激光在春季江淮气旋降水中的衰减特性研究
2017-03-14陈凯诺邵利民魏海亮戴仁威
陈凯诺，邵利民，魏海亮，戴仁威，艾 阳，穆 杨
（1.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125100；2.海军大连舰艇学院 军事海洋系，辽宁 大连 116018；3.中国人民解放军92956部队 旅顺装备技术保障大队三中队 ，辽宁 大连 116041；4.海军舟山水警区司令部气象台，浙江 舟山 316000；5.东海舰队水文气象中心 参谋部37分队，浙江 宁波 315000）
激光在春季江淮气旋降水中的衰减特性研究
陈凯诺1,2，邵利民2，魏海亮3，戴仁威4，艾 阳5，穆 杨1
（1.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125100；2.海军大连舰艇学院 军事海洋系，辽宁 大连 116018；3.中国人民解放军92956部队 旅顺装备技术保障大队三中队 ，辽宁 大连 116041；4.海军舟山水警区司令部气象台，浙江 舟山 316000；5.东海舰队水文气象中心 参谋部37分队，浙江 宁波 315000）
在雨中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此，研究激光在降水中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式，对2015年3月30日-4月2日的降水过程进行模拟分析，江淮气旋由于倒槽锋生产生，江苏地区和朝鲜半岛、日本等的降水过程就是高空西风急流与低空急流耦合的结果，与此同时还有700 hPa切变线的配合。在气旋降水条件下，传输性能较好的10.6μm远红外波仍然受到衰减，在小雨的情况下 （降雨率为0.25 mm/h）探测距离可损失10%；在中雨的情况下（降雨率为2.7mm/h）探测距离为正常情况下的70%；而在大雨情况下（降雨率为6mm/h）探测距离仅为正常情况下的50%。
江淮气旋；低空急流；倒槽锋生；激光衰减系数；探测距离
随着激光技术的不断发展，激光的应用也越来越广泛，特别是在军事通信领域有着广阔的发展空间。各种特殊天气的影响是制约无线光通信发展的重要因素，雨雾等天气对激光信号传输的衰减影响很大。李娣等[1]认为雨滴对激光信号的衰减主要取决于雨滴的尺寸分布、散射和吸收截面。研究表明，在可见光到远红外光区约10μm的波长范围内，雨滴引起的激光衰减与光波长的依赖关系不明显。刘西川等[2]将雨滴的非球形效应考虑在内，在雨滴的近似椭球模型、归一化谱分布的基础上，利用射线追踪法计算群雨滴在可见光和近红外波段的散射和衰减特性，讨论分析雨滴谱分布和降雨强度对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响。Marshall和Palmer[3]提出了一种负指数分布模型即M-P分布。M-P谱分布适用于稳定的层状云降水，但是对强度较大降水拟合效果并不太好。郭婧等[4-5]以几何光学散射理论为基础，研究了降雨引起激光的后向散射特性并给出不同降雨条件下的后向散射系数，结合某型号激光定距系统计算了不同降雨条件和传输距离下的系统信噪比，分析了雨滴后向散射对系统信噪比的影响。汪亭玉[6]结合雨滴尺寸分布模型，建立了船舶大气激光通信中雨滴遮挡作用的数理模型，对光在雨中的最大传输距离及其光强的衰减做了初步计算与实验。结果证明，该衰减模型是合理的，理论模型基本符合实验结果。该项研究为进一步探索船舶大气激光通信系统的性能奠定了基础。
Weibull分布是一种从雨滴形成过程中严格推导出来的雨滴谱，它能够充分反映各种雨滴尺寸的分布情况[7]。数值模拟结果表明，不同谱分布的群雨滴散射能力各不相同。激光衰减不仅受降雨强度的影响，也与雨滴的数密度有关，数密度越大，激光衰减越大；而形状对群雨滴的影响较小。但是，前人都是在脱离大气环流背景来研究激光在雨中的衰减，而降水往往都是由于锋面气旋、台风等天气系统造成的；因此本文利用1°×1°FNL气象再分析资料和地面降水资料对2015年3月30日—4月2日的江淮气旋的成因和环流形势做简要分析，而后基于WRF中尺度气象研究模式对该气旋降水过程进行模拟，通过Weibull雨滴尺寸分布模型得到激光在不同降水条件下的衰减特性（注：本文所说的时间均为北京时）。
1 天气过程概况
