热带海域内蒸发波导RSHMU模型分析*

谢凌霄 田 斌 王 石 刘亚杰 韩 凌

(1.南海舰队司令部 湛江 524000)(2.海军工程大学海洋电磁环境研究所 武汉 430033)(3.海军工程大学科研部 武汉 430033)(4.海军工程大学训练部 武汉 430033)(5.第二炮兵指挥学院 武汉 430012)



热带海域内蒸发波导RSHMU模型分析*

谢凌霄1田 斌2王 石3刘亚杰4韩 凌5

(1.南海舰队司令部 湛江 524000)(2.海军工程大学海洋电磁环境研究所 武汉 430033)(3.海军工程大学科研部 武汉 430033)(4.海军工程大学训练部 武汉 430033)(5.第二炮兵指挥学院 武汉 430012)

RSHMU模型是俄罗斯研究人员提出的一种蒸发波导预测模型,利用近几年采集的热带海区的蒸发波导数据,得出了RSHMU模型在热带海区的适用性结论,所得结果对进一步了解RSHMU模型预测性能具有一定的指导意义。

蒸发波导; RSHMU; 蒸发波导模型

Class Number TN911

1 引言

海洋上空被称作蒸发波导的气层,由于其具有对一定频率电磁波强烈的“束缚”作用,从而使得电磁波的传播效能发生显著变化,因此受到国内外电磁波领域研究人员的广泛重视。出于实用性、准确性等方面的考虑,人们提出使用蒸发波导模型来对蒸发波导进行研究。从目前公开的文献中可以获悉,包括美国[1]、中国[2]在内的许多国家都提出了各自的蒸发波导模型,较有影响的模型如PJ模型、伪折射率模型等[3～11]。俄罗斯国立气象水文大学(原圣彼得堡气象水文学院)的A.S.Gavrilov等学者结合自身的研究成果提出了一种被称为RSHMU的蒸发波导预测模型,该模型自上世纪八十年代提出以来,主要在原苏联加盟共和国中使用。近期公开发表的文章中,来自乌克兰国立科技大学无线电物理与电子学院的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试验数据,将RSHMU模型与其它蒸发波导模型进行了比较,使电磁波波导传播的其他学者逐渐了解了这一模型的特性。考虑到国内外对RSHMU模型的研究,特别是其在热带海域内的研究较少,因此本文利用在热带海域部分海区进行的海上试验中获得的实测数据对该模型进行分析,使读者进一步了解RSHMU模型的预测性能。

2 RSHMU模型基本原理

RSHMU蒸发波导模型求解蒸发波导特征量的思路不同于Jeske等模型,该模型首先通过一定的计算获得修正折射率廓线,然后再获取波导高度、强度结果。RSHMU蒸发波导模型具体实现方法与基于通量算法的蒸发波导模型相比,区别主要在于风速、位温的无量纲化梯度函数和稳定度修正函数不同,因此文章参照A模型的求解思路来实现RSHMU模型,而模型中使用的无量纲化梯度函数和稳定度修正函数则按A.S.Gavrilov等学者给出的计算式,具体的风速、位温的无量纲化梯度函数φu、φθ如下:

(1)

(2)

与之对应的风速、位温的稳定度修正函数分别为

(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 气海温差、风速、相对湿度的敏感性分析

本小节对RSHMU模型受输入的气海温差、风速、相对湿度的影响做出分析,选取海表温度15℃,6m处的气压1031hPa,风速分别取1m/s、7m/s,相对湿度以5%为间隔由50%变化到100%,气温分别取10℃、11℃、12℃、13℃、13.5℃、14℃、14.5℃、15℃、15.5℃、16℃、16.5℃、17℃、18℃、19℃、20℃,仿真的结果如图1所示。

图1 仿真结果

图1的结果显示RSHMU模型计算的蒸发波导高度、强度在气海温差小于零时会计算出结果,而在气海温差大于零时会得到“不合理”的结果。风速对模型计算的蒸发波导高度结果影响要比强度影响大,随着风速的增加,模型计算的波导高度结果会有所增大,而对强度结果来说,这种影响不太强烈。相对湿度同样对模型计算的波导高度、强度结果产生影响,在同样的气海温差和风速条件下,较小的相对湿度对应的结果要大。

3.2 气压敏感性分析

仿真条件为海表温度25℃,6m处的风速分别取4m/s,相对湿度为70%,气温分别取23℃、25.5℃,气压分别取1000hPa、1010hPa、1020hPa,RSHMU模型计算的蒸发波导高度、强度结果如表1、表2所示。

表1和表2中的数据表明RSHMU模型计算的蒸发波导高度、强度结果基本不受气压变化的影响。因此在实际应用中,对参考高度处气压输入数据的精度要求可以适当降低或者当真实气压结果无法获取时,可类似Paulus-Jeske模型,直接使用1000hPa来代替计算蒸发波导高度、强度结果。

表1 气压敏感性结果(蒸发波导高度)

表2 气压敏感性结果(蒸发波导强度)

4 实测数据分析

为了检验RSHMU模型的实际预测效果,在热带海域部分海区进行了相关波导测量试验。实测蒸发波导结果与RSHMU模型计算波导结果比对采用均方根误差Erms为标准,其定义式为

(5)

式中,x,y分别为模型计算的波导结果和实测波导结果,n表示数据组数,计算的结果如表3所示。

表3 试验数据分析

表3中的数据显示试验海区内蒸发波导高度、强度对应的均方根误差均较大,特别是蒸发波导高度对应的均方根误差值,表明RSHMU模型在试验海区预测的结果不太理想,因此需要对模型进行进一步的修正,从而使该模型能够适应热带海域气象环境。

5 结语

本文在简要介绍RSHMU模型基本原理的基础上,通过计算机仿真分析了RSHMU模型受气温、海温、相对湿度、风速、气压等因素的影响,分析结果显示除气压外,其余因素都在一定程度上影响着RSHMU模型计算的蒸发波导高度和强度结果,因此在后续使用中要格外注意输入的气温、海温、相对湿度、风速数据,采用高精度的传感器会得到更为准确的结果。同时,可以对气压传感器的选择适当降低,在无法获取气压值的情况下,可以采用1000hPa作为代替值来计算。通过在热带海域采集的数据分析了RSHMU模型的实际预测性能,结果显示该模型实际的预测效果不太理想,特别是预测的蒸发波导高度存在较大偏差,因此在后续应用中应加以修正。

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[2] 田斌,察豪,李杰,等.PJ模型和伪折射率模型特性对比[J].华中科技大学学报(自然科学版),2009,37(9):29-32.

[3] 田斌,察豪,张玉生,等.蒸发波导A模型在我国海区的适应性研究[J].电波科学学报,2009,24(3):556-561.

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[9] 李诗明,陈陟,乔然,等.海上蒸发波导模式研究进展及面临的问题[J].海洋预报,2005,22(增刊):128-139.

[10] 杨坤德,马远良,史阳.西太平洋蒸发波导的时空统计规律研究[J].物理学报,2009,58(10):7339-7350.

[11] 焦林,张永刚.基于中尺度模式MM5下的海洋蒸发波导预报研究[J].气象学报,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

毫米波国家重点实验室开放基金(编号:K201510)资助。

谢凌霄,男,工程师,研究方向:电子探测装置效能。田斌,男,副教授,研究方向:蒸发波导预测。王石,男,讲师,研究方向:雷达效能预测。刘亚杰,女,讲师,研究方向:计算机仿真。韩凌,女,助理研究员,研究方向:非平稳数据处理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.023