一次大氣波導(dǎo)過程天氣雷達(dá)超視距海面回波分析

章晗 王紅光 李建儒

（1. 中國人民解放軍92493 部隊中心氣象臺，葫蘆島 125000；2. 中國電波傳播研究所，青島 266107）

引 言

在對流層大氣環(huán)境中，經(jīng)常出現(xiàn)大氣波導(dǎo)層結(jié)，能夠使超短波、微波波段形成反常的超視距傳播現(xiàn)象，對雷達(dá)、通信、電子對抗等裝備具有重要影響[1-3].大氣波導(dǎo)能夠使無線電裝備形成超視距能力，加上其對電磁波的陷獲作用，導(dǎo)致大氣波導(dǎo)頂部形成頂部盲區(qū)，文獻(xiàn)[4]針對艦載雷達(dá)盲區(qū)進(jìn)行了評估，并給出補(bǔ)盲措施. 文獻(xiàn)[5-6] 討論了大氣波導(dǎo)對5G 通信TD-LTE 系統(tǒng)的干擾影響. 評估大氣波導(dǎo)的影響，需要獲得大氣波導(dǎo)環(huán)境數(shù)據(jù). 在大氣波導(dǎo)環(huán)境統(tǒng)計分析方面，文獻(xiàn)[7-8]給出了南海海區(qū)的大氣波導(dǎo)統(tǒng)計特征；文獻(xiàn)[9]基于COSMIC 資料對海上懸空波導(dǎo)的發(fā)生概率、高度、強(qiáng)度的全球時空特征進(jìn)行了統(tǒng)計與分析. 不同環(huán)境下獲取與分析大氣波導(dǎo)的方式往往有所不同，文獻(xiàn)[10]給出了環(huán)渤海的大氣波導(dǎo)測試和試驗方法；文獻(xiàn)[11-12]針對超強(qiáng)臺風(fēng)環(huán)境以及海霧環(huán)境下的大氣波導(dǎo)成因進(jìn)行了討論分析，并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[13-14]針對對海雷達(dá)海雜波反演大氣波導(dǎo)進(jìn)行了相關(guān)討論. 多普勒天氣雷達(dá)是對強(qiáng)對流天氣進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警的主要工具之一，可獲得以測站為中心的幾百千米范圍內(nèi)的降水、風(fēng)場等信息. 文獻(xiàn)[15]討論了北京地區(qū)暴雪天氣的雷達(dá)回波特征. 大氣波導(dǎo)造成的超視距地物回波對氣象反射率因子污染嚴(yán)重，會形成成片的雜斑點，嚴(yán)重干擾對降水的定量觀測. 由于沿海地區(qū)經(jīng)常發(fā)生大氣波導(dǎo)，超視距地物回波的影響更是難以忽略.

存在大氣波導(dǎo)環(huán)境時，天氣雷達(dá)低仰角觀測有可能接收到超視距的海面后向散射信號，形成反常的超視距海面回波[16]. 天氣雷達(dá)超視距回波一方面影響雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量，會造成對回波類型和發(fā)展趨勢的錯誤判斷，需要識別和抑制反?；夭╗17-19]；另一方面，這些海面回波中攜帶了傳播環(huán)境的信息，可用來反演獲得大氣環(huán)境參數(shù)[20-23]. 雖然國內(nèi)外開展了大量的海雜波反演大氣波導(dǎo)研究，但是這些研究大多數(shù)是基于一次大氣波導(dǎo)試驗期間的X 波段雷達(dá)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量較少，甚至不足以分析一次完整的大氣波導(dǎo)生消過程對雷達(dá)回波的影響. 同時，雷達(dá)實測超視距海面回波數(shù)據(jù)長期以來一直較為稀缺. 然而，目前也有大量業(yè)務(wù)化運行的天氣雷達(dá)，它們?nèi)旌颢@取著高時間分辨率的氣象和地物回波，但這些地物回波數(shù)據(jù)還未得到一定的研究利用.

本文利用實測的青島站探空數(shù)據(jù)和多普勒天氣雷達(dá)觀測資料，對一次大氣波導(dǎo)過程雷達(dá)反常海面回波情況進(jìn)行了分析，并根據(jù)實測回波數(shù)據(jù)反演了大氣波導(dǎo)剖面. 其研究結(jié)果對于認(rèn)識大氣波導(dǎo)對雷達(dá)海面回波的影響，以及基于海面回波反演大氣波導(dǎo)環(huán)境等具有重要的參考意義.

1 超視距海面回波形成條件

對于微波波段，對流層大氣折射率N與溫度、氣壓和水汽壓的關(guān)系為[24]

根據(jù)大氣修正折射率的垂直梯度可將大氣折射類型分為4 種：次折射、正常折射、超折射和大氣波導(dǎo)，具體如表1 所示. 其中，如果大氣修正折射率垂直梯度小于零，表明存在大氣波導(dǎo).