2015年3 月31日，受江淮气旋的影响，江苏全省平均降水量较常年同期异常偏多8.7%，降水大值区域位于苏南地区，其中徐州西部、长江中部和苏南南部地区偏多1～2.6倍。总体来说，该次江淮气旋的形成过程是倒槽锋生气旋（图略），开始时，地面变性高压东移入海后，由于高空南支锋区上西南气流将暖空气向北输送，地面减压形成倒槽并东伸。这时在北支锋区上有一小槽从西北移来，在地面上配合有一条冷锋和锋后冷高压。而后，由于高空暖平流不断增强，地面倒槽进一步发展并在槽中江淮地区有暖锋生成，并形成了暖锋。此时，西北小槽继续东移，南北两支锋区在江淮流域逐渐接近。冷锋及其后部高压也向东南移动，向倒槽靠近。最后，高空南北锋区叠加，小槽发展，地面上冷锋进入倒槽与暖锋接合，在高空槽前的正涡度平流下方，形成江淮气旋。
2 江淮气旋的发生发展机制
2.1 中高层环流形势分析
2.1.1 200 hPa西风急流分析 2015年3月30日08时（图1（a）），200 hPa西风急流中心位于45°N，急流横跨15个纬度，南伸至35°N，气旋的活动与行星锋区密切相关：地面锋线常常是极锋行星锋区在地面上的反映。气旋的发生、发展一般都是在锋区上进行的，其出现的最大频数以及主要路径和锋区的平均位置基本一致。在高空急流的南侧，强反气旋式切变涡度造成的气流辐散有利于地面气旋的发展，在高空急流的北侧，强气旋式涡度有利于地面反气旋发展[8]。刚好该急流轴的南侧为江苏省上空，配合着江淮气旋的发生与加强。
2.1.2 500 hPa环流分析 本次天气过程属于两脊一槽型形成的江淮气旋（图1(b)）。500 hPa图上乌拉尔山附近为暖性高压脊，中国沿海大陆也有一明显的高压脊，贝加尔湖、蒙古和中国北部地区为两脊之间的大槽控制。南支小槽在偏西气流的引导下向东移动，槽后为冷平流，槽前为暖平流，利于槽的发展，低空对应气旋的加强。
2.2 低空环流形势分析
气旋刚开始发展时，700 hPa（图1（c））同500 hPa高空一样，也是两脊一槽型，南支槽前输送正涡度平流，使得槽得以发展，对应地面气旋的发展。与此同时，850 hPa（图1（d））上的南支小槽槽前为暖平流，槽后冷平流，等高线与等温线有交角，说明槽线附近有斜压不稳定的趋势。
图1 2015年3月30日08时高低空环流形势及物理量场分析
3 降水的发生机制分析
2015年4 月2日08时500 hPa上（图2（a））该南支槽与东亚大槽合并，对应地面气旋入海，由于非绝热加热作用，海洋释放凝结潜热，提供能量，使得气旋得以发展，在江苏南部、朝鲜半岛和日本形成大范围降水。700 hPa上以上地区位于槽前湿区（图2（b）），而且有江淮切变线的配合，水汽在该切变线附近辐合，降水地区位于地面锋线的北部、700 hPa切变线以南的地区。这是因为700 hPa切变线以南的偏南气流一方面可以将南方的水汽不断输送过来，另一方面这股气流沿着锋面向上滑升，使水汽冷却凝结成雨。而且该地区的强烈的垂直上升运动导致了江苏一带的强降水[9]。低空850 hPa有一支很强的西南急流（图2（c）），我国与暴雨相联系的西南风低空急流存在于副热带高压西侧或北侧，低空急流多位于高空西风急流入口区的右侧或南亚高压东部脊线附近。低空急流的形成与维持跟高低空环流的耦合发展有关，是大气环流演变的产物，同时与降水有密切的联系。低空急流左侧对应降水区，利于气旋的发展；而且水汽通量很大，超过20×10-8g·cm-2hPa-1s-1，水汽通量散度为负值，低空水汽辐合，有垂直上升运动，使得降水过程得以持续。该次降水过程就是高空西风急流与低空急流的耦合的结果。
图2 2015年4月2日08时高低空环流形势及物理量场分析
综上所述，扰动小槽、高低空急流为气旋发展加强提供动力机制。西风槽和高空急流随气旋同步东移，使得气旋在东移中不断加强。气旋南侧的低空西南风急流以脉动形式向其南部输送水汽和不稳定能量[10]。
4 数值模拟分析激光在气旋降水中的衰减特性
网格设置为子母网格比率为3，在水平方向上：粗网格的分辨率30 km，细网格的分辨率10 km，垂直方向分为44层，采用η坐标系，中心位置为38.63°N，122.90°E。微物理过程方案采用WSM3类简单冰方案，辐射方案采用rrtm长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案。近地面层方案采用Monin-Obukhov方案，陆面过程方案采用热量扩散方案，边界层方案采用YSU方案，积云参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch(new Eta)方案，初始边界条件使用的是2015年3月30日08时—4月02日08时FNL再分析资料，积分时长为72 h。
