一次伴随雷达异常地物回波的超视距探测成因分析与数值模拟研究

胡昊 丁菊丽 张羽 赵小峰 葛晶晶 梁志超

（1. 中国人民解放军31110 部队, 南京 210016；2. 国防科技大学气象海洋学院, 长沙 410003；3. 中国人民解放军94816部队, 福州 350002；4. 中国人民解放军96746 部队, 库尔勒 841000）

引 言

式中：温度T单位为K；气压P、水汽压e单位为hPa；海拔高度z单位为m.

大气波导作为一种可以实现超短波、微波超视距探测的特殊大气折射结构，具有重要的研究价值[5]，目前国内外相关学者在大气波导探测方法、形成变化机理、实时监测与诊断、数值模拟与预报、传播评估与应用等领域开展了大量基础性和前沿性的研究. 但相关成果仍远不能满足信息系统的实际应用需求[5]，这与大气波导传播应用研究的复杂性和学科交叉性有关，很大程度上也与缺少海上大气折射环境和电磁波传播同步观测试验的数据支撑有关.

目前，从气象学角度研究大气波导的环境特性，依赖的观测资料主要包括高垂直分辨率的探空观测资料[6-21]、遥感探测反演资料[22-26]和格点再分析资料[16-17,27-31]. 这三类观测资料各有其优缺点：高垂直分辨率探空资料虽然可以精细刻画大气温湿压垂直廓线，进而得到较为精细的大气修正折射率垂直廓线和大气波导特征量，但成本较高，难以同时快速大范围开展观测；遥感探测反演资料虽可以实现快速的区域反演探测，但是反演精度仍需进一步提升，特别是低空和有云出现时；格点再分析资料同化了地面、船舶、无线电探空、飞机报、卫星等气象观测资料，可以提供最长时间序列的全球格点再分析数据，是目前研究大气波导气候分布的最佳数据来源，也为大气波导数值模拟和预报研究提供背景场，但是再分析资料的水平和垂直分布率仍不足以准确分辨大气波导的水平和垂直结构.

因此，利用中尺度模式开展大气波导形成机理、数值模拟和预报应用研究，仍然具有不可替代的应用前景. 近年来，为改进大气波导的数值模拟精度，相关学者从改善初边界条件出发，引入了多种资料同化方案[6-10,12]、动力初始化方案等[15]；从数值模式自身出发，引入了集合预报[13]、湍流参数不确定性扰动[32]、可考虑气溶胶-云-辐射效应的WRF-Chem 模式[18]等. 以上研究为开拓大气波导数值模拟思路、提高模拟效果，提供了很好的经验借鉴.

然而，目前大气波导气象学研究仍存在一定的局限性，主要表现为大气波导气象环境与雷达电磁波传播应用的脱节，缺少将两者同步的实测个例积累，也较少将数值模拟结果用于异常电磁波传播现象的解释和评估. 2020 年4 月，一次发生在台湾海峡地区伴随雷达异常地物回波的超视距探测现象具有重要研究价值，本文将针对该个例开展成因分析以及数值模拟研究，以期为后续有针对性地开展台湾海峡地区大气波导条件下的地物回波消除和雷达有效超视距探测提供参考.

1 观测试验及天气形势分析

如图1 所示，根据葵花卫星红外云图和民航飞机 报 可 知，2020 年4 月29 日20 时 至5 月1 日2 时(北京时间，下同)，我国东南沿海和台湾海峡以少云或碧空天气为主. 但从2020 年4 月29 日20 时开始，我国东南沿海多部气象雷达出现大范围“虚假”降水回波和地物回波，如图2所示为不同时刻厦门站气象雷达基本反射率回波图. 其中气象雷达的工作模式为降水测量，仰角0.5°，随后沿图2(c)中黄色实线所示的传播路径提取非均匀M廓线开展传播评估. 是否是大气波导传播造成此次气象雷达电磁波异常传播现象值得进一步深入研究.

图1 葵花卫星红外云图Fig. 1 Himawari satellite infrared cloud images

图2 厦门站气象雷达基本反射率回波图Fig. 2 Xiamen station weather radar echo map of base reflectivity

首先利用ERA5 再分析资料(0.25°×0.25°)分析500 hPa、850 hPa 和1 000 hPa 的大尺度天气背景(图3)的位势高度(黑色实线，单位：dagpm)、相对湿度(填色，单位：%)、温度(红色实线，单位：℃)、风场合成图，台湾海峡基本上位于500 hPa 高空槽后，有利于下沉运动，而下沉运动会伴随增温减湿作用，因此850 hPa 台湾海峡区域存在明显的干区，加之1 000 hPa 受暖脊控制，很容易在低层形成逆温层结.