表1 大氣折射類型Tab. 1 Atmospheric refraction type

海上大氣波導(dǎo)一般可分為蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo). 其中，當(dāng)發(fā)生蒸發(fā)波導(dǎo)或表面波導(dǎo)，特別是表面波導(dǎo)，并滿足一定的頻率和仰角情況下，電磁波被陷獲于貼近海面的大氣層結(jié)內(nèi)，雷達(dá)有可能接收到超視距的海面回波.

2 反常海面回波分析

本文采用青島市天氣雷達(dá)實測數(shù)據(jù)，雷達(dá)為S 波段，周邊地理高程信息如圖1 所示. 雷達(dá)位于圖1中心位置，圖中所示與雷達(dá)觀測半徑一致，為230 km.從圖1 可以看出，雷達(dá)的東南向為開闊海域，不存在氣象回波情況下，該方向低仰角的雷達(dá)回波來自于海面的后向散射.青島站氣象探空數(shù)據(jù)表明：2014 年7 月18 日出現(xiàn)了一次表面波導(dǎo)，8 時、20 時及7 月19 日8 時的大氣修正折射率剖面如圖2 所示. 青島探空站海拔高度為77 m. 從圖2 可見：7 月18 日8 時存在高度約700 m 的懸空波導(dǎo)和高度不超過100 m 的表面波導(dǎo)；7 月18 日20 時形成高度超過200 m 的表面波導(dǎo)；7 月19 日表面波導(dǎo)消失.

圖1 雷達(dá)覆蓋區(qū)域地理高程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the geographic elevation of theradar coverage area

圖2 大氣修正折射率剖面(2014 年7 月18 日至7 月19 日)Fig. 2 Modified refractive index profile (Jul. 18—Jul. 19,2014)

7 月18 日20 時雷達(dá)基本反射率數(shù)據(jù)如圖3 所示，圖中方位是75°～180°的海面方向，量程為230 km，其中方位以正北為基準(zhǔn). 20 時在方位110°，雷達(dá)可接收到距離最大為166 km 處的回波，其他方位回波最大距離也幾乎都大于100 km，如圖3(a)所示. 根據(jù)該時刻存在表面波導(dǎo)以及抬高雷達(dá)波束時遠(yuǎn)距離回波消失的現(xiàn)象(如圖3(b))，可以判斷圖3(a)中遠(yuǎn)距離回波主要為反常的超視距海面回波. 正常大氣情況下，該雷達(dá)天線海拔高度為169 m，雷達(dá)視距僅約為55 km.

7 月18 日8 時至7 月19 日8 時的24 h 內(nèi)，雷達(dá)最低工作仰角(0.48°)的回波變化如圖3(a)和圖4 所示，圖中時間間隔為4 h. 其中，7 月18 日20 時雷達(dá)回波見圖3(a).

圖3 基本反射率(2014 年7 月18 日20 時)Fig. 3 Basic reflectivity (at 20:00 on Jul. 18, 2014)

結(jié)合圖4 和圖3(a)可以看出此次反常傳播過程總的趨勢是從弱到強(qiáng)，直至消失，反常傳播過程與圖2所示的修正折射率剖面變化過程基本一致；雷達(dá)反常回波出現(xiàn)過由強(qiáng)變?nèi)?，又變?qiáng)地反復(fù)，如圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)所示；同一時刻雷達(dá)回波會存在顯著的方位不均勻性，如圖4(c)或圖4(d)所示；有時海面回波會與氣象回波混疊在一起，如圖4(a)所示.

圖4 雷達(dá)海面回波24 h (2014 年7 月18 日8 時至19 日8 時)內(nèi)變化(仰角0.48°)Fig. 4 Radar sea echo changes within 24 hours from 8:00 on Jul. 18 to 8:00 on Jul. 19, 2014(Elevation angle=0.48°)

從此次大氣波導(dǎo)過程可見，雷達(dá)反常海面回波空間分布和時間變化復(fù)雜，受到大氣折射率三維分布及其隨時間變化的影響. 由于天氣雷達(dá)探測具有較高的時間和空間分辨率，因此，利用雷達(dá)海面回波可反演獲得較高時間分辨率，以及在方位和距離向可獲得不均勻的大氣折射率剖面.

