激光在春季江淮氣旋降水中的衰減特性研究

陳凱諾，邵利民，魏海亮，戴仁威，艾 陽，穆 楊

（1.海軍航空兵學院，遼寧 葫蘆島 125100；2.海軍大連艦艇學院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018；3.中國人民解放軍92956部隊 旅順裝備技術(shù)保障大隊三中隊 ，遼寧 大連 116041；4.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺，浙江 舟山 316000；5.東海艦隊水文氣象中心 參謀部37分隊，浙江 寧波 315000）

激光在春季江淮氣旋降水中的衰減特性研究

陳凱諾1,2，邵利民2，魏海亮3，戴仁威4，艾 陽5，穆 楊1

（1.海軍航空兵學院，遼寧 葫蘆島 125100；2.海軍大連艦艇學院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018；3.中國人民解放軍92956部隊 旅順裝備技術(shù)保障大隊三中隊 ，遼寧 大連 116041；4.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺，浙江 舟山 316000；5.東海艦隊水文氣象中心 參謀部37分隊，浙江 寧波 315000）

在雨中艦載激光武器和激光雷達的工作效能受到制約。因此，研究激光在降水中的衰減特性對軍事行動具有重要的科學意義?；赪RF中尺度氣象研究模式，對2015年3月30日-4月2日的降水過程進行模擬分析，江淮氣旋由于倒槽鋒生產(chǎn)生，江蘇地區(qū)和朝鮮半島、日本等的降水過程就是高空西風急流與低空急流耦合的結(jié)果，與此同時還有700 hPa切變線的配合。在氣旋降水條件下，傳輸性能較好的10.6μm遠紅外波仍然受到衰減，在小雨的情況下 （降雨率為0.25 mm/h）探測距離可損失10%；在中雨的情況下（降雨率為2.7mm/h）探測距離為正常情況下的70%；而在大雨情況下（降雨率為6mm/h）探測距離僅為正常情況下的50%。

江淮氣旋；低空急流；倒槽鋒生；激光衰減系數(shù)；探測距離

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的應用也越來越廣泛，特別是在軍事通信領域有著廣闊的發(fā)展空間。各種特殊天氣的影響是制約無線光通信發(fā)展的重要因素，雨霧等天氣對激光信號傳輸?shù)乃p影響很大。李娣等[1]認為雨滴對激光信號的衰減主要取決于雨滴的尺寸分布、散射和吸收截面。研究表明，在可見光到遠紅外光區(qū)約10μm的波長范圍內(nèi)，雨滴引起的激光衰減與光波長的依賴關系不明顯。劉西川等[2]將雨滴的非球形效應考慮在內(nèi)，在雨滴的近似橢球模型、歸一化譜分布的基礎上，利用射線追蹤法計算群雨滴在可見光和近紅外波段的散射和衰減特性，討論分析雨滴譜分布和降雨強度對可見光和近紅外波段激光傳輸衰減的影響。Marshall和Palmer[3]提出了一種負指數(shù)分布模型即M-P分布。M-P譜分布適用于穩(wěn)定的層狀云降水，但是對強度較大降水擬合效果并不太好。郭婧等[4-5]以幾何光學散射理論為基礎，研究了降雨引起激光的后向散射特性并給出不同降雨條件下的后向散射系數(shù)，結(jié)合某型號激光定距系統(tǒng)計算了不同降雨條件和傳輸距離下的系統(tǒng)信噪比，分析了雨滴后向散射對系統(tǒng)信噪比的影響。汪亭玉[6]結(jié)合雨滴尺寸分布模型，建立了船舶大氣激光通信中雨滴遮擋作用的數(shù)理模型，對光在雨中的最大傳輸距離及其光強的衰減做了初步計算與實驗。結(jié)果證明，該衰減模型是合理的，理論模型基本符合實驗結(jié)果。該項研究為進一步探索船舶大氣激光通信系統(tǒng)的性能奠定了基礎。

