季风期间南海低空大气波导统计分析

成印河 赵振维 张玉生

（1.广东海洋大学海洋与气象学院 海洋科学系，广东 湛江 524088；2.中国电波传播研究所，山东 青岛 266017）

引 言

大气波导是对流层大气中形成的一种特殊大气层结，具有异常大气折射率结构。大气波导环境的存在改变了电磁波传播路径和范围，使通信、探测、导航等系统出现了一些特殊的传播特征，如雷达出现超视距传播［2］和探测盲区［3］。利用大气波导环境效应，对提高现有探测通信系统的全天侯工作能力，以及设计更合理的无线电、雷达、通信系统等具有重要的应用价值，同时对于评估和预测电磁波传播和海上探测通信系统等具有极为重要的理论和现实意义。为了充分利用和有效避免大气波导效应，各国学者、专家对大气波导层结进行了研究，探索低空大气波导形成机制和规律，受观测资料的限制，大部分研究集中在陆地及近岸区域［4-7］。而海上大气环境具有极易形成大气波导的天气条件，大气波导发生概率较大，持续时间长，比较稳定，然而研究较少，关于南海的研究只是在相关研究中有所涉及［8-10］。本文针对南海利用1998年南海季风试验（SCSMEX）中每天4次观测的高分辨探空数据进行了低空大气波导统计分析，初步揭示南海季风期间（5月-6月）低空大气波导结构特征及规律。

1.资料与分析方法

1.1 数据资料

本文所用的资料是1998年南海季风试验中5、6月份的‘实验3号’和‘科学1号’科考船、东沙岛探空站及岛上部分探空剖面、近岸东港和香港探空站的每天4次的高分辨率探空剖面数据，时次为世界时0时、6时、12时、18时；该季风试验采集了大气压、温度、露点温度、海拔高度等探空剖面数据，其采样频率为每分钟6～60次不等，东港站和‘科学1号’科考船探空采样频率最高，每分钟60次，香港和东沙探空站采样频率最低，每分钟6次，‘实验3号’数据采样为每分钟30次。得到数据后，首先进行观测资料质量控制，剔除剖面中显著错误和缺测的数据，然后搜索符合以下条件的数据，用于低空大气波导统计分析，所用数据中每层均满足的条件为:1）剔除探空剖面中不合理的数值，所测大气温度必须在45℃至-90℃之间；2）露点温度必须小于大气温度；3）海拔高度随时间增高，否则剔除该层数据。图1是经过上述处理后科学1号站点1998年5月6日4次气温、露点温度随海拔高度变化剖面。所用数据在南海具体站点分布见图2，从图2中可以看出‘科学1号’在定点观测期间偶有移动，绝大部分时间在（6°15′N，110°0′E）附近，仅有几天数据位于其他地点，这种试验数据分布更能代表季风期间南海大气状态的南北差异，有利于分析低空大气波导环境区域特征。

1.2 数据处理方法

标准折射的情况下大气折射率N在地面附近以大约40 N／km的梯度随高度的升高而减小。当大气折射率梯度减小为负地球半径曲率时，此时形成了大气波导层结。对于微波波段300M～300G频率范围内，修正大气折射率（单位通常写为M）与大气压、大气温度、水汽压关系式为［7］

式中:P为大气压（hPa）；e为水汽压（hPa）；T 为大气温度（K）；z为距离地面的垂直高度，文中是指距离平均海平面的海拔高度，单位为m，水汽压采用2004年蔡世樵［12］引用的公式（2）利用露点温度进行计算间接得到，Td为大气的露点温度

此时形成的大气波导层结的条件可写为

由于采用的是高分辨率的探空资料，如图3所示，‘科学1号’科考船1998年5月6日0时的气温、露点温度及计算的修正大气折射率剖面，显然，大气参量受湍流的影响，具有脉动分量。为了消除湍流的影响，对垂直高度上修正大气折射率做了不等间距五点三次多项式平滑处理。

