熱帶海域內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)RSHMU模型分析*

謝凌霄 田 斌 王 石 劉亞杰 韓 凌

(1.南海艦隊司令部 湛江 524000)(2.海軍工程大學(xué)海洋電磁環(huán)境研究所 武漢 430033)(3.海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)(4.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部 武漢 430033)(5.第二炮兵指揮學(xué)院 武漢 430012)

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熱帶海域內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)RSHMU模型分析*

謝凌霄1田 斌2王 石3劉亞杰4韓 凌5

(1.南海艦隊司令部 湛江 524000)(2.海軍工程大學(xué)海洋電磁環(huán)境研究所 武漢 430033)(3.海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)(4.海軍工程大學(xué)訓(xùn)練部 武漢 430033)(5.第二炮兵指揮學(xué)院 武漢 430012)

RSHMU模型是俄羅斯研究人員提出的一種蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型,利用近幾年采集的熱帶海區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)據(jù),得出了RSHMU模型在熱帶海區(qū)的適用性結(jié)論,所得結(jié)果對進(jìn)一步了解RSHMU模型預(yù)測性能具有一定的指導(dǎo)意義。

蒸發(fā)波導(dǎo); RSHMU; 蒸發(fā)波導(dǎo)模型

Class Number TN911

1 引言

海洋上空被稱作蒸發(fā)波導(dǎo)的氣層,由于其具有對一定頻率電磁波強(qiáng)烈的“束縛”作用,從而使得電磁波的傳播效能發(fā)生顯著變化,因此受到國內(nèi)外電磁波領(lǐng)域研究人員的廣泛重視。出于實用性、準(zhǔn)確性等方面的考慮,人們提出使用蒸發(fā)波導(dǎo)模型來對蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行研究。從目前公開的文獻(xiàn)中可以獲悉,包括美國[1]、中國[2]在內(nèi)的許多國家都提出了各自的蒸發(fā)波導(dǎo)模型,較有影響的模型如PJ模型、偽折射率模型等[3～11]。俄羅斯國立氣象水文大學(xué)(原圣彼得堡氣象水文學(xué)院)的A.S.Gavrilov等學(xué)者結(jié)合自身的研究成果提出了一種被稱為RSHMU的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型,該模型自上世紀(jì)八十年代提出以來,主要在原蘇聯(lián)加盟共和國中使用。近期公開發(fā)表的文章中,來自烏克蘭國立科技大學(xué)無線電物理與電子學(xué)院的V.K.Ivanov,V.N.Shalyapin和Yu.V.Levadnyi利用在大西洋和印度洋部分海域的試驗數(shù)據(jù),將RSHMU模型與其它蒸發(fā)波導(dǎo)模型進(jìn)行了比較,使電磁波波導(dǎo)傳播的其他學(xué)者逐漸了解了這一模型的特性?？紤]到國內(nèi)外對RSHMU模型的研究,特別是其在熱帶海域內(nèi)的研究較少,因此本文利用在熱帶海域部分海區(qū)進(jìn)行的海上試驗中獲得的實測數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行分析,使讀者進(jìn)一步了解RSHMU模型的預(yù)測性能。

2 RSHMU模型基本原理

RSHMU蒸發(fā)波導(dǎo)模型求解蒸發(fā)波導(dǎo)特征量的思路不同于Jeske等模型,該模型首先通過一定的計算獲得修正折射率廓線,然后再獲取波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果。RSHMU蒸發(fā)波導(dǎo)模型具體實現(xiàn)方法與基于通量算法的蒸發(fā)波導(dǎo)模型相比,區(qū)別主要在于風(fēng)速、位溫的無量綱化梯度函數(shù)和穩(wěn)定度修正函數(shù)不同,因此文章參照A模型的求解思路來實現(xiàn)RSHMU模型,而模型中使用的無量綱化梯度函數(shù)和穩(wěn)定度修正函數(shù)則按A.S.Gavrilov等學(xué)者給出的計算式,具體的風(fēng)速、位溫的無量綱化梯度函數(shù)φu、φθ如下:

(1)

(2)

與之對應(yīng)的風(fēng)速、位溫的穩(wěn)定度修正函數(shù)分別為

(3)

(4)

式中,x1=(1-8ζ)1/3,y1=(1-35ζ)1/3。

3 RSHMU模型敏感性分析

3.1 氣海溫差、風(fēng)速、相對濕度的敏感性分析

本小節(jié)對RSHMU模型受輸入的氣海溫差、風(fēng)速、相對濕度的影響做出分析,選取海表溫度15℃,6m處的氣壓1031hPa,風(fēng)速分別取1m/s、7m/s,相對濕度以5%為間隔由50%變化到100%,氣溫分別取10℃、11℃、12℃、13℃、13.5℃、14℃、14.5℃、15℃、15.5℃、16℃、16.5℃、17℃、18℃、19℃、20℃,仿真的結(jié)果如圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果

圖1的結(jié)果顯示RSHMU模型計算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強(qiáng)度在氣海溫差小于零時會計算出結(jié)果,而在氣海溫差大于零時會得到“不合理”的結(jié)果。風(fēng)速對模型計算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度結(jié)果影響要比強(qiáng)度影響大,隨著風(fēng)速的增加,模型計算的波導(dǎo)高度結(jié)果會有所增大,而對強(qiáng)度結(jié)果來說,這種影響不太強(qiáng)烈。相對濕度同樣對模型計算的波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果產(chǎn)生影響,在同樣的氣海溫差和風(fēng)速條件下,較小的相對濕度對應(yīng)的結(jié)果要大。

3.2 氣壓敏感性分析

仿真條件為海表溫度25℃,6m處的風(fēng)速分別取4m/s,相對濕度為70%,氣溫分別取23℃、25.5℃,氣壓分別取1000hPa、1010hPa、1020hPa,RSHMU模型計算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果如表1、表2所示。

