一次大气波导过程天气雷达超视距海面回波分析

章晗 王红光 李建儒

（1. 中国人民解放军92493 部队中心气象台，葫芦岛 125000；2. 中国电波传播研究所，青岛 266107）

引 言

在对流层大气环境中，经常出现大气波导层结，能够使超短波、微波波段形成反常的超视距传播现象，对雷达、通信、电子对抗等装备具有重要影响[1-3].大气波导能够使无线电装备形成超视距能力，加上其对电磁波的陷获作用，导致大气波导顶部形成顶部盲区，文献[4]针对舰载雷达盲区进行了评估，并给出补盲措施. 文献[5-6] 讨论了大气波导对5G 通信TD-LTE 系统的干扰影响. 评估大气波导的影响，需要获得大气波导环境数据. 在大气波导环境统计分析方面，文献[7-8]给出了南海海区的大气波导统计特征；文献[9]基于COSMIC 资料对海上悬空波导的发生概率、高度、强度的全球时空特征进行了统计与分析. 不同环境下获取与分析大气波导的方式往往有所不同，文献[10]给出了环渤海的大气波导测试和试验方法；文献[11-12]针对超强台风环境以及海雾环境下的大气波导成因进行了讨论分析，并进行了相关数值模拟；文献[13-14]针对对海雷达海杂波反演大气波导进行了相关讨论. 多普勒天气雷达是对强对流天气进行监测和预警的主要工具之一，可获得以测站为中心的几百千米范围内的降水、风场等信息. 文献[15]讨论了北京地区暴雪天气的雷达回波特征. 大气波导造成的超视距地物回波对气象反射率因子污染严重，会形成成片的杂斑点，严重干扰对降水的定量观测. 由于沿海地区经常发生大气波导，超视距地物回波的影响更是难以忽略.

存在大气波导环境时，天气雷达低仰角观测有可能接收到超视距的海面后向散射信号，形成反常的超视距海面回波[16]. 天气雷达超视距回波一方面影响雷达数据质量，会造成对回波类型和发展趋势的错误判断，需要识别和抑制反常回波[17-19]；另一方面，这些海面回波中携带了传播环境的信息，可用来反演获得大气环境参数[20-23]. 虽然国内外开展了大量的海杂波反演大气波导研究，但是这些研究大多数是基于一次大气波导试验期间的X 波段雷达数据，且数据量较少，甚至不足以分析一次完整的大气波导生消过程对雷达回波的影响. 同时，雷达实测超视距海面回波数据长期以来一直较为稀缺. 然而，目前也有大量业务化运行的天气雷达，它们全天候获取着高时间分辨率的气象和地物回波，但这些地物回波数据还未得到一定的研究利用.

本文利用实测的青岛站探空数据和多普勒天气雷达观测资料，对一次大气波导过程雷达反常海面回波情况进行了分析，并根据实测回波数据反演了大气波导剖面. 其研究结果对于认识大气波导对雷达海面回波的影响，以及基于海面回波反演大气波导环境等具有重要的参考意义.

1 超视距海面回波形成条件

对于微波波段，对流层大气折射率N与温度、气压和水汽压的关系为[24]

根据大气修正折射率的垂直梯度可将大气折射类型分为4 种：次折射、正常折射、超折射和大气波导，具体如表1 所示. 其中，如果大气修正折射率垂直梯度小于零，表明存在大气波导.

表1 大气折射类型Tab. 1 Atmospheric refraction type

海上大气波导一般可分为蒸发波导、表面波导和悬空波导. 其中，当发生蒸发波导或表面波导，特别是表面波导，并满足一定的频率和仰角情况下，电磁波被陷获于贴近海面的大气层结内，雷达有可能接收到超视距的海面回波.

2 反常海面回波分析

本文采用青岛市天气雷达实测数据，雷达为S 波段，周边地理高程信息如图1 所示. 雷达位于图1中心位置，图中所示与雷达观测半径一致，为230 km.从图1 可以看出，雷达的东南向为开阔海域，不存在气象回波情况下，该方向低仰角的雷达回波来自于海面的后向散射.青岛站气象探空数据表明：2014 年7 月18 日出现了一次表面波导，8 时、20 时及7 月19 日8 时的大气修正折射率剖面如图2 所示. 青岛探空站海拔高度为77 m. 从图2 可见：7 月18 日8 时存在高度约700 m 的悬空波导和高度不超过100 m 的表面波导；7 月18 日20 时形成高度超过200 m 的表面波导；7 月19 日表面波导消失.

图1 雷达覆盖区域地理高程示意图Fig. 1 Schematic diagram of the geographic elevation of theradar coverage area

图2 大气修正折射率剖面(2014 年7 月18 日至7 月19 日)Fig. 2 Modified refractive index profile (Jul. 18—Jul. 19,2014)

7 月18 日20 时雷达基本反射率数据如图3 所示，图中方位是75°～180°的海面方向，量程为230 km，其中方位以正北为基准. 20 时在方位110°，雷达可接收到距离最大为166 km 处的回波，其他方位回波最大距离也几乎都大于100 km，如图3(a)所示. 根据该时刻存在表面波导以及抬高雷达波束时远距离回波消失的现象(如图3(b))，可以判断图3(a)中远距离回波主要为反常的超视距海面回波. 正常大气情况下，该雷达天线海拔高度为169 m，雷达视距仅约为55 km.