进一步利用ERA5 再分析资料，以4 月29 日18 时为代表，选取平潭、泉州、厦门、东山当面海区及澎湖列岛附近的格点数据绘制温、湿廓线和大气修正折射率廓线，如图4 所示. 可以看出，图4(a)中温度廓线可以证实逆温层结的存在. 逆温层的存在进一步阻止海面附近水汽的上传(图4(b))，使得逆温层以下的高湿区与逆温层以上的干区形成强烈的湿度随高度锐减层，由图3 中850 hPa 和1 000 hPa 相对湿度分布也可以得到同样的结论. 因此，台湾海峡区域逆温和湿度随高度锐减两个有利于大气波导出现的条件均成立. 由图4(c)中大气修正折射率廓线可以看出，4 月29 日18 时泉州、厦门、东山当面海区及澎湖列岛均出现了表面波导.

图3 不同时刻位势高度、相对湿度、温度及风场合成图Fig. 3 Different times’ composite figures of geopotential height, relative humidity, temperature and wind

图4 2020 年4 月29 日18 时平潭、泉州、厦门、澎湖列岛、东山单点廓线Fig. 4 Pingtan, Quanzhou, Xiamen, Penghu Islands, Dongshan single point profiles at 18:00 on April 29, 2020

考虑到ERA5 再分析资料水平和垂直分辨率均较低(水平：0.25°×0.25°；垂直：750 hPa 以下为25 hPa)，且本次个例最初是雷达超视距探测到的异常地物回波现象，没有更多高时空分布率实测资料进行更细致的分析验证. 因此利用WRF 模式，从气象学角度对此次伴随雷达异常地物回波的超视距探测现象进行更为细致的数值模拟研究，揭示此次大气波导过程的水平分布范围和时空演变特征.

2 数值模拟研究

2.1 模拟设置

本文采用WRF4.2 模式进行模拟. 模式采取三层嵌套，由外到内水平分辨率分别是30 km、10 km、3.33 km，格点数分别为269×206，433×433，628×628，模拟区域如图5 所示. 三层嵌套中最外层包含了东亚、南亚、东南亚的大部分区域；第二层主要包含了东亚地区；最内层包含了我国的中东部以及黄海、东海、南海北部地区. 每层嵌套的垂直分层均取60 层(其中2 000 m 高度以下进行了加密设置，共占38 层；根据eta 设置：1.000，0.998，0.996，0.994，0.992，0.990，0.985，0.980，0.975，0.970，0.965，0.960，0.955，0.950，0.945，0.940，0.935，0.930，0.925，0.920，0.915，0.910，0.905，0.900，0.895，0.890，0.885，0.880，0.875，0.870，0.865，0.860，0.855，0.850，0.840，0.830，0.820，0.800，0.780，0.750，0.700，0.650，0.600，0.550，0.500，0.450，0.400，0.350，0.300，0.250，0.200，0.150，0.100，0.088，0.070，0.055，0.040，0.026，0.013，0.000). 模拟采用MM5近地层方案、YSU 边界层方案、Noah 陆面模式、RRTM 长波辐射、Dudhia 短波辐射方案、Kain-Fritsch积云参数化方案和WSM6 微物理方案. 模拟时段为2020 年4 月29 日2 时 至5 月1 日2 时 共48 h. 初始、边界条件由美国国家环境预报中心(National Centers for Environment Prediction, NCEP)再 分 析 数据(NCEP-FNL， 1°×1°， 6 h 一次)得到.

图5 模拟区域网格设定Fig. 5 Simulation domains setting

2.2 波导类型以及特征量分布的模拟分析

4 月29 日2 时至5 月1 日2 时的数值模拟结果如图6 所示，可以看出，台湾海峡确实持续存在显著的大气波导现象. 模拟前期台湾海峡和广东沿海主要以弱悬空波导和多层波导为主，其中弱悬空波导的顶高位于700～1 300 m，且随着远离大陆沿岸而逐渐抬升，这与以往研究结果一致[13]；多层波导的顶高普遍较低，以400～600 m 为主. 4 月30 日2 时台湾海峡中南部开始出现顶高500 m 左右的表面波导，4 月30 日14 时至5 月1 日2 时台湾海峡几乎被顶高200～600 m 的表面波导所覆盖，这一演变过程同时伴随波导强度的持续增强. 4 月30 日14 时台湾海峡的表面波导整体增强至15 M 单位以上，局部达到40 M 单位上；而5 月1 日2 时台湾海峡内的表面波导整体强度均达到了40 M 单位以上.

