海上蒸发波导的预测方法综述

综述了海上蒸发波导的预测方法,根据预测方法的原理及实现方法不同,将已有的蒸发波导预测方法归纳为基于气象水文要素数据的预报方法、基于气象卫星数据的反演计算方法、基于雷达数据的反演计算方法和中尺度模式同化方法等四大类。对每个类中的主要方法的基本原理及优缺点进行了具体分析和总结,最后给出了蒸发波导预测方法中存在的问题及研究进展情况,对未来研究方向及趋势进行了预计。     

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.     

中国近海蒸发波导区划研究

蒸发波导是发生在海洋近地层中的一种异常折射现象,它能够改变电磁波的正常传播特性,对雷达、通信等电子设备性能产生重要的影响。利用被动式大气波导探测系统监测数据和国家海洋信息中心同化的0.25°×0.25°格点数据,对中国近海的蒸发波导进行了统计分析,结合蒸发波导对雷达的影响,对中国近海的蒸发波导进行了区域区划,形成了中国近海蒸发波导四级分布,以及雷达可利用波导范围的区划,为指导部队训练过程中利用蒸发波导环境提供了数据支持。     

基于思维进化算法优化的BP神经网络对蒸发波导高度的预测

预先掌握海上的波导高度参数对海上作战有重要意义，然而准确探测或预测波导参数十分困难。本文使用南海铁塔波导探测平台的实测数据与ERA-Interim公开数据集，提取所需相关的水文气象要素的点数据，利用NPS模型计算波导高度值，组建数据集；之后使用MEA优化的BP神经网络模型预测波导高度值。优化后的BP神经网络可避免陷入局部极小值点，预测结果有较高的准确率，且MEA在求最优个体时有比较快的收敛速度，为水平均匀的蒸发波导高度预测提供了一种方法。     

海上蒸发波导模式研究进展及面临的问题

对流层中电磁波的反常传播可以导致错误的气象雷达测量,海洋上最常出现的反常传播现象是蒸发波导.本文重点介绍了迄今为止有重要影响的3个蒸发波导模式,美国的PJ模式、欧洲的MGB模式和最近发展的Babin模式.所有蒸发波导模式都是以莫宁-奥布霍夫(Monin-Obukhov)相似理论为基础,但是这些模式在相似理论应用上显著不同.通过相同条件下的对比实验表明,Babin模式使用了最近精确的整体相似表达式,并采用了小风速相似理论拓展技术和湿度的盐度订正技术,结果优于PJ模式和MGB模式.     

利用卫星数据反演海洋蒸发波导的研究

海洋蒸发波导是海洋大气中的一种异常折射结构,通常是由观测站点的传感器数据计算得出。但这种方法只能得到单点的海洋蒸发波导,无法满足我们对大范围海域的海洋信息需求。文中提出了一种利用卫星遥感数据反演海洋蒸发波导的方法,并利用观测站点的数据对反演结果进行订正,从而得到了完整的大面积海区蒸发波导环境。     

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.     

利用WRF模式对海上蒸发波导的数值模拟研究

以WRF中尺度模式为基础,耦合Babin蒸发波导模式,建立了一种海洋蒸发波导预报模式,对南海2010年3月26日至28日的蒸发波导高度进行48h的数值模拟。通过与NCEP再分析资料FNL数据计算得出的蒸发波导高度对比分析发现,WRF模拟结果与FNL计算结果拟合的较好,并且变化规律基本一致,该模式可以用来预报海上蒸发波导。     

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.     

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。     

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。     

由海面蒸发波导预报平流海雾的方法

在实际工作中发现：当雷达探测到海面存在蒸发波导现象时,该区域傍晚或次日出现平流海雾的概率很大,反之,当海面出现平流雾时,海面存在蒸发波导的概率也很大。本文试图阐明二者之间的关系,进而提出一种预报平流海雾的新方法。     

海气通量算法在海上蒸发波导诊断中的应用

利用TOGA COARE Bulk Air-Sea Flux Algorithm3.0,建立了基于通量算法的蒸发波导模型(Flux Evaporation duct Model),并进行了环境敏感性分析,而且与Paulus-Jeske模型对比,进行误差敏感性分析,并开展了雷达探测评估的海上试验,较全面的阐述了基于通量算法的蒸发波导模型的性能。     

Babin模式特征分析及应用

讨论了气象条件对Babin模式的影响,对比分析了Babin模式模拟结果与典型的P—J模式模拟结果,前者一般小于后者;还计算了南海海区的蒸发波导高度,平均结果与现有文献上的此海区统计结果基本一致,这为Babin模式用于研究蒸发波导气候变化提供了基础。     

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。     

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。     

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。     

世界海洋蒸发波导时空统计规律研究

The statistical features of the evaporation duct over the global ocean were comprehensively investigated with reanalysis data sets from the National Centers for Environmental Prediction.These data sets have time and spatial resolutions of 1 h and 0.313°×0.312°,respectively.The efficiency of the analysis was evaluated by processing weather buoy data from the Pacific Ocean and measuring propagation loss in the Yellow Sea of China.The distribution features of evaporation duct height(EDH) and the related meteorological factors for different seas were analyzed.The global EDH is generally high and demonstrates a latitudinal distribution for oceans at low latitudes.The average EDH is approximately 11 m over oceans beside the equator with a latitude of less than 20°.The reasons for the formation of the global EDH features were also analyzed for different sea areas.     

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。     

蒸发波导条件下风速风向对电磁波传播的影响

海洋蒸发波导是重要的军事敏感要素,严重影响着海上电磁波的传播。风向、风速是决定蒸发波导强弱的重要因素,为精确模拟蒸发波导条件下的电磁波传播,准确评估预报雷达、通信等电子设备的性能,文中利用抛物线方程模型,结合粗糙度参数和蒸发波导条件下大气修正折射指数廓线模型来求解电磁波波动方程,基于电磁波传播的数值模拟结果,重点研究蒸发波导条件下风速和风向对电磁波传播的影响。并得到如下结论:在同一传播距离处,风速越大,海面粗糙度越大,海面电磁波传播损耗就越大;当电磁波传播方向与风向夹角为0°时,其传播路径损耗远远大于在45°或90°条件下,即顺风条件下电磁波传播损耗大于侧风。