Weibull分布是一種從雨滴形成過程中嚴格推導出來的雨滴譜，它能夠充分反映各種雨滴尺寸的分布情況[7]。數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同譜分布的群雨滴散射能力各不相同。激光衰減不僅受降雨強度的影響，也與雨滴的數(shù)密度有關，數(shù)密度越大，激光衰減越大；而形狀對群雨滴的影響較小。但是，前人都是在脫離大氣環(huán)流背景來研究激光在雨中的衰減，而降水往往都是由于鋒面氣旋、臺風等天氣系統(tǒng)造成的；因此本文利用1°×1°FNL氣象再分析資料和地面降水資料對2015年3月30日—4月2日的江淮氣旋的成因和環(huán)流形勢做簡要分析，而后基于WRF中尺度氣象研究模式對該氣旋降水過程進行模擬，通過Weibull雨滴尺寸分布模型得到激光在不同降水條件下的衰減特性（注：本文所說的時間均為北京時）。

1 天氣過程概況

2015年3 月31日，受江淮氣旋的影響，江蘇全省平均降水量較常年同期異常偏多8.7%，降水大值區(qū)域位于蘇南地區(qū)，其中徐州西部、長江中部和蘇南南部地區(qū)偏多1～2.6倍?？傮w來說，該次江淮氣旋的形成過程是倒槽鋒生氣旋（圖略），開始時，地面變性高壓東移入海后，由于高空南支鋒區(qū)上西南氣流將暖空氣向北輸送，地面減壓形成倒槽并東伸。這時在北支鋒區(qū)上有一小槽從西北移來，在地面上配合有一條冷鋒和鋒后冷高壓。而后，由于高空暖平流不斷增強，地面倒槽進一步發(fā)展并在槽中江淮地區(qū)有暖鋒生成，并形成了暖鋒。此時，西北小槽繼續(xù)東移，南北兩支鋒區(qū)在江淮流域逐漸接近。冷鋒及其后部高壓也向東南移動，向倒槽靠近。最后，高空南北鋒區(qū)疊加，小槽發(fā)展，地面上冷鋒進入倒槽與暖鋒接合，在高空槽前的正渦度平流下方，形成江淮氣旋。

2 江淮氣旋的發(fā)生發(fā)展機制

2.1 中高層環(huán)流形勢分析

2.1.1 200 hPa西風急流分析 2015年3月30日08時（圖1（a）），200 hPa西風急流中心位于45°N，急流橫跨15個緯度，南伸至35°N，氣旋的活動與行星鋒區(qū)密切相關：地面鋒線常常是極鋒行星鋒區(qū)在地面上的反映。氣旋的發(fā)生、發(fā)展一般都是在鋒區(qū)上進行的，其出現(xiàn)的最大頻數(shù)以及主要路徑和鋒區(qū)的平均位置基本一致。在高空急流的南側(cè)，強反氣旋式切變渦度造成的氣流輻散有利于地面氣旋的發(fā)展，在高空急流的北側(cè)，強氣旋式渦度有利于地面反氣旋發(fā)展[8]。剛好該急流軸的南側(cè)為江蘇省上空，配合著江淮氣旋的發(fā)生與加強。

2.1.2 500 hPa環(huán)流分析 本次天氣過程屬于兩脊一槽型形成的江淮氣旋（圖1(b)）。500 hPa圖上烏拉爾山附近為暖性高壓脊，中國沿海大陸也有一明顯的高壓脊，貝加爾湖、蒙古和中國北部地區(qū)為兩脊之間的大槽控制。南支小槽在偏西氣流的引導下向東移動，槽后為冷平流，槽前為暖平流，利于槽的發(fā)展，低空對應氣旋的加強。

2.2 低空環(huán)流形勢分析

氣旋剛開始發(fā)展時，700 hPa（圖1（c））同500 hPa高空一樣，也是兩脊一槽型，南支槽前輸送正渦度平流，使得槽得以發(fā)展，對應地面氣旋的發(fā)展。與此同時，850 hPa（圖1（d））上的南支小槽槽前為暖平流，槽后冷平流，等高線與等溫線有交角，說明槽線附近有斜壓不穩(wěn)定的趨勢。