与此同时，在选用扰动边界层和陆面物理过程时(sf_sfclay_physics=1)考虑了地面热量和水汽通量，辐射光学厚度中考虑了云的影响（仅当ra_sw_physics=1和ra_lw_physics=1时有效）。通过模拟和实测降水资料的对比相差不多，得出该参数化方案较为准确，模拟效果可信。
4.1 雨滴衰减系数的计算
雨滴对激光信号的衰减主要取决于雨滴的尺寸分布、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间的分布状况，也称为雨滴谱。雨滴的大小及在空间中的分布都是随机的，一般用雨滴尺寸分布函数N（D）来描述雨滴的尺寸分布情况，单位为m-3·mm-1，D表示雨滴直径，单位为mm。
降雨引起的光波信号的衰减系数可由式（1）计算得到：
式中：Dmin，Dmax分别为雨滴的最小和最大直径；N（D）d D为单位体积空气中，雨滴直径在D和D+ d D之间的个数，单位为m-3。Qe（x，m）为球形雨滴的总的衰减截面，它们都是粒子折射率和尺度参数的函数。因为雨滴的半径在50μm～5mm之间，远大于激光波长，根据Van de Hulst近似公式[11]，可认为衰减效率因子Qe（x，m）≈2。
雨滴尺寸分布函数N（D）利用Weibull分布，它的表达式为
式中：N0=1 000，η=0.95R0.14，σ=0.26R0.42，a=1。4.2 10.6μm激光在春季江淮气旋降水中探测距离研究
对于不同的红外武器系统，加上系统的修正因子K，同时考虑各种因素的影响，其作用距离一般可写成式（3）的形式[12]：
式中：Jλ1-λ2为波段范围λ1-λ2内的辐射强度值；为波段范围内的大气透过率；τ0为光学系统的光谱透过率；D*为敏感元件在波段区间内的平均光谱探测度；ω为系统的瞬时视场；Δf为电路等效噪声带宽为系统的信噪比；K为系统的修正因子[13]；D0（NA）为光学系统的有效入射孔径的面积；NEFD为噪声等效通量密度。
由式（3）可知，当系统稳定、目标参数一定时，红外系统作用距离与大气透过率有如下关系：
式中：K0为式（3）中各已知参数的计算值。
对于衰减率分布不均匀的降水区域，若已知降水衰减率的分布，便可利用式（4）求出探测距离。设a(d B/km)为降水衰减率，A(d B)为至距离d处的衰减度，则：
令：
由式（5）和式（6）可得：
则当Φ(d)=K0时，d=Dmax，为最大探测距离，即：
Φ(d)是一个单调增函数，在探测距离以内，其值小于K0，即d
图3中间的十字交叉点表示红外探测器的位置，外圈表示在正常情况下的探测距离，内圈表示在不同降水强度情况下各个方向的探测距离。由图3可知，在气旋降水条件下，传输性能较好的10.6μm远红外波仍然受到衰减，在小雨的情况下（图3（a）,降雨率为0.25mm/h）探测距离可损失10%；在中雨的情况下（图3（b），降雨率为2.7mm/h）探测距离为正常情况下的70%；而在大雨情况下（图3（c），降雨率为6mm/h）探测距离仅为正常情况下的50%。图3的探测距离评估图象中也可以将中间的点设为目标，则图3中的内圈表示为对目标在各个方位的探测距离。
图3 10.6μm红外系统探测距离评估图
5 结论
（1）该次江淮气旋由于倒槽锋生产生，江苏地区和朝鲜半岛、日本等的降水过程就是高空西风急流与低空急流的耦合的结果，与此同时还有700 hPa切变线的配合。700 hPa切变线以南的偏南气流一方面可以将南方的水汽不断输送过来，另一方面这股气流沿着锋面向上滑升，使水汽冷却凝结成雨。
（2）在气旋降水条件下，传输性能较好的10.6 μm远红外波仍然受到衰减，在小雨的情况下（降雨率为0.25mm/h）探测距离可损失10%；在中雨的情况下（降雨率为2.7 mm/h）探测距离为正常情况下的70%；而在大雨情况下（降雨率为6mm/h）探测距离仅为正常情况下的50%。
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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
陈凯诺（1991-），男，硕士研究生,主要从事海雾数值模拟和激光衰减特性研究。E-mail：837677852@qq.com
