北极地区海雾数值模拟及其电波衰减研究

张玉生 郭相明 郝晓静 赵强 张蕊

(电波环境特性及模化技术重点实验室, 中国电波传播研究所, 山东 青岛 266107)

0 引言

海雾是海上一种常见的天气现象, 由于海雾降低了海上能见度, 会使航行的船只迷失方向或造成搁浅、碰撞等重大事故, 因此即使是在现代先进航海技术条件下, 在海雾中航行仍要百倍警惕[1]。海雾内湿度大, 在海雾顶以上区域湿度随高度迅速减小, 并且在海雾顶部易形成逆温结构,易形成大气波导结构, 易引发超短波、微波频段大气波导超视距传播或者盲区现象[2-4]; 海雾内液滴对于30 GHz 以上的毫米波频段以及红外等波段的传播会产生严重的衰减效应。

国内外对海雾进行了不少观测、机理、特征和预报研究, 例如彭邦安[5]对南极麦克韦尔湾的海雾分析, 杨清华等[6]对南极长城站海雾的特征分析等。对海雾的预报方法主要有天气学方法、统计方法和数值预报方法, 例如许淙等[7]利用南极长城站1985—2006 年的气象水文观测资料和美国国家环境预报中心(NCEP)再分析数据, 对南极长城站附近海雾的气象特征进行了统计分析,基于数据生成了500 hPa 气象要素场和海平面气象要素场, 初步建立了长城站夏季海雾预报系统,预报有雾或无雾结果; 林晓能[8]基于马尔柯夫链原理建立了南海海雾的短期预报方法, 并得到了很好的应用; 杨棋等[9]将洋山海域不同范围的气温、相对湿度、气温与海温之差、风向、风速等因子进行组合, 建立了统计预报方程, 实现了海雾客观预报方法。数值预报方法也先后经历了一维数值、二维数值和三维数值等阶段, 随着各种尺度大气数值模式的发展, 海雾的数值模拟精度也随之提高[10-11]。

北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间交通往来直线距离最短的路径需穿越北极地区, 因此北极地区战略位置重要。北极地区是全球气候变化的敏感地区, 气候恶劣, 基本上处于多冰雪、多雾、极寒低温状态, 暴风雪多发, 在北极圈内有极昼极夜现象。北极上空臭氧含量最多, 对于扩散到对流层的臭氧不仅能吸收地-气系统的长波辐射而加热大气, 还可以参与大气光化学反应, 进而改变其他温室气体的含量和分布, 影响地-气系统的辐射平衡。北极处于高纬度地区, 在研究大气中尺度运动时, 考虑的柯氏力等受力也不一样。海冰的存在也阻碍了海洋与大气之间的直接动量和热量交换, 使其成为气候系统中除大气、海洋、陆地之外的又一重要组成部分, 海冰、融池、冰间水道、浅薄积雪等特征增加了北极地表复杂性, 也增加了冰雪下垫面物理参数表述的复杂性, 并且由于极区的下垫面覆盖大量冰雪, 太阳能量的反照率和吸收率明显与中低纬度不同。近年来人们持续研究北极地区的海、气、冰等的能量交换关系, 陈立奇等[12]利用联合冰站观测数据, 模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征, 定量得出了北冰洋夏季海/气和冰/气之间湍流通量和边界层参数的差异。

由于北极特殊地理环境和恶劣气候多变, 目前北极地区气象观测和研究投入不足, 只有有限的气象观测站, 无法有效获取更大区域的北极低层大气精细结构和海雾液滴数据。由于缺乏足够的数据和机理分析, 很难建立准确描述北极地区实际状况的气象方案, 因此北极海雾的生消机理、数值模拟和预报还有待进一步研究。在极区的海雾研究主要集中在特征分析以及基于统计意义上的客观预报, 预报主要是定性预报, 三维数值模拟主要集中在南海、黄海海域的海雾模拟和预报[13], 北极地区的海雾数值模拟(预报)研究很少。

