞歸Bayes算法和粒子濾波等算法對模型實驗數據進行了分析[35-36]。需指出的是，當前海上大氣蒸發波導模型主要依賴于均勻定常假設，因此，尚缺乏和強化海上大氣突變型和非均勻性波導環境與傳播的觀測、評估和預報研究。總體而言，海上大氣波導研究具有廣闊的應用前景，對于推動海洋技術的發展和提升海洋環境氣象探測和預測精度具有重要意義。目前，海上大氣波導的傳播特性和環境響應規律，以及波導結構對信號傳輸影響因素等仍需結合實測數據和數值模擬進行深入研究探討，尤其海洋環境和大氣動力學變化對海上大氣波導的影響探究有待加強，同時需加強海上大氣波導在雷達遠距離探測、海上通信、氣象預報、多源數據融合方法和協同平臺等方面的應用研究。另外，海上大氣波導探測技術和系統仍需不斷提升，尤其需加強海上大氣波導與人工智能算法、機器學習等交叉研究，以應對復雜海洋環境和高效、高精度探測方法與技術的需求。

1.2 海洋波導

海洋與大氣環境類似，相比于大氣層結的異常大氣折射率結構，海洋中也存在豐富的層結現象，由于海洋水體及其邊界的非均勻性和多樣性，會形成不同類型的海洋波導區，對各類海洋內部波動產生捕獲和生成效應，引發海洋環境異常的發生、持續、重現或循環過程，從而對海洋氣候和海洋環境安全造成極大影響。自20世紀60年代初期，關于大氣中定常行星波的傳播，學者們通過引進波折射指數，開展了垂直切變背景流中定常行星波的垂直傳播研究[37]，并發現了極地波導現象[38]。隨后圍繞波導在中低緯度相互作用過程中的影響進行了系列研究[39]。海洋作為旋轉地球流體，受到地球科式力和海洋邊界的影響，由于行星渦度梯度的變化，使得海洋邊界，主要包括底地形坡度和岸界，對行星尺度的波動（如Kelvin波和Rossby波）會產生捕獲效應，形成海洋行星波導區，特別是在赤道海域，其科式力參數接近于0，使得赤道具有（南北半球的）地形邊界效應和波導管作用，因此，赤道海域也是典型的海洋行星波導區，赤道行星波導環境及其傳播是ENSO 循環動力學條件的重要組成[40]。另外，海洋急流區由于背景流的強剪切效應，也是重要的行星波導區，如南大洋的南極繞極流區[41]。當前，海洋行星波導的物理本質、傳輸規律、傳輸機制的探討和建模有待深入挖掘，尤其應推進海洋行星波導的海洋氣候環境影響和技術研究，增強其在海上大氣波導環境條件形成以及通信、導航等方面的參考價值，以支持相關領域的實際需求。

海洋突變地形如陸坡、海底斜坡、海山、海溝和島鏈，以及密度躍層處可誘發形成海洋內波，類型以線性內波、內潮和非線性內波（孤子內波）為主。內波波導環境在海洋中分布廣泛，前兩種基本分布于淺海，而非線性內波，主要分布于島鏈附近、陸架和海峽邊緣[42]。鑒于內波誘發主因是密度層結和地形梯度（流-固相互作用），因此，本文中稱此類波導為海洋躍變層與地形波導。由于層化海洋波導環境中，各類波動以不同階的波型傳播，簡便起見，高階波型波導可稱之為海洋斜壓波導[43]。特別指出的是，海洋波導及其傳播通過與海洋大尺度環流、海洋中尺度渦旋和小尺度湍流發生相互作用和能量串級過程[44]，極大影響著海洋和氣候環境變化，相關研究已成為海洋多尺度動力學研究中的重要課題。目前海洋內波的研究盡管已經取得了許多成果，但仍然存在許多深層次的問題，如內波波導分區、內波發生機制、湍流特性、傳播和衰減機制等，需要進一步探究。同時仍需要進一步探索和發掘其在海洋觀測、軍事防御、航海安全等領域的實踐價值，促進技術的應用與推廣。