图3 科学1号1998年5月6号0时（世界时）气温、露点温度及计算的修正大气折射率剖面

经平滑处理后，利用式（3），判断大气波导特征参量，波导底高、顶高、强度、厚度、波导类型。由于高分辨率数据的影响，给出较多薄的或强度很小的大气波导层，不能有效代表大气稳定结构，因此，引入受大气波导特征参量综合影响的截止波长公式（4）［7］，λmax值越大表明大气波导捕获电磁波的能力越强，说明大气波导结构较大，更能有效代表大气层结状态。

式中:C是系数，不同波导类型，取值不同［11］；d为波导厚度；δM 是大气波导修正大气折射率之差。对于南海，在式（3）和（4）的基础上，统计分析了截止波长大于等于1m的大气波导，本文称为较强大气波导。

2.季风期间南海大气波导出现情况分析

2.1 低空大气波导的统计特征

本文数据为季风期间5月至6月之间6个探空站的高解析度探空资料，共1000个时次。由于形成大气波导因素复杂，大气波导剖面构成变化较大，甚至是多个层结结构。本文研究了通常由于大气环流中如平流、下沉、辐射冷却等过程引起自身状态变化产生的位于3500m高度内的较强波导层，由于较强的大气波导层更能体现出典型的大气层结构组成及稳定程度。

在统计的高分辨率探空剖面中较强大气波导发生时次为297个，发生概率为29.7%，其中悬空波导占73.1%，这与文献［5］中利用船舶探空资料统计结果相一致，具有多层的复合波导占24.6%，其他简单表面波导仅占2.3%.表1是各个站点的具体发生概率情况，东沙探空站和东沙岛上其他资料组合为一个数据资料进行统计。在大气边界层中由于较低的大气波导对电磁波传播影响较大，从表1中可知:发生较强大气波导类型主要为悬空波导，因此，在统计较强大气波导参数时，选择了较低高度第一波导层进行分析。

表1 各站点大气波导发生统计

为了精确表征季风期间较强大气波导特征，按照大气波导的底高所在位置对较强大气波导进行了分组统计，高度间隔为500m，见图4；同时统计了较强大气波导底高、厚度和强度的平均值，见表2.

图4 南海发生的较强大气波导高度统计直方图

表2 南海发生的大气波导平均特征

由图4和表2可知，较强大气波导大部分发生在底高为在1000m高度之内，占发生较强大气波导（总数为297个时次）的70%以上，波导厚度和强度随高度变化较小，底层的波导厚度、强度比高层稍大，但不是很显著，厚度约10～30m，强度约1～2 M，其平均大气波导厚度为179m，大气波导强度为9.5M，具体每组的特征参数值见表2.

2.2 南海海域大气波导时空变化

2.2.1 南海海域较强大气波导空间变化

从图2中可知所用的探空站点分布在南海的北部和南部，分别代表1998年季风期间不同区域大气的状态。从表1中可知南海从北部近岸到最南部‘科学1号’站点较强大气波导发生概率从低到高变化，并且越靠近赤道，发生的复合大气波导的概率越高。同时对季风期间的各个站点较强大气波导平均特征进行了统计，见表3.

表3 南海大气波导参数平均值

从表3中可清楚地看到南海较强大气波导其他特征参数空间分布特征，在陆地上，香港、东港、东沙及南沙测站的所得大气波导底高较高，其中，香港、东港及南沙测站的大气波导底高超过了1000m，其中靠近大陆的香港测站最高为1390m，而东沙测站大气波导底高最低，为684m；在海洋上的‘实验3号’和‘科学1号’观测中，‘科学1号’大气波导底高较高，而‘实验3号’较低；在平均强度和平均厚度上，陆地和海洋上观测的差别较小，在陆地上的平均强度比海上稍大1～2M单位，厚度总体相对较薄。从整个南海分布，总体上大气波导层结高度从北到南有逐渐降低的趋势，厚度逐渐变厚，强度变化不大。