3 海面反?；夭ǚ囱荽髿獠▽?dǎo)

當(dāng)前存在利用大氣波導(dǎo)環(huán)境模擬海面反常回波的模型，而大氣波導(dǎo)的雷達(dá)海面回波反演實質(zhì)上就是基于該模型，通過多次模擬海面回波數(shù)據(jù)，與雷達(dá)實測數(shù)據(jù)對比匹配的過程，匹配性能最好時對應(yīng)的大氣波導(dǎo)參數(shù)剖面即為反演結(jié)果. 采用的反演步驟如下：

1) 對實測多普勒天氣雷達(dá)海面回波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理，本文采用滑動平均的方法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑.

2) 根據(jù)主分量分析方法，采用少量參數(shù)描述水平不均勻大氣修正折射率剖面. 主分量分析是常用的降低維度和特征生成的方法，每一個特征向量表示坐標(biāo)系的一個維度，本文分別對表面波導(dǎo)高度和強(qiáng)度這2 個參數(shù)選取2 個特征向量構(gòu)成降維后坐標(biāo)系，特征向量通過加權(quán)實現(xiàn)水平不均勻大氣折射率剖面的參數(shù)化表示，共4 個參數(shù).

3) 以大氣修正折射率剖面數(shù)據(jù)為輸入，根據(jù)電波傳播的拋物方程模型，計算雷達(dá)海面回波功率[23].

4) 利用粒子群算法生成大氣修正折射率剖面參數(shù)，每一組剖面參數(shù)計算得到一組海面回波功率，然后與實測海面回波功率進(jìn)行對比匹配. 粒子群算法是模擬鳥群飛行的行為，通過個體之間的協(xié)作使群體達(dá)到最優(yōu). 在粒子群算法中，粒子的個數(shù)稱為種群大小，每個粒子代表一個潛在的解. 每個粒子有自己的位置矢量和速度矢量. 根據(jù)適應(yīng)值函數(shù)衡量粒子位置的優(yōu)劣. 粒子群初始位置與速度隨機(jī)產(chǎn)生，然后根據(jù)速度、位置、自身最好適應(yīng)值和群體最好適應(yīng)值來更新速度和位置. 反演中采用的適應(yīng)值函數(shù)或目標(biāo)函數(shù)為

5) 達(dá)到匹配精度或計算次數(shù)時得到的剖面參數(shù)即為反演結(jié)果參數(shù).

利 用7 月18 日12 時10 km 到80 km 之 間 的 雷達(dá)海面回波，反演的大氣波導(dǎo)剖面如圖5 所示. 根據(jù)反演大氣波導(dǎo)剖面計算的雷達(dá)海面回波、實測回波，以及兩者之間的誤差如圖6 所示. 在80°方位上，反演表面波導(dǎo)高度相對較高，為60 m 以上，雷達(dá)海面回波較強(qiáng)，可大于20 dBZ；160°方位表面波導(dǎo)高度相對較低，為40 m 左右，雷達(dá)海面回波較弱，一般低于10 dBZ. 計算回波功率與實測回波功率基本一致，誤差基本為-5～5 dBZ，表明海面回波模擬和反演不均勻表面波導(dǎo)的有效性.

圖5 反演大氣波導(dǎo)剖面Fig. 5 Retrieving the duct profile

圖6 雷達(dá)海面回波Fig. 6 Radar sea echo

4 結(jié) 論

大氣波導(dǎo)特別是表面波導(dǎo)顯著影響天氣雷達(dá)海面回波的分布，形成反常的超視距回波，從上述實測探空和雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的分析可以看出：1)超視距回波與探空剖面中表面波導(dǎo)的發(fā)生在趨勢上具有一致性；2)相對于氣象探空單點測量，天氣雷達(dá)在方位和距離上具有較高的空間分辨率，以及較高的時間分辨率；3)天氣雷達(dá)回波表現(xiàn)出非常復(fù)雜的空間分布和時間變化規(guī)律，這可能與三維大氣折射環(huán)境及其隨時間的變化密切相關(guān)，該大氣波導(dǎo)過程中海面回波最遠(yuǎn)距離可達(dá)166 km；4)利用大氣波導(dǎo)電波傳播模型和優(yōu)化算法根據(jù)某時刻雷達(dá)反?；夭〝?shù)據(jù)能夠反演獲得該時刻隨距離和方位變化的大氣波導(dǎo)剖面，實測和根據(jù)反演剖面計算的海面回波誤差基本不大于5 dBZ，表明可該方法的有效性. 基于天氣雷達(dá)超視距海面回波的反演方法有可能解決大面積大氣波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)獲取的問題，具有顯著的實用價值.考慮到大氣波導(dǎo)與大氣的溫度、濕度梯度密切相關(guān)，后續(xù)將進(jìn)一步開展基于大氣波導(dǎo)電波傳播模型和優(yōu)化算法，識別反?；夭ā⒎囱荽髿猸h(huán)境參數(shù)及其在天氣預(yù)報中的應(yīng)用研究.