北极大气波导时空分布研究

郝晓静 李清亮 郭立新 张玉生

(1西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071;2中国电波传播研究所, 电波环境特性及模化技术重点实验室, 山东 青岛 266107)

提要 在北极地区, 有接通北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间距离最短的直线路线, 所以北极地区的战略位置日益重要。大气波导是重要的电波环境, 利用大气波导可实现超短波、微波频段的超视距探测和通信应用。因此, 研究北极大气波导有重要的意义。本文利用2007年1月—2016年12月十年的气象探空数据, 统计分析了北极16个站点大气波导的时空分布, 给出了大气波导出现概率与其波导层厚度、强度特征量的统计特征, 并从天气和气候学角度初步探讨了其成因。统计结果显示: 1.北极地区大气波导平均出现概率低于50%, 且表面波导出现概率高于悬空波导; 2.表面波导层厚度、强度分别在30 m以下和10 M以下,悬空波导层厚度在40—80 m, 强度小于10 M; 3.北欧海区和格陵兰岛为北极波导高发区, 欧亚大陆的北部边缘为无波导区; 4.表面波导高发区在北欧海区和格陵兰岛, 北大西洋暖流、格陵兰冷高压及极夜期的辐射逆温是表面波导形成的可能原因; 5.悬空波导高发区在北欧海区和白令海峡东北部区域, 且在7—8月份的暖季极昼期间为其高发季, 北欧海区暖季海雾、白令海峡东北部区域暖季受北极锋影响是悬空波导形成的可能原因。

0 引言

大气波导是一种异常大气折射结构, 它的出现能够改变电磁波传播路径及空间能量分布, 从而影响雷达等无线电电磁通信系统的探测性能,如实现雷达的超视距探测, 形成雷达电磁盲区及造成雷达的测高、测距误差。了解大气波导发生规律, 掌握其特征量的概率分布状况, 将有助于趋利避害地利用大气波导。

大气波导研究常利用气象高空探测数据(简称“探空数据”)进行分析。前人关于大气波导时空分布特征的研究主要集中在中低纬地区。Patterson[1]用6年的历史探空数据统计了全球各探空站大气波导的分布。Craig和Hayton[2]用全球689个探空站10年的探空数据通过100 m折射率梯度小于–100 N·km–1的概率分析了全球大气波导的发生概率。但由于过去使用探空仪测量分辨率比现在低, 测量的波导发生概率也较低。Babin[3]用飞机携带的温压湿传感器测量得到的高分辨率数据分析得到了美国瓦勒普斯岛沿海大西洋表面波导出现情况, 结果表明4—9月该海域表面波导高度最高。Brooks等[4]用1996年波斯湾航测和船测的实测数据研究了边界层结构和波导厚度空间分布。刘成国和潘中伟[5]用中国的探空数据分析了波导分布特征, 发现我国有4个波导高发区和4个无波导区, 我国各地波导的出现情况和我国各地的地理气候条件紧密相关并随季节、时间和具体地区不同而存在差别。刘成国等[6]用1997年10月的实测数据研究了我国东南沿海大气波导出现情况及它们和气象条件的关系。Bech等[7-8]用探空数据分析了地中海西班牙巴塞罗那沿海波导出现情况。蔺发军等[9]和唐海川等[10]利用船舶探空数据和岛上的探空数据分析了东南沿海、黄海波导分布特征及天气学成因。Steiner和Smith[11]为了研究超视距和波导传播引起雷达杂波的处理方法, 用美国16年的探空数据研究了美国超视距和波导分布情况。Fornasiero等[12]为了研究天气雷达杂波对降雨估计的影响, 通过对 C波段雷达探测的异常传播(波导)进行统计, 分析意大利北部波河流域大气波导的日变化和季节变化。Mentes和Kaymaz[13]用两年的探空数据分析了土耳其的伊斯坦布尔表面波导分布情况。陈莉等[14]通过2006—2007年NCEP大气数值模拟格点气象数据融合探空数据后计算并分析了我国近海大气波导分布特征。Ding等[15]用2003—2006年3年GPS下投式探空仪数据分析了西太平洋台风中大气波导的分布特征。Kaissassou等[16]用6年的探空数据分析了北喀麦隆的恩冈代雷表面波导季节变化特征。Zhao等[17]和Cheng等[18]分别统计分析了南海和东印度洋大气波导的分布特征。但利用实测数据开展北极地区大气波导分布情况的研究几乎没有。