除此之外，台湾岛东北方向的开阔海域上也持续存在较强的悬空波导，其稳定存在的成因与850 hPa高压反气旋系统伴随的干空气团覆盖在湿的海洋大气边界层上有关，如图6 所示.

图6 模拟波导类型、波导强度及波导顶高Fig. 6 Simulated duct type, duct strength and duct top height

3 传播评估验证

上述分析研究已表明，此次台湾海峡附近发生的雷达异常传播现象，确实对应有持续存在的大气波导过程. 当大气环境中存在大气波导时，大气波导能否将电磁波捕获在波导内形成雷达超视距探测，一般还必须满足以下基本条件：1)电磁波的频率必须高于最低陷获频率；2)电磁波发射源位于大气波导层内(悬空波导存在特殊)；3)电磁波的发射仰角必须小于临界仰角[4].

下面结合5 月1 日1 时厦门站的气象雷达参数、实测雷达回波和模式模拟预报的非均匀大气波导结构，进行波导条件下的电波传播评估验证. 如图2(c)所示，厦门当面海区出现较大范围的云雨回波，从回波强度上看，厦门站正南偏东约12°的局部海域有中到大雨，而临近时刻(图1(d))的红外云图只显示台湾海峡中北部有云覆盖. 进一步分析该时刻的ERA5 再分析资料提供的逐小时累积降水量分布(图7)可知，厦门当面海区内并无降水，由此说明，厦门站出现的是“虚假”降水回波，很可能与大气波导条件下的异常地物回波有关.

图7 2020 年5 月1 日1 时逐小时累积降水量Fig. 7 Hour-by-hour cumulative precipitation at 01:00 on May 1, 2020

从WRF 模式模拟预报的三维大气修正折射率结构中提取厦门站5 月1 日1 时气象雷达传播路径上(沿图2(c)黄色实线)的大气波导非均匀M廓线，结果如图8 所示，红色点对应的高度为波导顶高. 可以看出，该时刻传播路径上以陷获层悬空的强表面波导为主，顶高随着传播距离的增加逐渐降低.

图8 厦门站5 月1 日1 时非均匀M 模拟廓线Fig. 8 Simulated Xiamen station non-uniform M profile at 01:00 on May 1, 2020

下面来评估电波传播结果. 根据模式模拟预报结果沿图2(c)黄色实线提取的非均匀M廓线分布评估的厦门站气象雷达在非均匀大气波导条件下的探测概率如图9 所示，其中垂直波束宽度0.95°，白色区域为地形. 可以看出，电磁波信号因强表面波导的陷获折射，在距站点140～230 km 内折向地面产生异常地物回波，与图2(c)中厦门站气象雷达实测回波图吻合，只是模式预报距站点100 km 附近的跳跃盲区在实测回波图上仍存在5～10 dB 的弱回波信号.

图9 模拟厦门站气象雷达探测概率Fig. 9 Simulated detection probability of weather radar at Xiamen Station

4 结 论

本文利用ECMWF ERA5 再分析资料、葵花卫星云图，借助WRF4.2 模式高时空分辨率模拟数据和电磁传播模型，证实东南沿海多部气象雷达出现异常地物回波与台湾海峡内持续存在显著的大气波导过程有关.

大气波导出现的成因主要是由于台湾海峡位于500 hPa 高空槽后，下沉运动伴随的增温减湿使得850 hPa 存在明显的干区，加之低层1 000 hPa 受暖脊控制，形成逆温层结. 逆温层阻止海面附近的水汽上传，形成强烈的湿度随高度锐减层，进而使得4 月30 日14 时至5 月1 日2 时台湾海峡几乎被顶高200～600 m 的表面波导覆盖，且波导强度持续增强.

进一步利用WRF 模式模拟预报的气象雷达传播路径上的非均匀大气波导结构，输入电磁波传播模型，得到的电磁波传播特征与雷达实测回波的主体结构吻合，这一结果为后续大气波导气象环境与雷达电磁波传播应用相结合的研究提供了重要参考.