圖1 2015年3月30日08時高低空環(huán)流形勢及物理量場分析

3 降水的發(fā)生機制分析

2015年4 月2日08時500 hPa上（圖2（a））該南支槽與東亞大槽合并，對應地面氣旋入海，由于非絕熱加熱作用，海洋釋放凝結(jié)潛熱，提供能量，使得氣旋得以發(fā)展，在江蘇南部、朝鮮半島和日本形成大范圍降水。700 hPa上以上地區(qū)位于槽前濕區(qū)（圖2（b）），而且有江淮切變線的配合，水汽在該切變線附近輻合，降水地區(qū)位于地面鋒線的北部、700 hPa切變線以南的地區(qū)。這是因為700 hPa切變線以南的偏南氣流一方面可以將南方的水汽不斷輸送過來，另一方面這股氣流沿著鋒面向上滑升，使水汽冷卻凝結(jié)成雨。而且該地區(qū)的強烈的垂直上升運動導致了江蘇一帶的強降水[9]。低空850 hPa有一支很強的西南急流（圖2（c）），我國與暴雨相聯(lián)系的西南風低空急流存在于副熱帶高壓西側(cè)或北側(cè)，低空急流多位于高空西風急流入口區(qū)的右側(cè)或南亞高壓東部脊線附近。低空急流的形成與維持跟高低空環(huán)流的耦合發(fā)展有關，是大氣環(huán)流演變的產(chǎn)物，同時與降水有密切的聯(lián)系。低空急流左側(cè)對應降水區(qū)，利于氣旋的發(fā)展；而且水汽通量很大，超過20×10-8g·cm-2hPa-1s-1，水汽通量散度為負值，低空水汽輻合，有垂直上升運動，使得降水過程得以持續(xù)。該次降水過程就是高空西風急流與低空急流的耦合的結(jié)果。

圖2 2015年4月2日08時高低空環(huán)流形勢及物理量場分析

綜上所述，擾動小槽、高低空急流為氣旋發(fā)展加強提供動力機制。西風槽和高空急流隨氣旋同步東移，使得氣旋在東移中不斷加強。氣旋南側(cè)的低空西南風急流以脈動形式向其南部輸送水汽和不穩(wěn)定能量[10]。

4 數(shù)值模擬分析激光在氣旋降水中的衰減特性

網(wǎng)格設置為子母網(wǎng)格比率為3，在水平方向上：粗網(wǎng)格的分辨率30 km，細網(wǎng)格的分辨率10 km，垂直方向分為44層，采用η坐標系，中心位置為38.63°N，122.90°E。微物理過程方案采用WSM3類簡單冰方案，輻射方案采用rrtm長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案。近地面層方案采用Monin-Obukhov方案，陸面過程方案采用熱量擴散方案，邊界層方案采用YSU方案，積云參數(shù)化方案采用淺對流Kain-Fritsch(new Eta)方案，初始邊界條件使用的是2015年3月30日08時—4月02日08時FNL再分析資料，積分時長為72 h。

與此同時，在選用擾動邊界層和陸面物理過程時(sf_sfclay_physics=1)考慮了地面熱量和水汽通量，輻射光學厚度中考慮了云的影響（僅當ra_sw_physics=1和ra_lw_physics=1時有效）。通過模擬和實測降水資料的對比相差不多，得出該參數(shù)化方案較為準確，模擬效果可信。

4.1 雨滴衰減系數(shù)的計算

雨滴對激光信號的衰減主要取決于雨滴的尺寸分布、散射和吸收截面。雨滴的尺寸分布是指不同降雨率，不同尺寸的雨滴在空間的分布狀況，也稱為雨滴譜。雨滴的大小及在空間中的分布都是隨機的，一般用雨滴尺寸分布函數(shù)N（D）來描述雨滴的尺寸分布情況，單位為m-3·mm-1，D表示雨滴直徑，單位為mm。

降雨引起的光波信號的衰減系數(shù)可由式（1）計算得到：

式中：Dmin，Dmax分別為雨滴的最小和最大直徑；N（D）d D為單位體積空氣中，雨滴直徑在D和D+ d D之間的個數(shù)，單位為m-3。Qe（x，m）為球形雨滴的總的衰減截面，它們都是粒子折射率和尺度參數(shù)的函數(shù)。因為雨滴的半徑在50μm～5mm之間，遠大于激光波長，根據(jù)Van de Hulst近似公式[11]，可認為衰減效率因子Qe（x，m）≈2。