聲波在海洋中可作遠距離傳播，但傳播過程同樣受到海洋環境的約束，尤其是當聲源離海面、海底較近，或位于淺海海域時，聲波傳播特性會受到極大影響。此時，海洋應視作為聲波導介質，本文稱為海洋聲學波導環境。由于海水介質中水深、躍變層結、海底底質和地形的變化，以及西邊界強流（如黑潮）、海洋渦旋、內波和湍流等動力強迫，應考慮不同海洋聲學波導水平變化對聲傳播的影響[45-46]。總體上，淺海波導起伏多變，而深層海洋波導尺度范圍大、干涉結構明顯，波導環境相對穩定，聲源激發的聲場也明顯呈現出影區、匯聚區、表面波導等傳播模式[47]。一直以來，基于海洋動力學的海洋聲學波導和水聲學研究是海洋物理學的重要內容。然而，相關研究尚有待系統深入，首先是基于海洋物理問題，探究不同海域、不同時間尺度下的海洋聲學波導變化特性和復雜情況下的聲波傳播特性，深入研究海洋聲學波導與沿海環境的相互作用及海岸帶適應性運用與管理，提高理論研究水平，為人類走向深海提供必要的理論支撐。其次，探索人工智能等新技術手段在海洋聲學波導研究中的應用，促進海洋科學領域與其他學科的融合，為海洋聲學波導研究提供新模式和新思路。

2 海洋及其大氣的波導區劃和關鍵影響

2.1 海上大氣波導及影響

海上大氣波導已有較為豐富的研究[48]，本文不做贅述。需指出的是，蒸發波導是海上大氣環境中最主要的波導類型，有研究表明，其出現概率一般高于80%，厚度一般在30m 以下[11]。由于海上大氣蒸發波導的普遍性，其相比于大氣表面波空波導也更顯重要。海上大氣蒸發波導主要對海上艦載雷達超視距探測和截收、艦載通信系統以及反艦導彈作戰效能和電子偵察作戰性能等軍事活動產生重要影響[49-53]。隨著通信、導航等技術的發展和廣泛應用，對海上大氣波導影響的研究日益重要。然而，目前復雜海洋環境情形下，海上大氣波導的技術應用還不成熟，應加強氣候變化背景下海上大氣波導的深層次研究，探測其發生機制和傳播規律，需要進一步發掘其在海洋觀測、通信、導航等領域中的核心價值，開展優化技術參數的應用研究，提高海洋觀測、通信、導航等領域的技術水平，加強國際合作交流，加快關鍵技術攻關與成果轉化。

2.2 海洋聲學波導及影響導和懸

水下聲源檢測是水聲信號處理的重要任務，也是水下聲學提取識別、定位和跟蹤等應用的工作基礎。基于海洋聲學波導和水聲傳播理論（主要包括簡正波和射線理論），確定海洋波導中的最優檢測器（MMD），并采用聲傳播物理特性的數據驅動空間降維處理，是提高水下聲源檢測性能的主要途徑。已有研究工作更多集中于淺海環境[54]。其中，簡正波的波導不變量[55]和陣列不變量[56]是用于海洋聲學目標識別定位、測距追蹤的重要判別依據[57]。波導不變量（漸進簡正波情形下等價于射線穩定性參數）表征海洋聲學波導中寬頻聲源的空-頻干涉結構、圖像和色散特性等波導環境信息，屬于海洋波導相干性中確定性分量，一般由簡正波頻散關系定義，可用于解釋海洋聲學波導內點源聲波的傳播規律和復雜的海洋物理過程[58-59]。陣列不變量主要針對脈沖聲源，應用于淺海聲學波導環境時，其與波導不變量存在特定關系[60]。然而，深海聲學波導中，聲速剖面的折射效應不可忽略，波導不變量不能近似為一個常數。干涉條紋的結構（波導不變量）會隨聲源位置、接收距離以及接收深度的改變而變化[61]。在波導中傳播的聲信號，其時間波形和波陣面呈現為隨機過程，同時，受海洋中尺度/亞中尺度動力過程（旋渦、內波、湍流等）和溫鹽微結構，以及海底地形差異與不穩定影響，相關過程更為復雜，有關海洋波導隨機不確定性分量的系統分析有待深入。海洋聲波波導影響研究對于海洋觀測、軍事和商業用途的聲學探測、測距和通信等方面具有重要意義。目前，國內外針對海洋聲學波導已經開展了系列研究，而圍繞海洋中聲波信號的傳播規律和聲速剖面特性，以及環境噪聲、海洋聲學的質量誤差、海底反射等問題的深入研究還比較缺乏。因此，應推進關鍵技術的研發和應用，深刻理解海洋聲學波導的影響和規律，以實現技術創新與產業發展的有機銜接。