7 月18 日8 时至7 月19 日8 时的24 h 内，雷达最低工作仰角(0.48°)的回波变化如图3(a)和图4 所示，图中时间间隔为4 h. 其中，7 月18 日20 时雷达回波见图3(a).

图3 基本反射率(2014 年7 月18 日20 时)Fig. 3 Basic reflectivity (at 20:00 on Jul. 18, 2014)

结合图4 和图3(a)可以看出此次反常传播过程总的趋势是从弱到强，直至消失，反常传播过程与图2所示的修正折射率剖面变化过程基本一致；雷达反常回波出现过由强变弱，又变强地反复，如图4(b)、图4(c)和图4(d)所示；同一时刻雷达回波会存在显著的方位不均匀性，如图4(c)或图4(d)所示；有时海面回波会与气象回波混叠在一起，如图4(a)所示.

图4 雷达海面回波24 h (2014 年7 月18 日8 时至19 日8 时)内变化(仰角0.48°)Fig. 4 Radar sea echo changes within 24 hours from 8:00 on Jul. 18 to 8:00 on Jul. 19, 2014(Elevation angle=0.48°)

从此次大气波导过程可见，雷达反常海面回波空间分布和时间变化复杂，受到大气折射率三维分布及其随时间变化的影响. 由于天气雷达探测具有较高的时间和空间分辨率，因此，利用雷达海面回波可反演获得较高时间分辨率，以及在方位和距离向可获得不均匀的大气折射率剖面.

3 海面反常回波反演大气波导

当前存在利用大气波导环境模拟海面反常回波的模型，而大气波导的雷达海面回波反演实质上就是基于该模型，通过多次模拟海面回波数据，与雷达实测数据对比匹配的过程，匹配性能最好时对应的大气波导参数剖面即为反演结果. 采用的反演步骤如下：

1) 对实测多普勒天气雷达海面回波数据进行滤波预处理，本文采用滑动平均的方法对实测数据进行平滑.

2) 根据主分量分析方法，采用少量参数描述水平不均匀大气修正折射率剖面. 主分量分析是常用的降低维度和特征生成的方法，每一个特征向量表示坐标系的一个维度，本文分别对表面波导高度和强度这2 个参数选取2 个特征向量构成降维后坐标系，特征向量通过加权实现水平不均匀大气折射率剖面的参数化表示，共4 个参数.

3) 以大气修正折射率剖面数据为输入，根据电波传播的抛物方程模型，计算雷达海面回波功率[23].

4) 利用粒子群算法生成大气修正折射率剖面参数，每一组剖面参数计算得到一组海面回波功率，然后与实测海面回波功率进行对比匹配. 粒子群算法是模拟鸟群飞行的行为，通过个体之间的协作使群体达到最优. 在粒子群算法中，粒子的个数称为种群大小，每个粒子代表一个潜在的解. 每个粒子有自己的位置矢量和速度矢量. 根据适应值函数衡量粒子位置的优劣. 粒子群初始位置与速度随机产生，然后根据速度、位置、自身最好适应值和群体最好适应值来更新速度和位置. 反演中采用的适应值函数或目标函数为

5) 达到匹配精度或计算次数时得到的剖面参数即为反演结果参数.

利 用7 月18 日12 时10 km 到80 km 之 间 的 雷达海面回波，反演的大气波导剖面如图5 所示. 根据反演大气波导剖面计算的雷达海面回波、实测回波，以及两者之间的误差如图6 所示. 在80°方位上，反演表面波导高度相对较高，为60 m 以上，雷达海面回波较强，可大于20 dBZ；160°方位表面波导高度相对较低，为40 m 左右，雷达海面回波较弱，一般低于10 dBZ. 计算回波功率与实测回波功率基本一致，误差基本为-5～5 dBZ，表明海面回波模拟和反演不均匀表面波导的有效性.

图5 反演大气波导剖面Fig. 5 Retrieving the duct profile

图6 雷达海面回波Fig. 6 Radar sea echo

4 结 论

大气波导特别是表面波导显著影响天气雷达海面回波的分布，形成反常的超视距回波，从上述实测探空和雷达回波数据的分析可以看出：1)超视距回波与探空剖面中表面波导的发生在趋势上具有一致性；2)相对于气象探空单点测量，天气雷达在方位和距离上具有较高的空间分辨率，以及较高的时间分辨率；3)天气雷达回波表现出非常复杂的空间分布和时间变化规律，这可能与三维大气折射环境及其随时间的变化密切相关，该大气波导过程中海面回波最远距离可达166 km；4)利用大气波导电波传播模型和优化算法根据某时刻雷达反常回波数据能够反演获得该时刻随距离和方位变化的大气波导剖面，实测和根据反演剖面计算的海面回波误差基本不大于5 dBZ，表明可该方法的有效性. 基于天气雷达超视距海面回波的反演方法有可能解决大面积大气波导环境参数获取的问题，具有显著的实用价值.考虑到大气波导与大气的温度、湿度梯度密切相关，后续将进一步开展基于大气波导电波传播模型和优化算法，识别反常回波、反演大气环境参数及其在天气预报中的应用研究.