雨滴尺寸分布函數(shù)N（D）利用Weibull分布，它的表達式為

式中：N0=1 000，η=0.95R0.14，σ=0.26R0.42，a=1。4.2 10.6μm激光在春季江淮氣旋降水中探測距離研究

對于不同的紅外武器系統(tǒng)，加上系統(tǒng)的修正因子K，同時考慮各種因素的影響，其作用距離一般可寫成式（3）的形式[12]：

式中：Jλ1-λ2為波段范圍λ1-λ2內(nèi)的輻射強度值；為波段范圍內(nèi)的大氣透過率；τ0為光學系統(tǒng)的光譜透過率；D*為敏感元件在波段區(qū)間內(nèi)的平均光譜探測度；ω為系統(tǒng)的瞬時視場；Δf為電路等效噪聲帶寬為系統(tǒng)的信噪比；K為系統(tǒng)的修正因子[13]；D0（NA）為光學系統(tǒng)的有效入射孔徑的面積；NEFD為噪聲等效通量密度。

由式（3）可知，當系統(tǒng)穩(wěn)定、目標參數(shù)一定時，紅外系統(tǒng)作用距離與大氣透過率有如下關系：

式中：K0為式（3）中各已知參數(shù)的計算值。

對于衰減率分布不均勻的降水區(qū)域，若已知降水衰減率的分布，便可利用式（4）求出探測距離。設a(d B/km)為降水衰減率，A(d B)為至距離d處的衰減度，則：

令：

由式（5）和式（6）可得：

則當Φ(d)=K0時，d=Dmax，為最大探測距離，即：

Φ(d)是一個單調(diào)增函數(shù)，在探測距離以內(nèi)，其值小于K0，即dDmax時，Φ(d)>K0。設某型紅外探測裝備晴天下對某特定目標的最大探測距離為14 km，測得此時大氣透過率為0.92，可估算出K0=14.596；K0的值也可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)由式（3）計算得到。本文由式（1）計算了2015年4月01日12時10.6μm紅外波在降水區(qū)域的衰減率分布，設定紅外探測器經(jīng)緯度，由式（8）和式（9）求得每個方向（間隔1度）的探測距離，得到紅外系統(tǒng)探測距離評估圖象，如圖3所示。

圖3中間的十字交叉點表示紅外探測器的位置，外圈表示在正常情況下的探測距離，內(nèi)圈表示在不同降水強度情況下各個方向的探測距離。由圖3可知，在氣旋降水條件下，傳輸性能較好的10.6μm遠紅外波仍然受到衰減，在小雨的情況下（圖3（a）,降雨率為0.25mm/h）探測距離可損失10%；在中雨的情況下（圖3（b），降雨率為2.7mm/h）探測距離為正常情況下的70%；而在大雨情況下（圖3（c），降雨率為6mm/h）探測距離僅為正常情況下的50%。圖3的探測距離評估圖象中也可以將中間的點設為目標，則圖3中的內(nèi)圈表示為對目標在各個方位的探測距離。

圖3 10.6μm紅外系統(tǒng)探測距離評估圖

5 結(jié)論

（1）該次江淮氣旋由于倒槽鋒生產(chǎn)生，江蘇地區(qū)和朝鮮半島、日本等的降水過程就是高空西風急流與低空急流的耦合的結(jié)果，與此同時還有700 hPa切變線的配合。700 hPa切變線以南的偏南氣流一方面可以將南方的水汽不斷輸送過來，另一方面這股氣流沿著鋒面向上滑升，使水汽冷卻凝結(jié)成雨。

（2）在氣旋降水條件下，傳輸性能較好的10.6 μm遠紅外波仍然受到衰減，在小雨的情況下（降雨率為0.25mm/h）探測距離可損失10%；在中雨的情況下（降雨率為2.7 mm/h）探測距離為正常情況下的70%；而在大雨情況下（降雨率為6mm/h）探測距離僅為正常情況下的50%。

[1]李娣,陳輝.激光大氣傳輸?shù)挠觎F衰減特性研究[J].電子設計工程,2011,09:1-5.

