基于非迭代海-气通量算法的蒸发波导预测模型研究

蒸发波导易发生在海洋等水体之上.为了深入研究蒸发波导预测模型的诊断预报技术,本研究依据目前最新的非迭代海-气通量算法,建立了非迭代通量算法蒸发波导预测模型-NEW模型,进而对新模型进行了敏感性试验,且用我国近海试验数据进行了检验.最后将NEW模型与目前使用广泛、效果较好的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行了对比分析,得到了不同模型蒸发波导高度随气象海洋要素变化的规律,结果表明非迭代通量算法模型与传统模型对不同海洋气象要素的敏感性响应是一致的.不稳定层结条件下NEW模型对蒸发波导的诊断结果接近于Babin模型和NPS模型,而稳定条件下略高于NPS模型.试验表明NEW模型可以有效地诊断预报蒸发波导.本研究系统阐述了非迭代通量算法模型的建立和适用情况,为蒸发波导预测诊断算法的更新和模型发展提出了新的思路.     

应用湍流通量理论分析蒸发波导机理

蒸发波导是近海面经常出现的大气结构.从湍流运动方程出发,基于近海面海-气耦合湍流通量理论和算法分析了蒸发波导机理.对气象要素变化时,蒸发波导高度和感热、蒸发潜热和动量通量间的关系进行了分析,表明蒸发波导的形成和湍流通量具有明显相关性,为蒸发波导机理研究提供了新途径.     

基于局地相似理论的蒸发波导计算方案及敏感性试验

蒸发波导是海洋环境中最常出现的异常大气折射结构,具有很高的利用价值.利用局地相似理论代替 Monin-Obukhov 相似理论来确定近地层温度、湿度垂直分布廓线,并借助热带海洋全球大气-海气耦合响应试验(TOGA COARE) 中提出的总体通量算法,对 Local 模式和 New 的推导过程和算法设计进行了详细的阐述和说明.通过比较不同模式的计算结果和敏感性试验发现,在较强逆温和低风速(强稳定层结) 条件下,除 P-J 模式外,基于 Monin-Obukhov 相似理论的蒸发波导模式计算的高度值均出现异常突变;而基于局地相似理论的 Local 模式能够有效抑制这种异常突变的现象,且与加入人为修正的 P-J 模式结果比较接近.New 模式集 Babin 模式与 Local 模式的优点于一身,应该说是目前理论上最为完善的模式.     

基于大气湍流效应的蒸发波导PJ 模型研究

本文基于海洋大气近地层相似理论和一维Kolmogorov 谱函数, 建立考虑各向同性和各向异性湍流效应的蒸发波导模型, 并基于相对误差理论, 将数值模拟的大气修正折射率与根据试验采集数据计算得到的修正折射率进行对比分析。研究结果表明： 湍流效应对蒸发波导模型的预测结果有影响, 且考虑各向异性湍流效应的蒸发波导模型预测精度更高。因此在构建蒸发波导模型时, 需要考虑各向异性湍流对大气折射率的扰动影响, 才能得到更准确的大气修正折射率廓线。通过引入各向异性大气湍流理论, 能够有效提升蒸发波导模型的适用性, 为后续反演大气波导提供较好的模型基础。     

近海面蒸发波导和大气负折射的统一监测模型研究

近海面的蒸发波导和大气负折射都是海洋大气表面层的异常折射结构,两者对电磁波传播都具有重要影响。利用M-O近地层相似理论推导了蒸发波导的模型,利用等效蒸发波导高度推导了大气负折射与蒸发波导的统一监测模型及其廓线结构参数的bulk计算方法,比较分析了蒸发波导与大气负折射在廓线结构方面的特征和差异,并利用2002年5月福建平潭岛的试验数据验证分析了大气负折射监测模型机廓线计算方法的适用性。     

基于NPS模型的南海蒸发波导中尺度数值模拟研究

蒸发波导是海上大气波导中发生概率最高、对海上舰艇和岸基雷达探测系统影响最大的一种波导类型,研究意义重大。本文搭建了一种基于NPS诊断模型的新型蒸发波导数值预报模式,对我国南海海域2014年11月1~5日的5 d海上蒸发波导分别进行了数值模拟。利用数值模拟数据与岸基铁塔实测数据分别绘制蒸发波导高度随时间的变化曲线,并进行误差分析,显示模拟结果与实测结果变化规律基本一致,统计计算这5 d的蒸发波导高度平均误差为1.289 m。这表明了本模式的可行性及其存在的模拟偏差。此外,利用本预报模式对南海海域2011年整年的蒸发波导进行了数值模拟,得到了12个月的蒸发波导时空分布特征,分析总结的规律与其它文献的研究结论基本一致。     

蒸发波导环境测量方法对比分析

蒸发波导现象显著影响海上电磁波传播,快速获取大范围精确的修正折射率参数成为了蒸发波导研究热点。文中分析了现有的蒸发波导预测模型,对其中的经典模型进行了仿真,对比不同模型的仿真结果,总结了模型方法预测波导高度及修正折射率廓线的不足。然后从硬件角度出发对比现有蒸发波导测量系统原理、测量精度及适用条件,分析测量系统引入的误差源进而给出了不同测量系统的改进方向,总结出修正折射率廓线测量系统应具备的测量精度及数据条件。最后通过方法间对比及蒸发波导实测数据的应用过程分析,对不同方法未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