表1和表2中的數(shù)據(jù)表明RSHMU模型計算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果基本不受氣壓變化的影響。因此在實際應(yīng)用中,對參考高度處氣壓輸入數(shù)據(jù)的精度要求可以適當(dāng)降低或者當(dāng)真實氣壓結(jié)果無法獲取時,可類似Paulus-Jeske模型,直接使用1000hPa來代替計算蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強(qiáng)度結(jié)果。

表1 氣壓敏感性結(jié)果(蒸發(fā)波導(dǎo)高度)

表2 氣壓敏感性結(jié)果(蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度)

4 實測數(shù)據(jù)分析

為了檢驗RSHMU模型的實際預(yù)測效果,在熱帶海域部分海區(qū)進(jìn)行了相關(guān)波導(dǎo)測量試驗。實測蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)果與RSHMU模型計算波導(dǎo)結(jié)果比對采用均方根誤差Erms為標(biāo)準(zhǔn),其定義式為

(5)

式中,x,y分別為模型計算的波導(dǎo)結(jié)果和實測波導(dǎo)結(jié)果,n表示數(shù)據(jù)組數(shù),計算的結(jié)果如表3所示。

表3 試驗數(shù)據(jù)分析

表3中的數(shù)據(jù)顯示試驗海區(qū)內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強(qiáng)度對應(yīng)的均方根誤差均較大,特別是蒸發(fā)波導(dǎo)高度對應(yīng)的均方根誤差值,表明RSHMU模型在試驗海區(qū)預(yù)測的結(jié)果不太理想,因此需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正,從而使該模型能夠適應(yīng)熱帶海域氣象環(huán)境。

5 結(jié)語

本文在簡要介紹RSHMU模型基本原理的基礎(chǔ)上,通過計算機(jī)仿真分析了RSHMU模型受氣溫、海溫、相對濕度、風(fēng)速、氣壓等因素的影響,分析結(jié)果顯示除氣壓外,其余因素都在一定程度上影響著RSHMU模型計算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度和強(qiáng)度結(jié)果,因此在后續(xù)使用中要格外注意輸入的氣溫、海溫、相對濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù),采用高精度的傳感器會得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。同時,可以對氣壓傳感器的選擇適當(dāng)降低,在無法獲取氣壓值的情況下,可以采用1000hPa作為代替值來計算。通過在熱帶海域采集的數(shù)據(jù)分析了RSHMU模型的實際預(yù)測性能,結(jié)果顯示該模型實際的預(yù)測效果不太理想,特別是預(yù)測的蒸發(fā)波導(dǎo)高度存在較大偏差,因此在后續(xù)應(yīng)用中應(yīng)加以修正。

[1] 劉愛國,察豪,周沫.岸海交界處微波雷達(dá)超視距探測實驗研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2013,28(4):758-763.

[2] 田斌,察豪,李杰,等.PJ模型和偽折射率模型特性對比[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,37(9):29-32.

[3] 田斌,察豪,張玉生,等.蒸發(fā)波導(dǎo)A模型在我國海區(qū)的適應(yīng)性研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009,24(3):556-561.

[4] Musson-Genon L, Gauthier S, Bruth E. A simple method to determine evaporation duct height in the sea surface boundary layer[J]. Radio Science,1992,27(5):635-644.

[5] Babin S M, Young G S, Carton J A. A new model of the oceanic evaporation duct[J]. Journal of Applied Meteorology,1997,36:193-204.

[6] 劉成國.蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特性和傳播特性及其應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2003:33-34.

[7] Babin S M. A new model of the oceanic evaporation duct and its comparison with current models[D]. Maryland: PhD dissertation, University of Maryland,1996:63-78.

[8] Liu W T, Katsaros K B, Businger J A. Bulk Parameterization of Air-Sea Exchanges of Heat and Water Vapor Including the Molecular Constraints at the Interface[J]. Journal of the Atmospheric Sciences,1979,36:1722-1735.

[9] 李詩明,陳陟,喬然,等.海上蒸發(fā)波導(dǎo)模式研究進(jìn)展及面臨的問題[J].海洋預(yù)報,2005,22(增刊):128-139.

[10] 楊坤德,馬遠(yuǎn)良,史陽.西太平洋蒸發(fā)波導(dǎo)的時空統(tǒng)計規(guī)律研究[J].物理學(xué)報,2009,58(10):7339-7350.

[11] 焦林,張永剛.基于中尺度模式MM5下的海洋蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報研究[J].氣象學(xué)報,2009,67(3):382-387.

Study on Evaporation Duct RSHMU Model in Tropical Waters

XIE Lingxiao1TIAN Bin2WANG Shi3LIU Yajie4HAN Ling5

(1. The South China Sea Fleet Headquarters, Zhanjiang 524000) (2. Institute of Ocean Electromagnetic Environment, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (3. The Scientific Research Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (4. The Training Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (5. The Second Artillery Command College, Wuhan 430012)

An evaporation duct model called RSHMU was introduced by Russian researcher. The applicability of RSHMU model in tropical waters is studied by using actual evaporation duct data measured in the experiments during recent years. The conclusions offer some help for further understanding of RSHMU model.

evaporation duct, RSHMU, evaporation duct model

2015年3月2日,

2015年4月27日

毫米波國家重點實驗室開放基金(編號:K201510)資助。

謝凌霄,男,工程師,研究方向:電子探測裝置效能。田斌,男,副教授,研究方向:蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測。王石,男,講師,研究方向:雷達(dá)效能預(yù)測。劉亞杰,女,講師,研究方向:計算機(jī)仿真。韓凌,女,助理研究員,研究方向:非平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.023