[2]劉西川,高太長,劉磊.基于非球形雨滴的降雨對激光傳輸衰減的影響[J].紅外與激光工程,2013,01:167-173.

[3]KimⅡ，McArthur B，Korevaar E.Comparison of Laser Beam Propagation at785 and 1550 nm in Fog and Haze for OpticalWireless Communications[J].OpticalWireless CommunicationsⅢ，2001（4214）：26-37.

[4]郭婧,張合,王曉鋒.雨滴對波長0.532μm激光光束的衰減特性[J].兵工學報,2011,07:878-883.

[5]郭婧,張合,趙學健.降雨對激光定距系統(tǒng)后向散射特性的影響[J].光子學報,2014,11:90-94.

[6]汪亭玉,陳家璧.雨滴在船舶大氣激光通信中的遮擋作用[J].光學精密工程,2014,10:2652-2658.

[7]馬春林,楊瑞科.激光衰減隨降雨率的變化關系[J].淮陰師范學院學報：自然科學版,2009,04:302-305.

[8]朱乾根，林錦瑞，壽紹文等.天氣學原理和方法（第四版）[M].北京:氣象出版社，2007.

[9]徐娟,周春雨,高天赤.梅雨鋒江淮氣旋發(fā)展機制及其與暴雨的關系[J].科技通報,2013,05:24-29+86.

[10]秦曾灝，李永平，黃立文.中國近海和西太平洋溫帶氣旋的氣候?qū)W研究[J]．海洋學報，2002（S1）：106-112．

[11]Van de HulstH C.LightScatteringby SmallParticles[M].New York：Dover Publications，1981.

[12]王威,李進杰,顧德均,高偉.紅外輻射的氣候環(huán)境傳輸特性分析[J].激光與紅外.2000,30(5):290-292.

[13]JAMilbrandt,M K Yau.A Multimoment Bulk Microphysics Parameterization.Part I:Analysis of the Role of the Spectral Parameter [J].Journalof the Atmosphere Sciences,2005,62(9):3051-3064.

Analysis on Laser Attenuation Characteristics in Spring Cyclonic Precipitation in the Yangtze and Huai River Basin

CHEN Kai-nuo1,2,SHAO Li-min2,WEIHai-liang3,DAIRen-wei4,AIYang5,MU Yang1
1.Department of Graduate Management,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 2.Department ofMilitary Oceanography,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 3.The 3rd Squadron of the Lvshun Equipment Technical Support Team,Troop 92956 of the PLA,Dalian 116041,Liaoning Province, China; 4.The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory,Zhoushan 316000,Zhejiang Province,China; 5.The 37th Team of the Staff,East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center,Ningbo 315000,Zhejiang Province,China

In the rain,the performance of shipboard laser weapons and laser radars is constrained.Therefore,it is of great scientific and military significance to study the characteristics of laser attenuation in the rain.Based on the WRF mesoscale meteorological model,this paper analyzes and simulates the process of precipitation from March 30 to April 2,2015.It is found that the Jiang-huai cyclone was generated from inverted trough.The process of precipitation across Jiangsu Province as well as the Korean Peninsula and Japan resulted from the coupling of high altitude westerly jet and low-altitude jet.At the same time,the shear line on 700 hPa also played a role in this event.Under cyclone precipitation conditions,10.6μm far-infrared laser with good transmission properties also weaken.Under the drizzle (rain rate is 0.25 mm/h),the loss of detection range can reach 10%.In the case ofmoderate rain (rain rate is 2.7 mm/h),the detection range is only 70%of the normal, and in the case of the heavy rain(rainfall rate of 6mm/h)the detection range is only 50%of the normal.

cyclone in the Yangtze and Huai River Basin;low altitude jet stream;trough frontogenesis;laser attenuation coefficient;detection range

P732

A

1003-2029（2017）01-0092-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.017

2016-04-06

陳凱諾（1991-），男，碩士研究生,主要從事海霧數(shù)值模擬和激光衰減特性研究。E-mail：837677852@qq.com