2.3 海洋躍變層與地形波導及影響

本節以海洋內波為例探討海洋躍變層和地形波導對海洋水文動力和水聲環境的作用影響。海洋內波中的非線性內波可誘導水體急速流動，并產生大幅度劇烈起伏，在海洋和海表出現急聚流和沖散流區域[62]，嚴重威脅潛艇活動、海洋石油平臺及海岸工程設施建設[63]。海洋聲場受非線性內波的影響也最為嚴重，內波能引起聲學波導不變量的改變以及聲線水平折射的三維通道效應（折射、聚焦和發散）[64-65]，相關問題是研究內波影響聲場規律及聲學反演的關鍵。同時，內波波導環境和大陸坡聲學波導環境疊加，雙重波導環境中聲場強度變化規律和物理機理是水聲學領域的研究前沿熱點。需指出的是，海洋躍變層與地形波導，其中包括陸架陷波等，可對海洋環境和生態系統產生重要影響，對海洋資源的開發和利用具有重要意義。由于缺乏海上實測數據的支撐，為不斷提高海洋聲學探測和應用能力，目前仍需加深海洋躍變層與地形波導傳播規律、能量轉化等問題的深層次研究，尤其加強內波與海底地形變化共同影響下，對聲場的強度變化、能量傳導能力、模態耦合與轉換等過程機制和模型構建方面的觀測和預測研究，不斷探索和發掘其在海洋能源、海洋交通、海洋農業等領域的實用價值。

2.4 赤道與邊界波導及影響

赤道與邊界波導區的行星波傳播和邊界反射，在熱帶海域水體層化變動，包括混合層、躍層和障礙層波動變化，以及次表層和中深層海洋變異中具有重要影響[66]，其不僅調控赤道流系的生成和年際、年代際變化[67-69]，而且通過東邊界沿岸Kelvin波和Rossby反射的形式，調節赤道外環流結構[70]。赤道和邊界波導區是海洋波動和大尺度環流之間重要的能量樞紐，也是各大洋環流系統多尺度變化的重要通道機制[71]，尤其是在海洋年際變率中具有舉足輕重的地位。厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）作為熱帶太平洋海洋與大氣環流年際氣候異常的重要體現[72]，是影響全球氣候環境變化的最強年際信號[73]，而在印度洋則表現為偶極子（IOD）現象[74]。研究表明，赤道行星波導與傳播是觸發太平洋ENSO和印度洋IOD循環振蕩的負反饋波動（延遲振子）機制[75]，同時也是兩者發生相互作用的重要遙相關通道[76]。此外，赤道行星波導也在其他海洋遙相關型、年代際變率和氣候變化中具有重要的調制作用[77]。需關注的是，氣候變暖背景下，海洋行星波動可誘導躍層暖化[78]和持續性海洋熱浪的爆發[79-80]，進而必將影響海洋聲學波導和海上大氣蒸發波導環境和傳播特性的變化[81-82]。

總之，赤道和邊界波導與海洋環境和氣候密切相關，特別是全球變化背景下，波導環境極大地調制海洋環境要素年際、年代際變率以及海洋變暖，進而通過影響海氣系統的水汽和熱通量等物質能量循環，改變海上大氣波導形成的氣象與氣候條件，最終對海上大氣波導環境造成深刻影響，因此，有關海洋及其大氣的波導研究，除了要關注各類波導環境本身的氣候演變特征，更需聚焦海洋與大氣波導環境之間的氣候學關聯與耦合作用，目前，海洋及其大氣的波導氣候學研究亟待系統性建立和發展。

3 總結與展望

海洋及其大氣波導對海洋、大氣與氣候環境的觀測、探測、監測技術研發和變化規律研究，以及海洋軍事作戰的影響意義深刻，為滿足未來高技術戰爭對海洋、大氣環境的要求，海洋與大氣波導研究是重要的研究發展方向。首先，海上大氣波導通過超視距波導傳播，能有效增加探測通信、截收制導和電子對抗的作用距離，從而為超前預警、遠距探測和超視距作戰提供有利條件。其次，海洋對其內部豐富波動的導介質作用，在海洋邊界、地形和地球旋轉特性的制約下，形成了各類海洋波導環境（如陸架陷波）。篇幅所限，本文主要以海洋聲波、海洋內波和海洋行星波為例，簡述了海洋內部和海上大氣等各類主要波導環境的生成傳播、機制機理、預測預報和關鍵作用影響方面的研究現狀，尤其指出，不同波導環境之間存在緊密的氣候學關聯與耦合，特別是全球變化背景下，海洋行星波導環境通過調控海洋與氣候變化，改變制約海上大氣波導形成的天氣和氣候條件，進而影響海上大氣波導環境，有關海洋及其大氣波導耦合的氣候學研究是今后應關注的重要課題。同時，海洋躍變層與地形波導對海洋聲學波導也具有重要的調制作用，進而嚴重影響水下聲學探測和潛艇活動。以上各類波導環境間的相互作用，可為今后海洋與大氣波導氣候學研究提供新思路，也可為提升我國海洋環境國家安全保障的綜合效能提供新途徑。鑒于此，綜合本文分析，提出以下幾點研究展望。

