中国近海蒸发波导区划研究

焦 林，李云波，张永刚

（1.海军航空工程学院 航空宇航科学与技术博士后流动站，山东 烟台 264001；2.海军大连舰艇学院军事海洋系，辽宁 大连 116018；3.海军水文气象中心，北京 100061）

中国近海蒸发波导区划研究

焦 林1,2，李云波3，张永刚2

（1.海军航空工程学院 航空宇航科学与技术博士后流动站，山东 烟台 264001；2.海军大连舰艇学院军事海洋系，辽宁 大连 116018；3.海军水文气象中心，北京 100061）

蒸发波导是发生在海洋近地层中的一种异常折射现象，它能够改变电磁波的正常传播特性，对雷达、通信等电子设备性能产生重要的影响。利用被动式大气波导探测系统监测数据和国家海洋信息中心同化的0.25°×0.25°格点数据，对中国近海的蒸发波导进行了统计分析，结合蒸发波导对雷达的影响，对中国近海的蒸发波导进行了区域区划，形成了中国近海蒸发波导四级分布，以及雷达可利用波导范围的区划，为指导部队训练过程中利用蒸发波导环境提供了数据支持。

中国近海；蒸发波导；区划

在过分地依赖高技术武器的今天，环境因素仍然是海上作战不可或缺的一部分。掌握海洋环境参数及其变化规律与掌握敌情态势同等重要，是在作战准备与对抗行动中取得主动权的前提条件。只有准确地掌握了敌情、我情以及环境态势信息，并对其整合优化处理，才能够使得各级指挥员了解并利用环境因素以取得军事优势，从而赢得现代高技术条件下的战争[1]。因此“只有知己知彼知环境，才能百战不殆”。

海洋复杂电磁环境是战场环境的重要组成部分，是取得高技术条件下海上局部战争胜利的重要保障。大气波导是海洋复杂电磁环境中常见的现象之一，它的出现改变了电磁波的正常传播特性，影响着海上电磁波传播方式，其中最明显特征是使电磁波传播能量分布发生改变、传播距离大大提高，常常使雷达探测到视距以外的目标，并形成波导盲区特征，正是由于这些特殊的性质使得大气波导在军事上有着极为重要的应用[2]。然而，要研究大气波导的军事运用，特别是要实现作战与训练的大气波导实战化应用，前提条件就是准确评估出海洋大气环境中是否存在大气波导，以及作战训练海域大气波导特征量的变化规律，并能够有效地划分出中国近海不同海区大气波导的区域特征。

基于以上原因，本文利用被动式大气波导探测系统监测数据和国家海洋信息中心同化的0.25°× 0.25°格点数据，对中国近海的蒸发波导进行了统计分析，结合蒸发波导对雷达的影响，对中国近海的蒸发波导进行了统计分析，并结合雷达参数进行蒸发波导的区域区划，形成了中国近海蒸发波导的四级分布，以及雷达可利用波导范围的区划，为指导部队训练过程中利用蒸发波导环境提供了数据支持。

1 中国近海蒸发波导统计分析

1.1 基于观测数据的蒸发波导特征量计算模型[3-4]

波导高度是海洋蒸发波导重要的特征量，是表征波导强度的重要参数，也是确定蒸发波导对电子设备影响的一个重要参量。目前国内外基于观测数据来确定蒸发波导高度的模型有很多种，但其基本原理相同，都是依赖近地层相似理论，只是用于确定近地层通量和特征尺度的方法不同[2]。本文采用Babin（1996）基于通量算法的新模型来计算蒸发波导高度[5]，该模型在开阔海域空间分辨率可以达到200 km，时间分辨率为3 h，但在近海沿岸海域由于波导的水平不均匀性，模型的空间分辨率会有下降[6]。本文在Babin模型基础上引入了张强、胡隐樵（1995）的通量廓线关系[7]，并加入阵性风速项，从而解决了近岸效应[8]对波导高度计算模型的影响。

