海上低空大气波导的遥感反演及数值模拟研究

由于电磁波传播技术的广泛应用，大气环境成为电磁波传播研究的一个重要领域，尤其是天气变化多端的对流层。对流层大气波导是对流层大气的一种异常结构。大气波导可以使通信电路的相互干扰问题变得复杂，既可能干扰其他系统,又可能形成另外的系统，可以使探测系统产生超视距探测、雷达盲区等反常传播问题。然而通信系统或雷达探测系统遭受大气波导影响的时机具有很大的偶然性，它完全取决于对流层大气的特点。假如能够掌握大气波导的变化规律，准确而及时地预测、预报其出现的时间和地域，结合频率、射线波束、天线仰角和发生功率的选择，就能更好地发挥探测及通信设备的作用。因此，根据实际大气环境，分析、预测和预报大气波导，对于评估大气环境对电磁波传播和探测系统性能具有重要的理论意义和实际价值，尤其是在军事领域。然而在海洋大气环境中，特别是在广阔的海洋上，传统的海洋测量手段，如浮标、船只，获取的海洋水文数据稀少，探空数据更少，无法满足现代海洋大气环境监测所需的大范围观测信息，即使获取数据也很难保证数据点时间和空间的有效性；同时海洋大气边界层日变化缓慢，发生的大气波导持续时间长，比较稳定，对于海上舰船通讯等急需开展大气波导环境区域研究。我国是海洋大国，海岸线狭长，更需要开展沿海区域及近海对流层大气波导研究，特别是边界层内低空大气波导环境预测、预报研究。 目前国内大气波导的研究大多数情况下只注重单站波导发生情况，其代表的时空有效性是有限的，而在实际应用中，人们更加关注波导存在区域，因为波导区域决定了电磁波传输范围。本文针对我国近海区域大气波导不同的形成机理和类型，分别进行了研究。对于蒸发波导，本文利用卫星遥感获取海水表面温度、海面风场、气温、相对湿度等资料，建立卫星遥感资料与蒸发波导高度之间的诊断模式，研究大气波导反演算法和预测模型，首次分析了蒸发波导高度的空间不均匀性。对于低空表面波导和悬空波导，利用中尺度数值模式MM5对大气波导进行了系统的研究，填补了国内中尺度大气波导数值模拟研究的空白，同时选取典型的天气过程，进行了中尺度数值模拟个例研究，分析了大气波导形成机理。 本文主要工作如下： 一、结合P-J模式，利用AMSR-E卫星数据用两种神经网络方法反演了热带海域的蒸发波导高度，并进行了比较，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2.64米和1.89米。神经网络直接反演蒸发波导高度方法要优于间接反演蒸发波导高度的方法。利用AMSR-E卫星数据直接反演了南海海域的蒸发波导高度，可以清楚看出蒸发波导高度的空间分布的不均匀性，为研究蒸发波导的环境特性奠定基础。 二、以2005年6月2日出现在黄海海域的大气波导为例，设计了三种数值试验，利用MM5模式对大气波导进行了24h数值模拟研究，包括是否加入常规探空资料进行格点分析同化，垂直分层的多寡，粗、细网格模拟比较分析。通过研究得到了以下结论：（1）利用常规资料进行格点同化对海上大气波导影响较小，对陆地影响较大；（2）垂直分层对大气波导特征参数影响明显，层数较多描述大气波导比较合适；（3）对于海上大气波导，细网格刻画大气波导特征参数比较细致，但粗网格的模拟已经足够进行大气波导分析。 三、以NCEP再分析资料为背景场,利用MM5模式，对2005年6月2日至4日出现在黄海海域的大气波导和2008年5月10日12时到11日12时由‘威玛逊’台风引起的大气波导分别进行了数值模拟研究。通过研究发现：模拟的修正折射率廓线与探空数据得到的廓线基本吻合，但是模拟的较强波导强度和高度普遍比实测的要小得多；同时给出了大气波导参数的演变过程，分析了两次大气波导形成的天气过程，说明了模拟的大气波导区域是可靠的和可信的； MM5模式能够模拟出特定天气条件下低空较强大气波导三维空间变化过程，可以为定量地描述大气波导特征提供理论和试验依据。