南海大气波导底高海陆空间分布差异主要是由大气下垫面地形分布引起的。已有的研究可知［13］:整个5月份，南海夏季风从南到北依次爆发，是整个亚洲夏季风强度季节性快速增长的一种区域性表现，西太平洋副热带高压从中南半岛和南海快速减弱与东撤，副高西侧的热带西南季风向东扩张，冷空气由中纬度大举南下并入侵华南和南海北部，5月底时副高已全部撤出南海，低空强热带西风气流控制了孟加拉湾、中南半岛和南海全境，6月份南海维持现状，此时南海上空的天气过程相对均一，由于陆地或岛屿等地形的原因，造成大气边界层被迫抬升，从而造成了大气波导底高陆地较高，海洋较低。因此，在大陆上或靠近大陆的香港、东港测站大气波导层结比‘实验3号’和‘科学1号’要高，引发了南海波导层结高度从北至南逐渐降低的趋势。

2.2.2 南海较强大气波导日变化

为了研究大气波导的日变化，对季风期间收集到的探空资料进行了世界时0时、6时、12时、18时分组统计，0时发生强大气波导占所发生波导的22%，6时、12时、18时分别为22%、30%和24%，具体每个站点的详细情况见表4.

表4 南海各站点大气波导出现概率日变化

从表4中可知四个时刻的较强大气波导所占比例分别为22.2%，22.6%，31.3%和23.9%，呈现出‘低-高-低’变化趋势，12时发生较强大气波导所占比例稍高占31.3%，其他时刻低空较强大气波导发生概率在季风期间几乎没有日变化，因此，季风期间夜晚出现较强大气波导的概率比较高。

为了更深入了解南海北部和南部大气波导日变化的特征参数，把搜集的资料分为两组，其中香港、东港、东沙、实验3号探空资料合并为一组为南海北部资料，共776个时次，南沙和科学1号构成另一组南海南部资料，共224个时次。从表3中可知:南海的较强大气波导强度、厚度变化较小，在此仅给出南海北部和南海南部大气波导底高平均日变化图，见图5，由于波导厚度变化不大，因此，波导顶高变化与波导底高变化类似。

从图5中可看出:南海大气波导层结大体上从0时到12时都有升高的趋势，18点波导层结高度有降低的趋势，然而南海南部和北部较强大气波导层的高度也存在明显的不同，南海北部大气波导层高度变化比较剧烈，相反南部的大气波导层高度变化比较缓慢，从标准差的大小可知，南海北部12时的大气波导层结高度比较稳定，变化较小，大约在900 m左右，而南部18时标准差最小，波导层结高度比较稳定，在500m左右。

众所周知，形成大气波导两个主要因素是水汽锐减和逆温。在5、6月份由于夏季风转化过程中大气环流背景发生明显的改变外，大气边界层内的水汽由原来的东风水汽输送转变成充沛的西风水汽输送，使得大气边界层底部的水汽含量加大，从而引起近大气边界层内水汽锐减［14］诱发大气波导，同时大气边界层的日变化受下垫面的物理性质如潜热、感热、太阳短波辐射等的影响。除了‘实验3号’科考船外，南海北部测站大部分分布在陆地或岛屿上，下垫面比热昼夜变化较大，日落后（GMT12时），大气边界层顶盖逆温达最高，大气波导层结达最高，因此南海北部大气波导层高度日变化明显，而南海南部大气波导日变化与北部相似，受到的天气过程与北部类似，但由于其下垫面主要为广阔的海洋，比热较大，海洋大气边界层日变化较弱，但还是有变化的，大气边界层在白天发展、GMT12时达到最深厚，而夜间边界层高度降低［14］，故南部大气波导层高度变化非常缓慢。

3.结 论

海上低空大气波导主要发生在海洋大气边界层内，季风背景下的天气形势与过程是影响大气波导形成的主要因素，本文仅对季风期间的南海季风试验中海上探空数据（5-6月）进行了较强大气波导的分析。通过统计得到了以下结论:

1）季风期间南海海域发生较强大气波导的概率为30%左右，其中悬空波导占70%以上，复合波导占20%左右，且70%左右发生在1000m高度之内；

2）在空间分布上，南海的大气波导发生概率从北部近岸到南部逐渐增加，但增加幅度不大，20%左右，大气波导层结高度逐渐降低；

3）在日变化方面，季风期间南海大气波导夜晚（GMT12时）发生概率较高，30%左右，波导层结高度深夜达到最低（GMT18时），比较稳定；同时南海大气波导层结高度存在南北差异，北部波导层结高度较高，南部较低。

［1］FREEHAFER J E，KERR D E.Tropospheric Refraction Propagation Of Short Radio Wave［M］.Gallipoli:Peninsula Publishing，1988:9-22.