对于微波波段，对流层大气折射指数N为：

式中：P，e分别为大气压强和水汽压强；T为大气温度。

上式两边对高度求导，并将大气温度T用位温θ、水汽压e用比湿q代替，可得：

式中：C1，C2，C3为相关参数，其表达式分别为：

式中：A=77.6 K/hPa，B=4 810 K2/hPa；P为气压，hPa；e为水汽压，hPa；T为气温，K；P0为参考气压，取为1 000 hPa；Ra为干空气比气体常数，值为287.05 J·kg-1·K-1；Cpa为干空气的定压比容，值为1 004 J·kg-1·K-1；ε=0621 97；ρ为空气密度，kg·m-3；g为重力加速度，m·s-2。C1，C2，C3可由边界层内参考高度的大气温度、湿度、压强以及海表水温计算得出。

使用Monin－Obukhov相似理论表达式来确定dθ/dz，dq/dz：

式中：θ*，q*分别为位温和比湿的 Monin－Obukhov特征尺度参数；φH，φV分别为温度和湿度的无量纲Monin－Obukhov廓线函数；L为Monin－Obukhov长度；k为卡门常数，取为0.4。

通常的蒸发波导高度计算模型认为φH=φV，但在下垫面不均匀时（如海陆交界区）该等式不成立，本文引入张强、胡隐樵（1995）提出的非线性修正因子αV来解决模型在近岸的适用性问题。其中：

将（3）、（4）式代入（2）式得：

由波导定义可知，当大气折射指数垂直梯度等于形成波导的临界值-0.157 m-1时，所对应的高度z就是波导高度zd，所以

为求得蒸发波导高度zd，需确定L，θ*，q*，φH，依据Businger（1979）导出的关系式计算θ*，q*，φH与L：

其中

式中：

式中：Vz为z高度上的全风速；T0为近地层平均气温。

为将相似理论推广到甚低风速下，引入阵性风速Wg，用新的地面风速S=u2x+u2y+w2g=u2+w2g的平方根代替风速值。

式中：wg为阵性风速，其中w*是自由对流速度特征尺度；β为经验常数，其量级为1.0，一般取1.25（Fairall 1996）[9]；Fb为浮力通量项，代表湍流的波动性；w'T'v为垂直虚温通量；zi为对流混合层高度。

1.2 数据来源与统计量

利用国家海洋信息中心同化的2003-2012连续10 a 0.25°×0.25°的海洋大气温度场、湿度场、风场、气压场与海表水温场数据，结合被动式大气波导探测系统监测数据，基于观测数据的蒸发波导特征量计算模型，来进行中国近海及西北太平洋（99° E～150°E和-10°S～52°N之间）蒸发波导高度的统计分析和区域区划。

1.3 蒸发波导高度的月变化

依据数据的统计结果，得到蒸发波导12个月的变化规律，如图1所示。

从图中可以看出中国近海蒸发波导的月变化规律：

（1）渤海海域蒸发波导高度最高的月份为6月；波导高度最低的月份为3月；

（2）黄海海域蒸发波导高度最高的月份为10月；波导高度最低的月份为6、7月；

（3）东海海域蒸发波导高度最高的月份为9月；波导高度最低的月份为2月；

（4）南海海域变化规律分为两部分，南海北部海域蒸发波导高度最高的月份为9月；波导高度最低的月份为3月；南海南部海域蒸发波导高度最高的月份为6月；波导高度最低的月份为10月。

图1 中国近海蒸发波导高度月变化规律图

1.4 蒸发波导高度的季节变化

依据2003-2012连续10 a数据的统计结果，可得到中国近海蒸发波导的季节变化规律，如图2所示。

图2 蒸发波导高度季度统计分布特征图

从图中可以发现中国近海蒸发波导高度具有明显的季节变化特征：

（1）渤海海域蒸发波导高度夏季最高，秋季次之，冬季最低；

（2）黄海海域蒸发波导高度秋季最高，冬季次之，夏季最低；

（3）东海海域蒸发波导高度秋季最高，夏季次之，冬季最低；

（4）南海海域蒸发波导高度季节变化不明显，夏秋季节偏高一些，冬春季节次之。

此外，中国近海蒸发波导高度普遍随纬度的增加而减小，在25°N以南的海域蒸发波导高度明显高于25°N以北的海域；近海的蒸发波导高度明显低于远海的蒸发波导高度；中国四大海区的蒸发波导高度平均而言以南海为最大。

2 中国近海蒸发波导区域区划

依据统计结果，结合波导环境对雷达的影响，可以对中国近海蒸发波导进行区域区划，从作战训练需求的角度，给出波导的分级区划以及雷达可利用范围，这样对于指导作战训练才具有更突出的意义。