本文根据全球再分析数据, 基于适合于极区的中尺度大气数值模式, 模拟了2010 年7 月27日北冰洋的浓雾发展过程, 并基于模拟的海雾液态含水量和大气参数进行了相应的电波传播评估,进一步评估了海雾对毫米波和远红外波段上的单位距离衰减值。通过北极海雾的数值模拟及其电波传播特性研究, 研究其发生区域、强度和时空变化, 对航海气象安全以及远距离导航、通讯和探测、编队间的通讯和探测保障都有重大意义。

1 极区中尺度大气数值模式介绍

数值预报模式是目前研究天气过程和模拟电波环境的重要方法, 海雾属于中小尺度对象, 因此预报北极海雾采用中尺度数值模式比较合适。由于中尺度数值模式既考虑了大尺度天气系统对所预报区域大气的整体影响, 也考虑了大气边界层、积云等小微系统对所预报区域大气特别是低层大气的局部影响, 因此, 对于海雾的伴随逆温、液水密度等气象环境参数会有很好的数值模拟和预报[14-16]。

数值预报的历史很短, 真正意义上的数值预报开始于20 世纪初期, 随着计算机技术的不断发展, 后期数值预报的时效性和准确率也不断提高,先后成功研制了 Mesoscale Model(MM)系列、Advanced Regional Prediction System(ARPS)、Regional Atmospheric Modeling System(RAMS)、Weather Research and Forecasting Model(WRF)等中尺度数值预报模式。随着资料同化效果的改善以及计算性能的提高, 中尺度数值模拟结果越来越准确, 中尺度数值模拟逐渐成为气象环境、电波环境模拟和预报技术发展的重要方向[17-19], 它的优势在于可以获取相对较高精度的随时间和空间变化的网格数据。

WRF 模式是基于业务预报和天气研究需要所发展的新一代中尺度数值天气预报模式, 该模式是在MM5 基础上发展起来的。WRF 适用于几米到数千千米尺度大气现象的研究, 可应用在参数化模型研究、数据同化研究、业务预报研究、耦合模式应用和教学等领域, 因此也适合于海雾的数值模拟、机理分析和预报[17]。但由于普通型WRF 模式中的各种气象方案极少考虑到极区这种气候、地理环境极端的地区, 一般只应用于中低纬度的数值模拟。目前针对极地区域大气环流的数值模拟已取得很大进展, 如先后研制了Polar MM5、Polar WRF(PWRF)等适合极区大气数值模拟的模式, 这些模式具有多个可供选择的物理过程参数化方案, 已经成功应用于南极和格陵兰岛大气研究, 并为美国南极科学考察提供气象服务。

在极区大气数值模式中对参数化方案的改进主要表现为以下几个方面: 改善冰相微物理过程的显式方案, 修改云辐射相互作用, 优化湍流参数化, 增加海冰下垫面类型并改变通过雪盖/冰面热量输送过程的处理方法。在利用普通型中尺度大气数值模式过程中, 研究发现由于模拟过多向下的长波辐射通量而导致冬季南极冰盖区地面温度存在偏高的问题, 对于南极[20-21]和美国大陆[22]也存在模拟云量过多的问题, 这是因为原模式中采取的云量、云水路径分别是相对湿度、温度的简单函数处理方法。为了改善模式在极区的适用性, 在Reisner 显式微物理参数化中, 采用了考虑冰核浓度的Meyers 等[23]方案代替Fletcher[24]的相应处理方法, 并采用云水和冰混合比方法计算云量以改进大气传输的长波和短波辐射, 通过这个改进减小了过大云水路径, 避免过大的云水路径在冬季南极冰盖区导致过多的向下的长波辐射通量而导致的地面温度偏高。

