海域大气波导分布

周辉

摘要：大气波导是边界层大气尤其是海洋边界层大气中经常出现的一种极端超折射的自然现象，它具有超长水平尺度特征和显著的天气背景，其特征量对当地气候，气海温差等要素的变化十分敏感，并且季节变化相当明显。只要确定大气折射参数的垂直结构，就可确定大气波导特征参量。

关键字：黄渤海;大气波导

1 大气波导基本介绍

大气折射主要可分为负折射、标准折射、超折射和陷获折射。当大气中出现陷获折射时，就会出现大气波导现象。大气折射的基本类型及其存在条件，影响大气环境中的电磁波传播特性的主要大气因子是大气折射率。对频率在1～100 GHz 范围内的电磁波，大气折射率n或大气折射指数N（N单位）可表示为大气温度T（单位：K）、大气压力P（单位：hPa）和水汽压e（单位： hPa）的函数，其关系由下式给出 ：

当电磁波传播距离很短时，可近似认为地球表面为平面，但若电磁波传播距离较长时，就必须考虑地球曲率的影响。此时，为了将地球表面处理成平面，通常使用进行了地球曲率订正的大气修正折射率M其表达式如下：;

式中h（单位： m）为地表以上的高度。当大气折射指数垂直梯度（单位：N-1） 时，此时的大气为负折射。当时，此时的大气为无折射。当时，此时的大气为正折射。正折射包括正常折射（也称标准折射）、超折射、陷获折射等。

当大气中出现陷获折射时，电磁波弯向地面的曲率会超过地球表面的曲率，电磁波会被限制在一定厚度的大气层内经该层大气上下边界来回反射向前传播，形成波导传播的大气层成为大气波导。不同的气候条件下会形成不同的波导类型，通常大气波导分为：蒸发波导、表面波导和抬升波导。

（1）表面波导

当时，即出现大气波导，大气呈现陷获折射，此时在大气中传播的在一定频率范围内的电磁波，部分被陷获在大气波导层内传播，当大气波导层接地时，称此种类型的波导为表面波导。即表面波导是下边界与地表相连的大气波导。一般发生在 300m 高度以下的边界层大气中。如果气象条件能产生陷获层条件，且波导的下表面是地球表面时，则形成表面波导。

（2）抬升波导

若气象条件形成的陷获层存在于空中，而且波导底层也是高于地球表面，这种波导成为抬升波导。高层大气存在大范围的强烈下沉运动，下沉增温减湿而造成的干热气层覆盖在下面相对湿且冷的海洋边界层上，常常在该海域上空形成悬空信风逆温，易于导致抬升波导形成。在季风海域和海陆风环流盛行海域也会出现抬升波导。抬升波导从几百米到几千米之间变化。

（3）蒸发波导

从折射率方程可以看出，有湿度分布的变化而没有相应的温度变化也能产生陷获的折射梯度。海洋表面的大气中水汽的含量是饱和的，表面以上几米高度的水汽含量则不是饱和的，因此，海洋表面往上存 在水蒸气压力的递减，将使修正折射率M随高度递减，到达一定高度后水蒸气的分布使修正折射率降到最低点，而后修正折射率又随高度的增加而增加，由此原因形成的陷获折射梯度结构称为蒸发波导。

2 渤海海区

渤海是一个深入中国大陆的浅海，其北、西、南三面被包围，仅东面有渤海海峡与黄海沟通相连。渤海受东亚季风影响明显，存在着明显的东亚季风大气环流的特点，属于温带季风区。冬季，盛行寒冷而干燥的西北季风，夏季盛行温暖而湿润的东南季风或西南季风。渤海水温变化受北方大陆性气候影响，2月在0℃左右，8月达到21℃，3月初融冰时有大量流冰发生，平均水温11℃。

西南部波导概率大于东北部，概率呈单峰趋势，在秋冬季节概率低，在10%以下，春夏季节高，最高在30%—60%。渤海海区全年出现的波導高度都较低，在300米以下，属于表面波导。

冬季渤海海区受冷高压控制，受寒冷干燥的西北风影响，温度低、湿度低，所以波导概率低。到3月气温开始回升，波导现象开始增多;4、5月冷高压控制减弱，处于季风转换月，偏南季风开始增多，底层水汽增加、温度升高，波导现象进一步增加，到5月份波导现象最多;到6月份之后的夏季当中，副热带高压持续北进，偏南季风增强，降雨增多，对流增强，大雾天气增多，高层暖干空气减少，在大气底层湿度随高度升高下降不明显，不利于波导的形成，因此造成波导现象的减少。9月到12月副热带高压南移，渤海海域慢慢被冷高压控制，偏南季风减少，西北季风增多，大气底层气温降低，水汽降低，形成了不利于波导形成的大气层结，波导现象减少。渤海海域西南部波导概率明显大于东北部这是由于两地地理位置造成的，东北部相较西南部偏北，西北冷高压影响大于西南部，季风准换后西南部海域受偏南季风影响大，温度较高，所以波导显现较多。

3 黄海海区

黄海海区波导变化存在明显地季节变化特征，呈现单峰型分布，在夏季概率最高，6月为最高月，概率可达到50%，秋冬季节低，在10%以下。黄海东部出现的波导的高度在200米左右，类型全年基本为表面波导，在其他海区只有在夏季和夏秋交换的月份出现的波导高度在500—650米，是抬升波导，其余月份也为表面波导。

冬季黄海海域多为大陆冷高压控制，到了3月气温开始回升，大气波导现象开始增多;4、5月大陆冷高压减弱，该区域处于季风转换区，偏南风开始增多，底层水汽增多，气温升高，波导现象进一步增加，山东半岛南部出现波导概率达到最大;6月副热带高压脊北进，该区域偏南风增多，水汽进一步增加，在山东半岛南部大气底层湿度随高度升高下降不明显，不利于波导形成，因此波导出现概率下降，而在辽东半岛东部与朝鲜半岛西部，因为从海面的偏南季风的湿空气经过朝鲜半岛，到达此两地时湿度下降，湿度随高度下降明显，所以波导进一步增多;7月副热带高压脊进一步北移，偏南季风进一步增多，水汽增加，整个黄海波导明显减少，到8月高压脊到达最北位置，黄海海区水汽达到最大，对流增强，降雨增多，在山东半岛南部虽然底层水汽条件满足，但但高层暖干层减少，波导出现概率进一步减少，而在其余两个地区因偏南季风经过朝鲜半岛上层暖干空气保持稳定，但底层湿度增大，形成较明显的湿度锐降，所以出现波导的的小幅度升高，和6月基本相同;9月副热带高压回移并减弱，10月以后黄海海域基本被冷高压控制，黄海海域气温和水汽降低，波导出现概率降低;冬季黄海海域大气波导很少出现。

辽宁 大连 116018