2.1 中国近海蒸发波导的区划方法

基于中国近海海域大气波导基本特征和统计规律结果，利用模糊聚类的分析方法，进行中国近海海域蒸发波导的区域区划，区划方法如下：

（1）利用中国近海及周边海域蒸发波导高度统计特征结果，结合船载雷达的架设高度，对中国近海及周边海域蒸发波导高度分布进行区域区划，分为四个等级：波导高度≥26 m为一级；26 m≥波导高度≥16 m为二级；16 m≥波导高度≥10 m为三级；波导高度≤10 m为四级。

（2）利用中国近海及周边海域蒸发波导最低陷获频率统计结果，结合船载雷达的频率，基本是3G、6G、10G的分布特征（S、C、X波段），对中国近海及周边海域蒸发波导雷达可利用范围进行区域区划，分为四个等级：最低陷获频率≥10G（X波段）为一级不可利用波导区域；10G≥最低陷获频率≥6G为二级，X波段雷达利用波导区域；6G≥最低陷获频率≥3G为三级，C、X波段雷达利用波导区域；最低陷获频率≤3G为四级，S、C、X波段雷达均可利用波导区域。

2.2 中国近海蒸发波导高度的区划

依据蒸发波导高度的区划方法，结合波导高度季节数据的统计结果，得到中国近海及周边海域蒸发波导高度的四级分区，如图3所示。

图3 中国近海蒸发波导高度的四级区划图

从图中可以得到如下规律：

（1）春季除南海北部为三级波导，南海南部为二级波导外，中国近海其它区域均为四级波导；

（2）夏季黄海、渤海、东海靠近大陆部分为四级波导，东海外海和南海北部为三级波导，南海南部为二级波导，其中靠近越南海域部分海区出现一级波导；

（3）秋季黄渤海为三级波导，东海、南海大部分为二级波导；

（4）冬季除南海为三级波导外，中国近海其它区域均为四级波导。

原因分析：蒸发波导是由于海水蒸发在垂直方向上湿度锐减而造成的，因此蒸发波导高度直接与海水蒸发量即海表水温直接相关[10]，冬春季节海表水温较低，蒸发量小，波导高度较低，蒸发波导基本处于三级、四级；夏秋季节海表水温增高，蒸发量大，波导高度较高，蒸发波导基本处于二级、三级。2.3中国近海雷达可利用范围的区划

依据雷达可利用范围的区划方法，结合波导高度季节数据的统计结果，得到中国近海及周边海域雷达可利用范围的四级分区，如图4所示。

图4 中国近海雷达可利用范围的四级区划图

根据最低陷获频率的计算方法[11]，结合波导高度季节统计数据，对中国近海海域雷达可利用波导范围海域进行区划，得到如下规律：

（1）春季除南海南部为二级X波段雷达利用波导区域，其它海区均为一级不可利用波导区域；

（2）夏季黄渤东海为一级不可利用波导区域，南海北部为二级X波段雷达利用波导区域，南海南部及越南周边海域为三级，C、X波段雷达利用波导区域；

（3）秋季渤海为一级不可利用波导区域，黄海、东海、南海均为二级X波段雷达利用波导区域，其中台湾周边海域为三级，C、X波段雷达利用波导区域；

（4）冬季与春季类似，除南海南部为二级X波段雷达利用波导区域，其它海区均为一级不可利用波导区域。

3 主要结论

（1）中国近海蒸发波导高度的月变化：渤海海域蒸发波导高度最高的月份为6月，波导高度最低的月份为3月；黄海海域蒸发波导高度最高的月份为10月，波导高度最低的月份为6、7月；东海海域蒸发波导高度最高的月份为9月，波导高度最低的月份为2月；南海海域变化规律分为两部分，南海北部海域蒸发波导高度最高的月份为9月；波导高度最低的月份为3月；南海南部海域蒸发波导高度最高的月份为6月；波导高度最低的月份为10月。

（2）中国近海蒸发波导高度的季节变化：渤海海域蒸发波导高度夏季最高，秋季次之，冬季最低；黄海海域蒸发波导高度秋季最高，冬季次之，夏季最低；东海海域蒸发波导高度秋季最高，夏季次之，冬季最低；南海海域蒸发波导高度季节变化不明显，夏秋季节偏高一些，冬春季节次之。