极地海冰带是海-气交界面具有热力绝缘效应的区域, 在海-气相互作用方面, 因为海冰的反照率反馈、热力屏障等一系列作用和影响而区别于其他的无冰区域。因此, 与普通型大气数值模式中使用的13 类地表分类相比, 极区大气数值模式中增加了第14 类地表特征, 以刻画极地的海冰地表特征。在极区大气数值模式初始化中,根据海水格点处海水表面温度计算该处海冰分布, 且其分布特征在模式积分过程中不再发生改变。此外, 分别对海冰、开阔水域和陆地点处的通量和地表温度进行处理, 然后再使其与大气相互作用[25]。

2 北极海雾数值模拟研究

2010 年7 月27 日我国第四次北极科学考察队搭乘“雪龙”号极地科学考察船进行海洋综合调查时, 在72°N、153°W 附近的北冰洋海域遇到了雾锁北冰洋的景观。虽然限于条件无法搜集到行驶途中“雪龙”号船载观测数据的准确能见度数据, 但鉴于从当时新华网随船记者张建松7 月28 日电报道[26]: “乘坐‘雪龙’号极地科学考察船来到了《幽灵船》的故事发生地北冰洋, 遭遇到影片中那样的弥天大雾, 周围景象看上去甚至更为诡异。……27 日, 考察队乘坐‘雪龙’号来到北纬72 度18 分、西经152 度34 分的加拿大海盆深水站位, 进行8 个小时的海洋综合调查……午后时分, 突然飘来一阵浓雾, 霎时间天色变得阴暗昏沉。冒着浓浓海雾, ……无边的雾气紧紧笼罩着‘雪龙’号, 似乎已不知身在何处, 路在何方, 那感觉甚是奇妙。……整整一夜, ‘雪龙’号以每小时三四海里的航速, 在冰海浓雾中缓缓前行, 终于顺利抵达了北纬72 度42 分、西经153 度29 分的海洋调查站位……”的描述可看出当时“雪龙”号极地科学考察船遇到的是一场严重影响航行的浓雾, 当时能见度很小, 已严重影响航速。

在北极进行海雾的数值模拟和预报必须考虑和采用符合北极地区的优化湍流参数的边界层、辐射等气象方案和极地海冰等特征地表。为了研究北极海雾的特性, 数值模拟和再现这次北极典型海雾, 本文根据该时段全球再分析数据, 采用了考虑诸多极区因素的极区数值模式PWRF, 通过改进 Noah 陆面过程方案、长波辐射方案RRTMG 方案等设置, 以及特征高度、积分步长的优化, 数值模拟(预报)了2010 年7 月27 日“雪龙”号在北冰洋遇见的浓雾液态含水量和其他气象参数, 并模拟(预报)了其发展过程。此外, 选择时间段为2014 年12 月29 日世界00 时至30 日世界00 时, 采用基于全球再分析数据的背景数据及相同的模式水平分辨率、各类气象方案、特征高度、积分步长等参数, 对163°W—100°W, 60°N—88°N 的包含美国阿拉斯加、波弗特海及北冰洋的广大区域的液态含水量和其他气象参数进行了模拟, 以侧面验证对“雪龙”号所经雾区的模拟情况。

在两例大气数值模式中采用的各类方案如下。

(1)模拟区域: 第 1 例(海雾)为 120°W—180°W, 65°N—90°N; 第 2 例(云)为 100°W—163°W, 60°N—88°N。

(2)模式水平分辨率: 30 km。

(3)垂直分层: 38 η, 分别为1.000、0.999、0.9983、0.998、0.997、0.9965、0.996、0.9955、0.995、0.9945、0.994、0.993、0.9922、0.991、0.989、0.987、0.978、0.960、0.950、0.935、0.924、0.914、0.904、0.880、0.848、0.800、0.747、0.700、0.646、0.545、0.444、0.343、0.242、0.141、0.091、0.061、0.020、0.000。