在北极地区, 有接通北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间距离最短的路线, 其战略位置日益重要。大气波导是重要的电波环境, 利用大气波导可实现超短波、微波频段的超视距探测和通信应用。因此, 研究北极大气波导有重要的意义。本文基于2007—2016年十年的探空数据, 统计分析了北极16个站点大气波导的时空分布, 给出了大气波导出现概率与其波导层厚度、强度特征量的统计特征, 诊断分析了波导形成的主要气象要素, 结合天气系统及天气条件对波导形成的可能因素进行了初步分析。

1 数据和方法

1.1 数据

本文所用数据来自全球电信系统(Global Telecommunications System, GTS)的探空数据。数据时间段为 2007—2016年每天 00:00 UTC、12:00 UTC。选取了其中16个北极站点, 站点分布图见图1, 分布在北纬66°34′以北的北极圈内。

图1 北极站点分布Fig.1.Station distribution of North Pole

1.2 数据处理方法

GTS探空数据记录探空气球所到高度处的温压湿气象参数。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、悬空波导平均厚度在几十米到几百米之间, 因此,探空数据能够用于大气波导的研究。可能有多层悬空波导同时出现的情况, 但在北极这种情况很少见, 因此, 本文只取第一层表面和悬空波导进行统计分析。首先对GTS数据进行预处理, 把记录中无效数据剔除, 提取每一层的压强、温度、露点温度数据, 通过式(2)计算该层修正折射指数M, 通过压高公式(3)计算该层高度, 然后通过分析M随高度变化的梯度判断波导顶高、厚度和强度等参量值, 具体方法和步骤如下。

影响大气环境中的电磁波传播特性的主要大气因子是大气折射率n,一般大气的折射率 n=1.000 26—1.000 46,n为无量纲量。为了表明这种微小的变化,对频率在1—100 GHz范围内的电磁波, 大气折射指数与大气折射率及气温、气压和湿度之间的关系为

式(1)是一个经验公式, N是大气折射指数的实际应用单位, 简称为折射指数N单位。当电磁波长距离传播时, 必须考虑地球曲率的影响, 此时, 为了将地球表面处理成平面, 需对 N进行地球曲率订正而引入大气修正折射指数M, 式(2):

式中, P为大气压强, hPa; T为大气温度, K; e为水汽压, hPa; Z为该层大气距离下垫面的垂直高度, m。这些参数都可以直接或间接地从 GTS数据中获取。R=6.371×106m为平均地球半径。同时每一层高度Z由下面压高公式求出:

式中, ti、pi、Zi是第 i层的温度、压强和高度, ti–1、pi–1、Zi–1是第 i–1 层的温度、压强和高度。

M也是无量纲量, 通常以M单位对其进行表征。当修正折射指数梯度满足条件:

此时即可判断为波导出现, 并把这层大气的底作为波导层底; 波导层底的 M 值记为Mmax; 然后再逐层向上判断, 直到出现dM/dZ＞0, 则离这层最近的dM/dZ＜0的层的顶所在的高度为波导顶高; 波导顶高与波导层底的高度差为波导层厚度; 波导顶的 M值记为Mmin; 波导强度ΔM由下式求得:

通过上述步骤便得到波导顶高、波导层厚度、波导强度等特征参量值(以下简称“特征”)。本文分析两类主要类型的大气波导: 表面波导和悬空波导[19], 波导层顶修正折射指数值Mmin小于下垫面M值则为表面波导, 反之为悬空波导。如图2所示, a、b图为表面波导示意图, 表面波导又分为两类: 其中a图是一般表面波导, b图是有基础层表面波导。c图为悬空波导示意图。图中 h为波导层厚度, ΔM为波导强度。本文过滤掉波导强度小于1的波导样本。

图2 大气波导分类Fig.2.Typical modified refractivity profiles for different duct types.a)simple surface duct; b) surface S-shaped duct; c)elevated duct

2 大气波导出现概率及特征量时空特征

2.1 大气波导出现概率年分布

首先对16个站点表面、悬空波导的年平均出现概率进行了统计分析, 结果见表 1, 总体来看,北极大气波导出现概率低于50%。从波导出现概率全球分布图(图3, 利用全球探空数据计算绘制)上可知, 北极大气波导出现概率低于中低纬地区。而且, 北极地区表面波导(图4a)出现概率高于悬空波导(图4b),这与中低纬分布情况正好相反(图4c、d), 在中低纬, 悬空波导出现概率高于表面波导,图4也是利用全球探空数据计算绘制的。

表1 表面、悬空波导出现次数、频率Table 1.The number and frequency of occurrence about surface duct and elevated duct