蒸发波导环境中微波传播敏感性分析

海洋蒸发波导是微波通信的优良天然信道,但微波信号在波导中传播时容易受气海环境因素变化的影响。本文采用扩展傅里叶幅度敏感性分析法（Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test,EFAST）,分析了蒸发波导环境中微波传播路径损失对空气温度、海表温度、近海面风和相对湿度等气海环境因素变化的敏感性特点。敏感性分析结果呈现一种频率相关的频散特性,而信号极化方式影响较小。这4种环境因素中,相对湿度对路径损失的整体影响最大;在传播距离较近且高度较高的范围内近海面风速对传播的影响占据主导;空气温度和海表温度的敏感性大致相当;风速的影响是4种环境因素中最为复杂的,这也是在实际分析中需要额外重视的。本文对蒸发波导环境参数的敏感性分析结果对现场波导观测试验具有重要的参考意义,对敏感度高的环境参数可以考虑优先进行高时空分辨率观测。此外,在运用中尺度数值天气预报模式进行蒸发波导预报时,优先发展与敏感度高的气海参数有关的物理过程参数化方案,可以节约计算时间和资源。     

蒸发波导环境下风浪对电磁波传播影响的数值模拟研究

蒸发波导是一种特殊的大气波导,在其中传播的电磁波信号会被陷获在近海大气层中,实现超视距传播。受海表面温度、湿度、风速、微波频率等因素的影响,海洋蒸发波导环境中的微波传播特性起伏变化很大,规律十分复杂。以往的工作主要通过计算这些气象因素对蒸发波导条件下大气折射率剖面的影响来分析它们对路径损失的作用,其结果与实验数据仍有较大差异。本文在一定的蒸发波导条件下,利用一维分形海面模型产生海面“地形”,将其作为抛物方程电磁波传播模型的边界条件进行计算,得到相应的路径损失,并与传统计算方法进行对比,分析了不同蒸发波导高度、不同频率及不同接收天线高度时的数值模拟情况,可为舰艇通信系统或者雷达系统的设计提供相应的依据。     

中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

一个嵌套于MM5下的蒸发波导预报模式

Evaporation duct is an abnormal refractive phenomenon in the marine atmosphere boundary layer. It has been generally accepted that the evaporation duct prominently affects the performance of the electronic equipment over the sea because of its wide distribution and frequent occurrence. It has become a research focus of the navies all over the world. At present, the diagnostic models of the evaporation duct are all based on the Monin-Obukhov similarity theory, with only differences in the flux and character scale calculations in the surface layer. These models are applicable to the stationary and uniform open sea areas without considering the alongshore effect.This paper introduces the nonlinear factor av and the gust wind item wg into the Babin model, and thus extends the evaporation duct diagnostic model to the offshore area under extremely low wind speed. In addition, an evaporation duct prediction model is designed and coupled with the fifth generation mesoscale model(MM5).The tower observational data and radar data at the Pingtan island of Fujian Province on May 25–26, 2002 were used to validate the forecast results. The outputs of the prediction model agree with the observations from 0 to 48 h. The relative error of the predicted evaporation duct height is 19.3% and the prediction results are consistent with the radar detection.     

水平非均匀性蒸发波导诊断及其对雷达探测的影响

蒸发波导是发生在海气边界层的一种异常折射现象,因为其分布广、发生概率大,所以被认为是对海上电子装备影响最为显著的波导类型。然而由于其形成机制复杂,且在近岸地区存在水平不均匀性,使得目前非均匀蒸发波导的诊断及其应用还未能落实到实际工作中。针对这一现状,首先利用G L Geernaert的方法修正了Monin-Obukhov相似理论,将其扩展到海洋大气表面边界层不均匀条件下;其次在Babin模式的基础上引入张强普适函数的非线性修正因子与阵性风速,从而将蒸发波导诊断模式的适用范围拓展到近海沿岸地区和甚低风速条件下。并在此基础上研究了蒸发波导水平非均匀性对雷达探测的影响,得到了水平非均匀蒸发波导能够改变均匀波导环境下雷达的探测距离及其盲区的分布。     

利用AMSR—E卫星数据反演蒸发波导高度的BP神经网络方法

主要结合P-J模式和全通道AMSR-E卫星数据,利用两种BP神经网络方法对热带海区蒸发波导高度进行了反演研究。(1)利用BP神经网络反演得到的气象参数通过P-J模式计算蒸发高度;(2)利用卫星AMSR-E数据直接反演蒸发波导高度。两种方法得到的与浮标实测参数计算得到的蒸发波导高度之间的相关系数相当,都为0.82左右,均方根差后者比前者小,分别为2.64m和1.89m。利用后一种网络直接反演了南海地区的蒸发波导高度,平均结果与其他文献结果基本一致。