冬季南海北部近岸蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境分析

成印河 張玉生 趙振維 朱鳳芹

(1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院 陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；2.中國電波傳播研究所，山東 青島 266017)

引 言

在海洋大氣環(huán)境中，蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海水蒸發(fā)引起的濕度銳減而形成的一種近地層大氣結(jié)構(gòu)，是影響30 MHz 以上電磁波傳播的一種近海面反常大氣環(huán)境[1].海上蒸發(fā)波導(dǎo)的存在改變了電磁波傳播路徑和范圍，使通信、探測、導(dǎo)航等系統(tǒng)出現(xiàn)了一些特殊的傳播特征，如雷達(dá)出現(xiàn)超視距傳播[2]和探測盲區(qū)[3]，從而影響了雷達(dá)的探測性能.因此通信、探測、導(dǎo)航等現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)迫切需要海洋環(huán)境效應(yīng)技術(shù)的支撐，需要充分考慮蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境的影響.這就要求進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特性研究.

蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境的觀測有兩種方法，運(yùn)用微波折射率儀直接探測大氣折射率剖面[4]和利用探空氣球、定點(diǎn)多層傳感器等測量各個高度上的氣象參量間接地計算近海面大氣折射率剖面.在蒸發(fā)波導(dǎo)觀測的科學(xué)試驗(yàn)中最為常用的是間接測量方法[5-9]，通過測量各個高度上的溫度、濕度和大氣壓，然后計算大氣折射率，擬合其剖面.統(tǒng)計分析獲得的氣象水文廓線，研究利用宏觀的水文氣象要素開發(fā)蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模型，預(yù)測近海面大氣折射率廓線的應(yīng)用方法和系統(tǒng)，為評估和預(yù)測艦載雷達(dá)、岸基對海雷達(dá)提供環(huán)境支撐.由于出海觀測實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)非常有限，因此蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特征研究中一般結(jié)合某一蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模式進(jìn)行分析[9-15]，如2000年P(guān)aulus等[6]基于模式利用馬士頓方的海域劃分方法對海濱區(qū)域145和116海域的蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行了分析，指出年際蒸發(fā)波導(dǎo)高度分布及成因；2002年Kerans等[9]利用澳大利亞北部近岸梯度觀測浮標(biāo)上的氣象水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)波導(dǎo)高度，指出海濱蒸發(fā)波導(dǎo)高度在24小時日循環(huán)中變化很大；2005年藺發(fā)軍等[12]和2009年楊坤德等[13]基于蒸發(fā)波導(dǎo)模式對我國海域蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，指出蒸發(fā)波導(dǎo)高度具有季節(jié)變化、月變化以及空間分布的特征.

雖然蒸發(fā)波導(dǎo)的環(huán)境特性研究取得了一定的研究成果，然而我國南海有關(guān)蒸發(fā)波導(dǎo)的研究卻比較少，尤其是基于觀測的研究.2009年丁菊麗等[14]基于New模式和鐵塔資料分析了南海海區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律，指出冬季蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境出現(xiàn)概率為100%,由于受蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模式診斷準(zhǔn)確度制約，如2001年劉成國等[16]利用偽折射率模式預(yù)測與實(shí)測折射率儀觀測吻合率為52%，所以基于蒸發(fā)波導(dǎo)診斷模式統(tǒng)計規(guī)律需要進(jìn)一步驗(yàn)證和分析.本文針對南海近岸海域，利用鐵塔觀測氣象水文資料分析了南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境及其影響因素，為診斷和預(yù)報蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境提供理論依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用博賀海洋氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的海洋氣象觀測平臺中的大氣邊界層特征觀測塔梯度氣象觀測數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)具有多種時間分辨率，如10 min平均的，包括相對于平均海平面0 、10、13 m等高度上的溫度、相對濕度和風(fēng)速、風(fēng)向等信息，其中0 m為利用熱紅外測溫計獲得的海表面皮層溫度(surface skin temperature, SST).海表面皮層溫度能夠減少蒸發(fā)波導(dǎo)模型診斷計算中的誤差，有利于蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境的研究[17].該觀測塔，見圖1，位于廣東省茂名市博賀港南面約6 km的海床上，鐵塔總高度為53 m，所在海水平均深度為17 m，水面以上為30 m左右.該觀測平臺受陸地下墊面的影響較小，可獲取具有代表性的海氣邊界層近海海洋觀測數(shù)據(jù).