［2］BATTAN L J.Radar observation of the atmosphere［M］.Chicago:University of Chicago Press，1973:324.

［3］焦 林，张永刚.大气波导条件下雷达电磁盲区的预报研究［J］.西安电子科技大学学报，2004，31（5）:815-820.JIAO Lin，ZHANG Yonggang.Study of the shadow zone of the radar in the atmospheric duct［J］.Journal of Xidian University，2004，31（5）:815-820.（in Chinese）

［4］刘成国，潘中伟，郭 丽，等.中国低空大气波导出现概率和波导特征量的统计分析［J］.电波科学学报，1996，11（2）:60-66.LIU Chengguo，PAN Zhongwei，GUO Li，et al.Statistical analysis of occurrence and characteristics of atmospheric duct s in China［J］.Chinese Journal of Radio Science，1996，11（2）:60-66.（in Chinese）

［5］蔺发军，刘成国，成 思，等.海上大气波导的统计分析［J］.电波科学学报，2005，20（1）:64-68.LIN Fajun，LIU Chengguo，CHENG Si，et al.Statistical analysis of marine atmospheric duct［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（1）:64-68.（in Chinese）

［6］刘成国，黄际英，江长荫.东南沿海对流层大气波导结构的出现规律［J］.电波科学学报，2002，17（5）:509-513.LIU Chengguo，HUANG Jiying，JIANG Changyin.The occurrence of tropospheric ducts over the southeastern coast of China［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（5）:509-513.（in Chinese）

［7］戴福山.大气波导及其军事应用［M］.北京:解放军出版社，2002:33-35.

［8］VON ENGELN A，TEIXEIRA J.A ducting climatology derived from ECMWF global analysis fields［J］.J Geophys Res，2004，109（D18）:1-18.

［9］孙 璐.南海地区大气波导分析与数值模拟初步研究［D］.兰州:兰州大学，2009.SUN Lu.Analysis and Preliminary Research with Numerical Simulation of the Atmospheric Duct in the South China Sea［D］.Lanzhou Gansu:Lanzhou University，2009.（in Chinese）

［10］陈 莉，高山红，康士峰，等.中国近海大气波导的时空特征分析［J］.电波科学学报，2009，24（4）:702-708.CHEN Li，GAO Shanhong，KANG Shifeng，et al.Statistical analysis on spatial-temporal features of atmospheric ducts over Chinese regional seas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（4）:702-708（in Chinese）

［11］成印河.海上低空大气波导的遥感反演及数值模拟研究［D］.北京:中国科学院研究生院，2009.CHENG Yinhe.A Study on Atmospheric Ducts over the Sea Retrieval with Amsr-E Satellite Data and Its Numerical Simulation［D］.Beijing:Graduate School of Chinese Academy of Sciences，2009.（in Chinese）

［12］蔡世樵.台湾地区蒸发导管之特性研究［D］.台北:国立中央大学，2005.CAI Shiqiao.The Research of Evaporation Duct in Taiwan［D］.Taipei:National Central University，2005.（in Chinese）

［13］丁一汇，李崇银，何金海，等.南海季风试验与东亚夏季风［J］.气象学报，2004，2（62）:561-586.DING Yihui，LI Chongyin，HE Jinhai，et al.South China Sea monsoon experiment（SCSMEX）and the east-Asian monsoon［J］.Acta Meteorologica Sinica，2004，2（62）:561-586.（in Chinese）

［14］于晓丽，谢 强，王东晓.1998年季风爆发期南海大气边界层的日变化［J］.热带海洋学报，2009，28（2）:31-35.YU Xiaoli，XIE Qiang，WANG Dongxiao.Diurnal cycle of marine atmospheric boundary layer during the 1998summer monsoon onset over South China Sea［J］.Journal of Tropical Oceanography，2009，28（2）:31-35.（in Chinese）