(4)微物理过程方案: WSM 3 类简单冰方案。

(5)长波辐射方案: RRTMG 方案。

(6)短波辐射方案: Dudhia 方案。

(7)调用辐散物理方案的时间间隔: 30 min。

(8)近地面层方案: Monin-Obukhov 方案。

(9)陆面过程方案: 改进的 Noah 陆面过程方案。

(10)边界层方案: YSU 方案。

(11)积云参数化方案采用: 浅对流 Kain-Fritsch 方案。

(12)积云参数化方案调用时间间隔: 5 min。

RRTMG 方案包含覆盖230 nm～56 μm 的绝大部分16 个波段, 覆盖辐射波, 重点考虑了水汽、臭氧、温室气体、气溶胶以及云水和云冰等大气成分的作用, 基于随机云重叠的Monte Carlo Independent Column Approximation (McICA)方法,可以反映不同高度层上和次网格尺度上的云物理作用。针对北极的海冰和永久性冰川/陆地冰、雪表面等特色地貌地形, 修改了Noah LSM 中海冰和永久性冰川/陆地冰表面的地表能量平衡和热量传输。例如改进海冰和冰川上的地表径流处理,修改海冰放射率, 将雪的放射率改为0.98, 修改雪的密度, 热容量和热传导率, 增加蒸发融化潜热, 调整热容量和扩散率分别适合海冰和陆地冰川, 修改土壤湿度通量等。使改进后的Noah 能处理可变的海冰厚度和海冰积雪厚度, 并且拥有可随季节变化的海冰反照率, 计算表面交换系数和热通量时, 在每个格点上对开阔水域和海冰分别进行计算, 然后再根据海冰密集度求权重平均。本文第1 个数值模拟案例从2010 年7 月27 日世界时00 时开始作为模拟(预报)起始时间, 模拟(预报)出间隔1 h 的雾区变化情况, 包含24 个时次数值模拟的153°W 处的海雾液态含水量(由液态含水量混合比表征)分布情况。液态含水量混合比是指一定体积空气中含有的液态水与干空气的质量比, 在云中指云液态水混合比, 在雾中则指雾液态水混合比。图1 为从初始时间7 月27 日00 世界时后分别经过3、12、18、24 h 时刻153°W 处的海雾经向剖面区域分布, 从经向剖面区域分布可以说明海雾的高度和剖面结构分布。已有研究常用液态含水量大于0.1 g·kg-1且高度小于600 m作为判断海雾的判据[27-28], 并用于中纬度地区例如黄海、渤海的海雾模拟中, 本研究采用了相同的条件对极区海雾进行判定。从每隔几小时数值模拟图(图2)中可看出, 液态含水量较大区域液态水的高度都在200 m 以下并且接触地海面, 液态含水量大于0.1 g·kg-1, 符合海雾的判据判定为雾区。事实上根据中国第四次北极科学考察资料可以证实为能见度较低的海雾, 如图1 所示, 无论从强度还是时间变化, 从高度还是水平区域变化, 北极海雾的生消变化都很清楚, 随着时间从弱到强演变发展, 与“雪龙”船遇到海雾从弱到强的实地景象吻合, 因此基于数值模拟技术获取北极雾区的特性是可行的。

图1 数值模拟初始时间2010 年7 月27 日00 世界时后不同时间的153°W 处的海雾经向剖面区域分布Fig.1. Regional distribution of sea fog meridional profile at 153°W at different times after 00 UTC on July 27, 2010, the initial time of numerical simulation

图2 数值模拟2010 年7 月27 日00 世界时+24 小时海拔3 m 处的海雾区域分布Fig.2. Numerical simulation of regional distribution of sea fog at an altitude of 3 m at 00:00 UTC + 24 hour on July 27, 2010

为了说明本次海雾的水平分布区域, 本文数值模拟给出27 日00 世界时后各时刻的经纬度液态水的水平分布, 这些分布皆为海拔3 m 处的液态含水量分布, 即海拔3 m 处的海雾区域分布(如图2 为27 日00 世界时+24 小时的液态含水量分布即海雾区域分布图)。从图中可以看出这次海雾水平出现区域很广, 图中A 站点为数值模拟时段航迹第1 站位(72°18'N、152°34'W), B 站点为第2站位(72°42'N、153°29'W), 图中显示这两个站位均在雾区。从不同时刻的数值模拟看, 此次海雾区域、强度随时间变化有所变化, 之所以选取海拔高度3 m 处, 是因为雾顶高度一般在几十米到几百米高度, 海拔高度3 m 处的液态水水平区域足以能够代表海雾的覆盖区域。