从各站点波导出现概率分布图(图5a)中可知:在北极的16个站点中,1001、1028、4320、4339、71082、71924、71917和 70026这 8个站点波导年平均出现概率明显高于其他几个站点。其中,位于北欧海区的1001、1028和格陵兰岛的4320、4339四个站点波导出现概率最高(图5b中红色标记站点), 高于 30%; 其次是位于北美洲北部的71082、71924、71917、70026站(图5b中橘色标记站点), 大约20%左右; 最后是位于欧亚大陆北部的 20046、20292、20674、20744、20891、21432、21824、21946站(图5b中蓝色标记站点), 出现概率低于 10%。因此, 可初步判断北极大气波导主要出现在北欧海区、格陵兰岛和北美洲北部。下面进一步分析上述波导主要出现区域的大气波导出现情况和特征量分布。

2.2 大气波导出现概率和特征量月、季分布

2.2.1 表面波导分析

表面波导月出现概率分布图(图6)显示:1001、4320、4339站表面波导年平均出现概率最高(图中用红色虚线对应的纵坐标值表示表面波导年平均出现概率)。下面主要分析这3个站点。从图6中可知, 1001、4320、4339站波导出现概率没有明显的季节变化规律。

图7是上述3个站点表面波导层厚度、波导强度月分布图, 图中用蓝色的虚线表示波导层厚度。从波导层厚度看, 1001在15 m以下, 且没有明显月份差别; 而4320和4339站较1001站大, 且在6、7、8、9月厚度达到最大值。3个站点波导强度在6、7、8、9月均达到最强。总体来看, 1001、4320、4339站波导层厚度较低、强度较弱, 平均分别在30 m以下和10 M以下。

图3 全球大气波导出现概率分布图Fig.3.World-wide frequency of atmospheric duct occurrence

图4 北极和中低纬表面和悬空波导出现概率对比分析Fig.4.Frequency of surface and elevated duct occurrence respectively.a), b) North Pole; c), d)mid-low latitudes

图5 北极站点表面、悬空波导出现概率分布Fig.5.Frequency of surface and elevated duct occurrence in the North Pole

2.2.2 悬空波导分析

悬空波导月出现概率分布图(图8)显示,1001、1028和 70026三个站悬空波导出现概率最高, 且主要发生在5—9月份, 这几个月是3个站点极昼极夜更替过渡期(5、6月和 9、10月)及暖季极昼期(7、8月), 并在7—8月出现概率达到最高。在北极, 11、12、1、2、3、4月是寒季极夜期, 5、6月和 9、10月是过渡季节, 7、8月是暖季极昼期。分析说明, 上述3个站点悬空波导很少在寒季出现, 主要出现在过渡季节和暖季。

图6 表面波导月出现概率分布Fig.6.Monthly variation of frequency for surface duct during the course of the year

图7 1001、4320和4339站表面波导层厚度、强度月分布图Fig.7.Monthly variation of surface duct characteristics with thickness and strength during the course of the year at 1001, 4320 and 4339

图9是上述3个站点悬空波导层厚度、波导强度月分布图, 图中同样用蓝色的虚线表示波导厚度。从图中可知, 3个站点波导厚度在 40—80 m,6—8月波导厚度达到全年最高值, 7月份达到峰值;3个站点波导强度平均在10 M以下。在4月、11月极夜极昼分割月, 波导厚度和强度都较低, 尤其70026为全年最低最弱。

图8 悬空波导月出现概率分布Fig.8.Monthly variation of frequency for elevated duct during the course of the year

图9 1001、1028和70026站悬空波导层厚度、强度月分布图Fig.9.Monthly variation of elevated duct characteristics with thickness and strength during the course of the year at 1001,1028 and 70026

3 大气波导成因初步分析

3.1 表面波导分析

图10 1001站温度、湿度、修正折射指数廓线分布图Fig.10.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles at 1001 in (a) February and (b) July