（3）中国近海蒸发波导高度普遍随纬度的增加而减小，在25°N以南的海域蒸发波导高度明显高于25°N以北的海域；近海的蒸发波导高度明显低于远海的蒸发波导高度；中国四大海区的蒸发波导高度平均而言以南海为最大。

（4）中国近海蒸发波导高度的四级区划：春季除南海北部为三级波导，南海南部为二级波导外，中国近海其它区域均为四级波导；夏季黄海、渤海、东海靠近大陆部分为四级波导，东海外海和南海北部为三级波导，南海南部为二级波导，其中靠近越南海域部分海区出现一级波导；秋季黄渤海为三级波导，东海、南海大部分为二级波导；冬季除南海为三级波导外，中国近海其它区域均为四级波导。

（5）中国近海雷达可利用范围的四级区划：春季除南海南部为二级X波段雷达利用波导区域，其它海区均为一级不可利用波导区域；夏季黄渤东海为一级不可利用波导区域，南海北部为二级X波段雷达利用波导区域，南海南部及越南周边海域为三级，C、X波段雷达利用波导区域；秋季渤海为一级不可利用波导区域，黄海、东海、南海均为二级X波段雷达利用波导区域，其中台湾周边海域为三级，C、X波段雷达利用波导区域；冬季与春季类似，除南海南部为二级X波段雷达利用波导区域，其它海区均为一级不可利用波导区域。

参考文献：

[1]张凌海.海洋技术为海军“添翼”[J].当代海军，2002(9):41-42.

[2]戴福山,李群.大气波导及其军事应用[M].北京:解放军出版社，2002.

[3]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.

[4]JiaoLin,ZhangYonggang.An evaporation duct prediction model coupled with MM5[J].Acta Oceanologica Sinica,2015,34(5):51-59. [5]Steven MBabin,George S Young,James A Carton.A newmodel of the oceanic evaporation duct[J].Journal of Applied Meteorology, 1997,36:150-210.

[6]Babin SM.Anewmodel ofthe oceanic evaporation duct and its comparison with current models[D].UniversityofMaryland,1996.

[7]ZhangQiang,Hu Yinqiao.The flux-profile relationships under the condition ofheat advection over moist surface[J].Scientia Atmospheric Sinica,1995,19(1):8-19.

[8]G L Geernaert.On extending the flux-profile similarity theory to include quasi-homogeneous conditions in the marine atmospheric surface layer[J].Boundary-Layer Meteorology,2002,105:433-450.

[9]Edison J B,CWFairall.Similarityrelationships in the marine atmospheric surface layer for terms in the TKE and scalar variance budgets [J].J Atmos Sci,1998,55:2311-2328.

[10]Frederickson P A,Davidson KL.An operational bulk evaporation duct model[J].Journal ofApplied MeteorologySubmitted,2003.

[11]姚展予，等.大气波导特征分析及其对电磁波传播的影响[J].气象学报,2000,58(5):605-616.

Research on the Distribution of Evaporation Duct in China's Offshore Areas

JIAO Lin1,2,LI Yun-bo3,ZHANG Yong-gang2
1.Post-Doctoral Mobile Station of Aerospace and Technology,Naval Aeronautical Engineering Institute,Yantai 264001,Shandong Province,China; 2.Department of Military Oceanography,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 3.Naval Hydrology and Meteorology Centre,Beijing 100061,China

The evaporation duct is a kind of abnormal refraction phenomenon in the surface layer of oceans.It can change the normal propagation characteristics of electromagnetic waves,and significantly affect the performance of radars and communication electronic equipment.In this paper,the evaporation duct has been carried on the statistical analysis on China's offshore areas,by using the monitoring data of evaporation duct based on the passive duct detection system and the 0.25°×0.25°assimilating lattice data derived from the National Marine Data&Information Centre.Combined with the influence of radar caused by evaporation duct, this paper completes the division map of the evaporation duct in China's offshore areas,and establishes the fourlevel distribution of the evaporation duct.In addition,the available waveguide regions of radar are built.The results of this paper can provide the data support for naval ships to utilize the evaporation duct environment.

China's offshore areas;evaporation duct;division map

P79

A

1003-2029（2017）03-0007-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.002

2017-02-12

焦林（1979-），男，博士，主要从事大气波导及其应用研究。E-mail：jiaolin79125@aliyun.com