本文第2 个数值模拟案例如图3 所示, 从图中可看出, 在高空3～4 km 高度处有液态含水量较大的气团, 离海面高。云和雾的主要区别之一是云离地/海面有一定高度, 和地/海面不相接触,而雾则接触地/海面。在该例数值模拟过程中, 在接触地/海面处未见有液态含水量较大的气团, 说明该时段在本地的天气现象是云而非雾现象, 而在第1 个雾区模拟案例中, 液态含水量较大的气团接触地/海面, 是明显雾团, 这些都从侧面说明第1 个雾区模拟案例合理可信。基于水平能见度与平流雾液态含水量经验公式, 利用模拟的平流雾液态含水量计算出水平能见度很小, 为0.076 km, 此外结合中国第四次北极科学考察资料, 证实了第1个模拟案例所在区域当时发生大雾现象, 能见度较差, 让“雪龙”号考察船艰难航行, 现场真实场景进一步说明了第1 个雾区模拟案例合理可信。

图3 2014 年12 月29 日00 世界时+9 小时72°N 处的液态含水量经向剖面区域分布Fig.3. Regional distribution of water content of longitude direction at 72°N at 00:00 UTC + 9 hour on December 29, 2014

3 北极海雾电波衰减研究

海雾对微波、毫米波、红外等波段电波传播影响很大, 在微波频段有可能引发大气波导超视距现象, 在毫米波、红外等波段引起严重的电波衰减现象。本文根据电磁辐射与介质相互作用原理, 基于获取的海雾液态含水量和大气参数进行北极海雾的毫米波、红外波段电波传播衰减评估,海雾液滴对传播的电磁波能量衰减主要是通过瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射等作用造成的。由于雾滴粒径一般在1～100 µm 之间, 当雾滴的尺度与入射波的波长相当时, 需利用米氏散射理论计算雾滴的消光截面, 这时在衰减过程中雾滴散射起主要作用, 因此主要计算雾滴的散射截面。当雾滴的尺度远小于入射波的波长时, 可使用瑞利散射近似计算雾滴的散射特性, 要比利用米氏散射理论和其他数值算法简单方便, 其已在计算较低频段的降雨和浓雾传播特性和雷达气象上得到广泛应用[29-32]。

毫米波段两代表频率(频段高低端100 GHz 和30 GHz), 对应波长为3～10 mm, 由于雾滴的尺度远小于其入射波波长, 因此使用瑞利散射近似计算雾滴的散射特性。远红外波段两代表波长的波段高低端分别为0.1 cm 和50 µm, 该波段低端入射波波长与雾滴的尺度相当, 因此使用米氏散射理论计算雾滴的散射特性; 而该波段高端入射波波长远大于雾滴的尺度, 因此使用瑞利散射近似计算雾滴的散射特性。图4 为毫米波段两代表频率(频段高低端分别为100 GHz 和30 GHz)在不同海雾液态含水量(此处表征量为液态水密度)下的单位距离衰减值。可以看出, 在30 GHz, 单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大, 但变化平缓, 均小于2 dB·km-1;在100 GHz, 单位距离衰减值随海雾含水量增大迅速增大, 从小于2 dB·km-1增大到大于10 dB·km-1。

图4 毫米波段两代表频率在不同海雾液态含水量下的单位距离衰减值Fig.4. Unit distance attenuation values of two representative frequencies in millimeter wave band under different sea fog water content