圖1 海洋大氣邊界層特征觀測塔

我國秋、冬季節(jié)蒸發(fā)波導(dǎo)觀測研究較少，因此，本文以2011年1月為代表的冬季10 min平均梯度氣象數(shù)據(jù)以及海面皮層溫度數(shù)據(jù)每30 min進(jìn)行了平均，消除湍流的影響，進(jìn)行南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境研究.

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

對于微波波段，不同高度的修正大氣折射率M采用以下公式進(jìn)行計算[10]

(1)

式中:P為大氣壓,hPa；e為水汽壓，hPa；T為大氣溫度, K；z為距離海面的平均高度，m.水汽壓計算采用Goff-Gratch飽和水汽壓公式為

lgE= 10.79574(1-T1/T)-5.02800lg(T/

T1)+1.50475×10-4(1-

10-8.2969(T/T1-1))+0.42873×

10-3(104.76955(1-T1/T)-1)+0.78614 .

(2)

式中：E為T氣溫(K)下的飽和水汽壓，Pa；T1為常數(shù)273.16，式中：那么空氣中實(shí)際水汽壓計算為

e=RH×E×10-4.

(3)

式中：RH為相對濕度，%；e為計算水汽壓，hPa.

南海海域的蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生高度一般在10 m左右，比較低，同時在電波傳播評估應(yīng)用系統(tǒng)中更注重大氣折射率廓線的梯度值即大氣折射率隨高度分布，如美國海軍應(yīng)用中心研發(fā)的個人電腦版工程折射效應(yīng)評估系統(tǒng)(Engineer’s Refractive Effects Predict System，EREPS)中利用兩層大氣折射率之差計算蒸發(fā)波導(dǎo)高度，其氣海大氣折射率之差大于零時，其蒸發(fā)波導(dǎo)高度為零，即不存在蒸發(fā)波導(dǎo)[11].因此利用兩層修正大氣折射率之差ΔM，可以判斷是否發(fā)生了蒸發(fā)波導(dǎo)；利用其垂直梯度值，大致可以判斷近海面大氣折射率廓線形狀.綜上所述，本文嘗試采用SST和鐵塔兩層(10 m和13 m)溫度、相對濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)計算修正大氣折射率，分析南海近岸蒸發(fā)環(huán)境研究.10 m與海面折射率之差被稱為第一層折射率之差，13 m和10 m層的大氣折射率之差被稱為第二層折射率之差(下同).

2 南海北部近岸蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境

2.1 蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率分析

2011年1月份每10 min采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)中，每30 min取平均，共得1 242組數(shù)據(jù).除了1月25日前幾天數(shù)據(jù)缺測外，大部分觀測是連續(xù)的.第一層和第二層修正大氣折射率差隨時間變化見圖2.

圖2 2011年1月第一層和第二層修正大氣折射率之差時間序列

從圖2中可知 ，2011年冬季第一層大氣折射率差值變化非常劇烈，從-38～9 M units之間變化，大部分折射率之差在-38～0 M units之間，而少量在0～9 M units之間，此時可以說明南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率是很高的；而第二層大氣折射率之差分布在-2～0 M units之間，隨時間變化緩慢，在1月中旬之前，其差值接近于0，而后接近于-1 M units.從兩層大氣折射率之差中大致可推測近海面大氣折射率廓線形狀，特別是兩層折射率之差的變化說明蒸發(fā)波導(dǎo)高度是隨時間變化的，但是整個冬季變化不大，在13 m左右，這與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)果是一致的.如果僅考慮傳感器誤差對大氣折射率計算的影響，第一層修正折射率之差小于-1 M units的數(shù)據(jù)點(diǎn)為1 163個，其南海近岸發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)的概率為94%，平均修正折射率梯度為-1.56 M units/m.如果考慮大氣折射率對電磁波傳播的影響，修正大氣折射率梯度絕對值在0.5 M units/m時，南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生波導(dǎo)數(shù)據(jù)點(diǎn)為1 060個，其發(fā)生概率為85%，平均折射率梯度為-1.67 M units/m.對于第一層大氣折射率之差是正值，而第二層是負(fù)值的情況，此時大氣折射率廓線形狀比較復(fù)雜，近海面有可能發(fā)生了有基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)，本文不再進(jìn)行深入討論.