3.1 加強海洋與大氣波導環境空天地海一體化精準觀探測

構建數據信息化處理新方法，有效服務于我國大地測量、軍事海洋學研究和海洋環境國家安全綜合保障。由于觀測方法和手段的限制，海洋與上空大氣的觀測數據極其稀少，且分辨率較低，目前有關海上大氣蒸發波導研究多基于模型反演，限制了對海上蒸發波導環境特性的深入認識，更不利于海洋與大氣波導預測預報技術研發和改進。因此，應在完善岸基、船載（或低空機載）、無線電探空、浮標、星聯觀測設備平臺的多要素協同觀測能力基礎上，打造海洋與大氣波導環境空天地海一體化精準系統探測與觀測，不斷完善波導理論和預測預報模型，優化信號處理系統和濾波降噪技術，精準評估海洋與大氣波導環境，尤其通過海洋和大氣邊界層的氣候背景和天氣形勢的分析，發揮海洋與大氣波導有效作用優勢，回饋和升級波導探觀測，增強探測與通信性能，規避抑制不利盲區影響，增強海洋環境國家安全綜合保障效能。

3.2 深化學科交叉融合與理論探索

發展海洋與大氣波導的診斷方法、機理分析和預測預報研究，聚焦海洋與大氣波導內在關聯與作用耦合，開辟海洋與大氣波導環境氣候學研究新思路和新途徑。

目前有關海洋與大氣波導診斷識別、作用影響、機理和預報研究遠不能滿足海洋的氣候變化與風險，以及軍事信息與安全系統實際應用的需求，為有效堅固國防、維護國家權益，有力保障人民生命財產安全和生活生產的正常運行，應不斷加強和探索海洋與大氣的波導環境理論研究。基于海洋與大氣邊界層熱動力學，圍繞三維波導環境與傳輸的非均勻性和非線性優化，加強波導環境特性和傳播理論研究。特別結合全球氣候變化背景，分析評估海洋與大氣波導環境演變，深刻認識制約波導產生和演化的海洋環境和氣象氣候條件與變遷，基于海洋與大氣波導內在關聯與耦合，發展海洋與大氣波導氣候學研究，著手建立規范的海洋與大氣波導氣候數據庫。同時，基于（濕）位渦守恒、積云對流、大氣輻射等中小尺度過程及等熵或比熵分析，優化預報參數化方案，提高波導預報模型可靠性和準確性。

3.3 構建波導功能與風險區劃方法體系和標準

突破關鍵技術，聚焦動態性與氣候變化適應，構建波導功能與風險區劃方法體系和標準。集成數據驅動與人工智能，提升海洋與大氣波導環境評估與適用及應用服務效能，促進海洋環境國家安全綜合保障和國防現代化新質生產力發展。

波導是捕獲波動產生影響的作用通道，除了發揮超視距探測效應，海上大氣波導產生的盲區和雜波，還會對目標的識別和定位產生嚴重影響，因此，有效消除其影響，達到最佳探測性能，為相關工程技術研發帶來了機遇和挑戰。海洋波導環境中，不同波型波動的反射、折射、散射會表現出不同的傳播特性，引發局地和遙相關區海洋與大氣波導環境異常，影響電子設備與信息系統效能和作戰水平的發揮。應圍繞實際問題與實戰、實用和實效需求，深化多模態本征值問題、正反問題和預報反演模型參數化理論研究，注重氣候變化影響，提高海洋與大氣波導環境多目標識別、追跟蹤與反演可視化仿真能力，建立我國沿海和島鏈突破區波導反演系統。同時，結合大數據驅動的機器學習和人工智能新方法，優化多目標算法和信息流程控，基于動態性和氣候變化適應性，建立海洋與大氣聯合波導分類分區分時分級標準化指標體系與區劃的動態適應技術方法，以總體國家安全觀為指導，加強海洋與大氣波導環境綜合風險評估與決策應對系統構建，實現海洋環境國家安全綜合保障與國防現代化新質生產力發展。