图5 为远红外波段两代表波长(波段高低端分别为0.1 cm 和50 µm)在不同海雾含水量下的单位距离衰减值。可以看出, 在0.1 cm 波长上, 单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大, 但变化平缓; 在50 µm 波长上, 单位距离衰减值随海雾含水量增大而迅速增大, 可达700 dB·km-1; 两波长的衰减值相差很大。从图4、图5 可看出, 在相同液态含水量的情况下, 远红外波的单位距离衰减值远远大于毫米波, 从2010 年7 月27 日数值模拟的北极海雾案例可知, 海雾区域中液态水含量混合比最大为0.5 g·kg-1左右, 换算成液态水密度为0.6151 g·m-3, 毫米波单位距离衰减值根据毫米波频率上下限(30～100 GHz)计算大概在0.8～3.5 dB·km-1左右, 远红外波段最低端(波长50 µm)单位距离衰减值约为270 dB·km-1, 而其最高端(波长 0.1 cm)单位距离衰减值仅仅在几dB·km-1, 两者相差甚大。在传播距离较长的情况下(如10 km、100 km 等), 单位距离衰减值较大的其总传播衰减值就特别大, 所以在北极地区的海雾状态下, 对所使用的电波无线传输系统的频段(波段)方面有很高的要求。

图5 远红外波段两代表波长在不同海雾液态含水量下的单位距离衰减值Fig.5. Attenuation value per unit distance of two representative wavelengths in far-infrared band under different water content of sea fog

综上可知, 基于数值模拟技术可以获取北极海雾的发生区域和变化特性。从数值模拟中可看出通过对液态水含量混合比的强度、高度变化分析及其时间、水平区域变化分析, 均能清楚地展示北极海雾的生消变化, 因此基于数值模拟技术获取北极雾区的特性是可行的。在此基础之上, 根据海雾特性可以进一步评估北极海雾对电波的衰减效应。

4 结论

本文针对北极地区的海雾预报可行性和特性研究, 基于考虑诸多极区因素如海冰地表类型的数值模式PWRF, 通过改进Noah 陆面过程方案、长波辐射方案(RRTMG 方案)等设置, 以及特征高度、积分步长的优化, 成功地数值模拟出了北极海雾及其演变发展过程, 和现场情况对比证明采用数值模拟获取北极地区海雾基本信息并研究其变化机理是可行的。此外根据雾滴尺度和毫米波、远红外波段上波段高低端入射波波长的比较,通过米氏散射和瑞利散射理论计算了不同海雾液态含水量下的雾区电波传播衰减特性, 评估了海雾对毫米波和远红外波段上的单位距离衰减值, 对于毫米波段两代表频率(频段高低端分别为100 GHz和30 GHz), 在频率30 GHz, 单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大, 但变化平缓, 衰减值均小于2 dB·km-1; 在频率100 GHz, 单位距离衰减值随海雾含水量增大迅速增大, 衰减值从小于2 dB·km-1增大到大于10 dB·km-1。对于红外波段两代表波长(波段高低端分别为0.1 cm 和50 µm), 在波长0.1 cm, 衰减值随海雾含水量增大逐渐增大, 但变化平缓; 在波长50 µm, 衰减值随海雾含水量增大迅速增大, 衰减值可迅速增大到700 dB·km-1, 两波长的衰减值相差很大。对于相同液态含水量雾区, 远红外波的单位距离衰减值远远大于毫米波的单位距离衰减值, 毫米波频段高低端和红外波段波长最高端0.1 cm 单位距离衰减值都很小, 一般在几十dB·km-1以下, 而红外波段波长最低端50 µm 衰减值在几百dB·km-1,与其他波段相比其单位距离衰减值甚大, 对于较长距离的传播, 在整个路径上不同频段(波段)电波传播衰减值差别很大, 有的衰减值特别大甚至造成该频段(波段)电波无线传输系统无法使用或中断, 所以在北极地区的海雾状态下, 对所使用的电波无线传输系统的频段(波段)方面有很大的要求, 通过数值模拟(预报)北极海雾可以评估其对电波传播衰减以及无线电信息系统随时间和空间变化的影响效应。