在北极, 主要有寒季和暖季两个典型季节。因此, 主要分析 1001、4320、4339站两个季节波导形成的气象条件。其中, 寒季、暖季分别选择 2月和 7月为代表进行分析。图10是 1001站 2月(图10a, 2016年2月 4日 12:00 UTC)和 7月(图10b, 2016年7月25日 12:00 UTC)典型的温度、湿度和修正折射指数廓线分布图, 统计结果显示这种情况在2月和7月分别占据了波导出现时间的93%和88%(图表略)以上。受北大西洋暖流影响, 1001站温度、湿度较高(图11), 接近表面的大气中水汽充足, 水汽随高度减小, 垂直梯度相对较大, 相对较容易出现表面波导。4320站2月(图12a, 2016年2月16日12:00 UTC)极夜期间, 边界层内存在很厚的辐射逆温层,而且, 在逆温层内湿度减小的梯度明显增加,说明辐射逆温的盖帽作用阻止空气的向上流动而引起了该层内湿度随高度急剧减小, 从而逆温和随之产生的湿度锐减共同作用导致了波导的出现, 这种情况在 2月占据了波导出现时间的95%。7月(图12b, 2016年7月28日12:00 UTC)暖季格陵兰冷高压形成的下沉逆温和与之伴随出现的湿度随高度锐减是该季节波导出现的可能原因, 这种情况在 7月占据了波导出现时间的 81%。4339与 4320站波导形成原因相似(图略)。因此, 位于格陵兰岛东部的 4339和 4320站, 常年被冰雪覆盖, 在寒季极夜期间冰雪下垫面的辐射冷却形成的辐射逆温, 和暖季格陵兰冷高压形成的下沉逆温, 都可能是导致该站波导高发的原因。

3.2 悬空波导分析

图11 北极(a)表面温度、(b)湿度年平均分布Fig.11.Annual average of (a) surface temperature and (b) relative humidity in the Arctic

图12 4320站温度、湿度、修正折射指数廓线分布图Fig.12.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles at 4320 in (a) February and (b) July

图13 1001、1028和70026站7月温度、湿度、修正折射指数廓线分布图Fig.13.Example of temperature, relative humidity and modified refractive index profiles in July at (a) 1001, (b) 1028 and (c) 70026

悬空波导在7—8月份的暖季发生概率最高。因此, 主要分析1001、1028和70026这3个站点7月份形成波导的气象条件。图12是这3个站点典型的温度、湿度和修正折射指数廓线分布图。图中显示, 1001、1028站波导都出现在雾顶(图13a,2016年7月13日00:00 UTC; 图13b, 2016年7月1日00:00 UTC)。相对湿度图显示, 从地面到波导层底相对湿度基本都大于 95%, 统计结果显示这种情况在 7月份占据了波导出现时间的90%(图表略)以上, 因此, 可判断这种情况波导层下存在雾; 1028站温度廓线图显示雾顶存在厚度较厚的逆温区; 但1028站波导层内没有明显的逆温。所以, 总体来看, 该两个站点主要是由于雾顶湿度随高度锐减导致的波导出现。1001和 1028所在的北欧海区暖季多海雾, 可能是导致波导高发的原因。70026站波导出现的气象条件与上述两个站点不同, 该站波导出现时没有雾存在, 波导出现在逆温和湿度锐减的薄气层内。7月(图13c,2016年7月12日00:00 UTC)该站点受北极锋影响, 锋面逆温和冷空气一侧的下沉逆温是可能导致波导高发的原因, 这种情况在 7月份占据了波导出现时间的87%。

4 结论

文章对北极圈内16个北极探空站点10年的大气波导出现情况进行了分析。初步得出以下结论。

1.北极地区大气波导平均出现概率低于50%, 明显低于中低纬地区。北极地区表面波导出现概率高于悬空波导,这与中低纬分布情况正好相反, 在中低纬, 悬空波导出现概率高于表面波导。

2.在北极的 16 个站点中, 1001、1028、4320、4339四个站点是北极波导出现概率最高的地区。20046、20292、20674、20744、20891、21432、21824、21946八个站点波导出现概率只有百分之几, 是北极波导出现概率最低的地区。综上所述,北欧海区和格陵兰岛为北极波导高发区, 欧亚大陆的北部边缘为无波导发生区。

3.表面波导高发区有两个: 北欧海区和格陵兰岛, 且没有明显的季节差别。悬空波导高发区有两个: 北欧海区和白令海峡东北部区域, 且在7—8月份的暖季极昼期间为高发季。

4.对于表面波导, 北欧海区受北大西洋暖流的影响, 下垫面大气温湿度较大, 是可能导致表面波导高发的原因。格陵兰岛, 格陵兰冷高压形成的下沉逆温, 及在寒季极夜期间形成的辐射逆温, 都是可能导致表面波导高发的原因。

5.对于悬空波导, 北欧海区在暖季多海雾,在雾顶的逆温层内常出现悬空波导, 是该区域悬空波导高发的可能原因。白令海峡东北部区域暖季受北极锋影响, 锋面逆温和冷空气一侧的下沉逆温是可能导致该地区悬空波导高发的原因。