2.2 蒸發(fā)波導(dǎo)變化分析

由圖2可知，整個1月份發(fā)生的蒸發(fā)波導(dǎo)是連續(xù)變化的，呈現(xiàn)二個‘W’狀分布，不過在時間分布上不是軸對稱的，如2011年1月份，第一個‘W’狀，前一個‘V’狀持續(xù)約10 d，后半部‘V’持續(xù)約5 d，第二個恰好相反.這種分布與大的天氣系統(tǒng)是緊密聯(lián)系在一起的，后面還要進(jìn)一步分析.整個冬季分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，還疊加著好多‘W’狀，此時對應(yīng)著蒸發(fā)波導(dǎo)日變化.此時蒸發(fā)波導(dǎo)變化還是很有規(guī)律的，見圖2中選擇數(shù)據(jù)連續(xù)的1月25日至2月3日的時間段.顯然，雖然蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化較小，但是其蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度變化較大，其中12～14時最大，最大達(dá)35 M units，其梯度達(dá)到了-2.70 M units/m，而深夜發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度最小，甚至沒有發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo).

為了詳細(xì)分析蒸發(fā)波導(dǎo)日變化，本文將1月份數(shù)據(jù)分成12組，從0時到24時每2 h間隔為一組，具體變化見圖3.

從圖3中可知，冬季南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)一日24 h的變化趨勢，蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率(平均梯度小于-0.5 M units/m)從深夜的70%多到接近中午95%以上逐漸變大.晝夜發(fā)生概率相差較大，白天8-16時蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率較高，90%以上，而夜里發(fā)生較低在80%左右.蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度變化更是明顯，呈現(xiàn)‘V’字型，中午前后達(dá)最強(qiáng)達(dá)19 M units，深夜最低在14 M units左右.夜間蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度變化較小，白天變化較大，由上午16 M units逐漸變化到中午19 M units，下午又逐漸回落到15 M units. 蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度和發(fā)生概率呈正相關(guān)趨勢.

3 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)分析

為了選擇冬季氣象要素對蒸發(fā)波導(dǎo)影響的貢獻(xiàn)，對式(3)求導(dǎo)數(shù)，

(4)

代入冬季1月份的平均氣溫14 ℃、水汽壓15.5 hPa和大氣壓1 015 hPa，式(4)變?yōu)?/p>

(5)

由式(5)可知，影響冬季南海近岸修正折射率梯度從大到小依次是水汽壓、溫度、大氣壓.因此，本文主要分析氣溫和水汽壓對蒸發(fā)波導(dǎo)的影響，并與之關(guān)系密切的南海近岸的風(fēng)場[18].

3.1 南海北部近岸溫度變化

氣海溫差在蒸發(fā)波導(dǎo)模式計算中是很重要的一個物理量，然而對于特定海域取決于本地的氣溫和海表面皮層溫度.圖4給出的南海北部近岸10 m氣溫、海面皮層溫度及氣海溫差情況.從圖4中可知，南海北部近岸氣溫和海溫是正相關(guān)的，具有同步的變化狀態(tài).海溫在14 ℃左右隨時間震蕩，氣溫在13 ℃左右震蕩，氣溫比海溫震蕩振幅較大，這是由于大氣熱容比海洋小的緣故.同時誘發(fā)其氣海溫差隨時間的震蕩，但平衡位置是不同的，1月份上旬圍繞-2 ℃震蕩，振幅為2 ℃，中后旬圍繞-1 ℃左右以約1 ℃振幅在震蕩.在發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)的85%的數(shù)據(jù)中，80%氣海溫差小于0 ℃，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，僅有20%的處于穩(wěn)定狀態(tài).調(diào)研發(fā)生波導(dǎo)時間，穩(wěn)定狀態(tài)大部分發(fā)生在16-22時，位于下午和晚上的時間居多.

3.2 南海北部近岸水汽壓變化

在蒸發(fā)波導(dǎo)模式研究和環(huán)境特性研究中，直接用相對濕度來進(jìn)行討論濕度的影響，然而水汽壓在計算中通常是氣溫和相對濕度的函數(shù)，更精確計算還需考慮大氣壓的影響，見公式(2)和(3).因此，本文直接用水汽壓討論蒸發(fā)波導(dǎo)的影響，其中也包含了溫度的影響，如本文中1月份10 m的水汽壓與氣溫、相對濕度相關(guān)系數(shù)分別為0.743和0.856，很好地說明了此問題.從冬季1月份的數(shù)據(jù)中，可知10 m相對濕度的變化非常劇烈，從36%～84%變化，然而轉(zhuǎn)化為水汽壓后，隨時間變化如圖5.

圖4 2011年1月SST、10 m高度處氣溫及氣海溫差時間序列

圖5 2011年1月海面水汽壓、10 m水汽壓及水汽壓差時間序列

由圖5可知，海面水汽壓隨時間變化與海面皮層溫度是一致的，具有日變化，在16 hPa附近震蕩，10 m水汽壓在10 hPa附近震蕩.其氣海水汽壓差在-6 hPa附近震蕩.在發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù)中，其水汽壓差絕大部分小于-5 hPa.這樣充分說明了水汽減少形成蒸發(fā)波導(dǎo)的直接原因.然而水汽壓的這種變化與局地風(fēng)場密切相關(guān)的.

3.3 南海北部近岸風(fēng)場的變化

由文獻(xiàn)[18]可知風(fēng)場是影響近岸蒸發(fā)波導(dǎo)海洋環(huán)境的重要因素，因?yàn)轱L(fēng)場變化可以帶來氣溫和濕度的變化.由此對南海北部近岸冬季1月份風(fēng)矢量隨時間的變化進(jìn)行了分析，見圖6(每隔4個數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣作圖).

圖6 2011年1月10 m風(fēng)矢量時間序列(黑點(diǎn)表示發(fā)生了蒸發(fā)波導(dǎo))

從圖6中可知，南海北部站點(diǎn)附近冬季盛行偏北風(fēng)，風(fēng)速大部分集中在6 m/s的，少量超過并達(dá)到10 m/s.雖然冬季1月份站點(diǎn)附近盛行偏北風(fēng)，但是也會有部分時間轉(zhuǎn)化為東北風(fēng)、或者偏東風(fēng)、甚至進(jìn)行180的方向轉(zhuǎn)換，成為偏南風(fēng).這種風(fēng)向的轉(zhuǎn)換對水汽影響非常明顯，相對濕度由80%降低為50%，甚至更低(圖略)，氣海溫差由小于零變?yōu)榇笥诹悖髿庥刹环€(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).氣海水汽壓差上絕對值接近5 hPa，甚至更小，此時不易發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)，或者發(fā)生弱的蒸發(fā)波導(dǎo)，修正折射率之差絕對值較小，如1月14日前后，1月20日，1月28日前后，以及2月份幾日.這是因?yàn)閺哪虾Ｄ喜?、東部或東北部(此時風(fēng)向與海岸線平行)低層氣流經(jīng)過海洋加熱濕潤，形成較高溫度和濕度，使近海面混合均勻，不易發(fā)生波導(dǎo)，發(fā)生較弱的蒸發(fā)波導(dǎo)；而偏北風(fēng)從大陸流入的氣流，低溫干燥，濕度較低，使近海面容易形成較大的溫度和濕度梯度，誘發(fā)較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo).南海北部蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境日變化是在偏北風(fēng)氣流背景下，主要由白天太陽短波輻射和夜間長波輻射交替加熱引起的.

4 結(jié) 論

利用2011冬季1月份南海近岸鐵塔氣象梯度數(shù)據(jù)和海面皮層溫度數(shù)據(jù)，對我國南海近岸蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境進(jìn)行了應(yīng)用，初步得到了以下結(jié)論.

冬季我國南海近岸不低于10 m蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率為85%以上，平均折射率梯度為-1.7 M units/m；雖然蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化不大，與文獻(xiàn)[14]結(jié)果一致，但是蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度較大.同時南海北部近岸蒸發(fā)波導(dǎo)特征日變化特征明顯，中午前后發(fā)生概率較高95%以上，平均折射率梯度為-2.0 M units/m，深夜發(fā)生概率較小80%左右，折射率梯度為-1.5 M units/m.

在影響我國南海近岸的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境因素中，冬季盛行的6 m/s偏北風(fēng)是誘發(fā)、維持蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特性的主要原因；風(fēng)向的轉(zhuǎn)變與蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特征量變化密切相關(guān)，冬季的偏南風(fēng)降低了氣海溫差、水汽壓，降低了蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率，減弱了其強(qiáng)度.在盛行偏北風(fēng)氣流背景下，白天太陽短波和夜間海洋長波輻射交替加熱近海面大氣也會引起蒸發(fā)波導(dǎo)特征的晝夜變化.

致謝非常感謝中國氣象科學(xué)院熱帶氣象研究所黃建研究員指導(dǎo)和提供數(shù)據(jù).

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