大氣波導(dǎo)的天氣形勢分析

1、青島海域大氣波導(dǎo)的天氣形勢分析摘要本文首先回顧了大氣波導(dǎo)的定義、分類、形成機制的相關(guān)知識。以青島 海域為研究區(qū)域，利用青島氣象觀測站探空資料，確定該海域在2007年的所 有大氣波導(dǎo)事件。根據(jù)大氣波導(dǎo)事件所對應(yīng)的FNL再分析數(shù)據(jù)，運用經(jīng)驗正 交函數(shù)（EOF）分析方法探究大氣波導(dǎo)發(fā)生的主要天氣形勢。通過仔細分析 FNL再分析數(shù)據(jù)1000，850，700hPa高度和溫度場的EOF分解結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1） 冬季冷空氣的活動導(dǎo)致低層冷平流較高層強出現(xiàn)逆溫；春夏季青島位于高低 壓之間，偏向低壓并且有暖平流；夏季青島位于高低壓之間，靠近高壓而且 有暖平流易于發(fā)生大氣波導(dǎo)。（2）2007年青島海域發(fā)生的大氣波導(dǎo)的

2、類型 多為抬升波導(dǎo)。關(guān)鍵詞：青島海域，大氣波導(dǎo)，EOF分析，天氣形勢Analysis of the Weather Situation on Ducts over QingdaoRegionSeaAbstractIn this paper, the knowledge of the definition, classification and formation mechanism of atmospheric duct is firstly reviewed. Sounding observations of Qingdao station is used to determine all

3、duct events occurred in 2007. FNL reanalyis data was analyzed corresponding with the time of the determined duct events, the Empirical Orthogonal Function (EOF) method is used to explore the main weather situation when duct occurred. EOF analysis on the height and temperature fields on 700, 850 and

4、1000hPa of the data of FNL reanalysis are carefully conducted, the results can be outlined as: (1) the activities of cold air in winter lead to cold advection at low level stronger than that at high level, which results in inversion in atmospheric layer. In spring and summer, Qingdao region sea loca

5、tes between low and high pressure systems, and it is nearer to the former that causes warm advection in spring and summer. In summer, Qingdao locates between low and high pressure systems, and it is nearer to the latter that causes warm advection in summer. (2) uplift atmospheric duct is the dominan

6、t type over Qingdao region sea in 2007.Key words:?目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 1大氣波導(dǎo)回顧5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.1雷達與大氣波導(dǎo)5 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 1.2大氣折射指數(shù)類型與大氣波導(dǎo)類型5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 1.3大氣波導(dǎo)與天氣形勢6 HYPERLINK

7、l bookmark37 o Current Document 2研究內(nèi)容7 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1研究目的7 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 2.2數(shù)據(jù)來源7 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.3內(nèi)容安排8 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 3大氣波導(dǎo)個例的確定8 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.1大氣折射率與大氣波

8、導(dǎo)8 HYPERLINK l bookmark115 o Current Document 2007年青島海域大氣折射率計算9 HYPERLINK l bookmark118 o Current Document 3.3大氣波導(dǎo)個例的時間確定9 HYPERLINK l bookmark121 o Current Document 4大氣波導(dǎo)的天氣形勢分析10 HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 4.1經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法10 HYPERLINK l bookmark130 o Current Document FNL再分析數(shù)據(jù)的EOF分解11

9、HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 2007年青島發(fā)生大氣波導(dǎo)的主要類型15 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 5小結(jié)和不足16 HYPERLINK l bookmark139 o Current Document 5.1結(jié)論16 HYPERLINK l bookmark144 o Current Document 5.2不足16 HYPERLINK l bookmark147 o Current Document 參考文獻17 HYPERLINK l bookmark150 o Curren

10、t Document 致謝18表目錄 TOC o 1-5 h z 表1大氣折射基本類型及其對應(yīng)的大氣折射指數(shù)垂直梯度19圖目錄（合為圖標(biāo)目錄較好！ ?。﹫D1 2007年青島海域發(fā)生大氣波導(dǎo)的逐月統(tǒng)計19圖2 EOF分解后1000hPa的高度場和溫度場的第一模態(tài)20圖3 EOF分解后1000hPa的高度場和溫度場的第二模態(tài)20圖4 EOF分解后1000hPa的高度場和溫度場的第三模態(tài)21圖5 EOF分解后850hPa的高度場和溫度場的第一模態(tài)21圖6 EOF分解后850hPa的高度場和溫度場的第二模態(tài)22圖7 EOF分解后850hPa的高度場和溫度場的第三模態(tài)22圖8 EOF分解后850hPa的

11、高度場和溫度場的第四模態(tài)23圖9 EOF分解后700hPa的高度場和溫度場的第一模態(tài)23圖10 EOF分解后700hPa的高度場和溫度場的第二模態(tài)24圖11 EOF分解后700hPa的高度場和溫度場的第三模態(tài)24圖12大氣波導(dǎo)的各種類型個數(shù)251大氣波導(dǎo)回顧1.1雷達與大氣波導(dǎo)隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，雷達的使用已經(jīng)進入到各種各樣的領(lǐng)域，尤其 在軍事和氣象方面應(yīng)用的比較廣泛。應(yīng)用雷達進行觀測的時候經(jīng)常會發(fā)生電磁波 傳播異常的現(xiàn)象，其中一種顯著的現(xiàn)象就是：當(dāng)在某個氣層中出現(xiàn)陷獲折射現(xiàn)象 時，在大氣邊界層尤其是在近地層中傳播的電磁波，受大氣折射的影響，其傳播 軌跡彎向地面，部分電磁波被陷獲在一定厚

12、度的大氣薄層內(nèi)傳播，就像電磁波在 金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導(dǎo)傳播。形成大氣波導(dǎo)傳 播的一定厚度的大氣層，稱為大氣波導(dǎo)。大氣波導(dǎo)可以使雷達探測到數(shù)倍于雷達 正常探測距離，這就是所謂的超視距探測的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)超視距探測現(xiàn)象的時候，雷達能夠探測到數(shù)倍于自己正常視距的電磁 波，這樣就有一定幾率探測到外圍較遠距離的敵方的電磁波，敵機等反射回來的 電磁波，出其不意的對其進行打擊或者進行積極防御。但是當(dāng)出現(xiàn)超視距探測現(xiàn) 象的時候，敵方也是可以接收到我方的電磁波，可能導(dǎo)致一些比較重要的機密被 敵方探聽到，對我方影響比較大。另外所以在波導(dǎo)頂以上一定空間內(nèi)由于幾乎沒 有電磁波輻射穿過而成為

13、電磁盲區(qū)，盲區(qū)是防御系統(tǒng)的薄弱部位，卻是對方隱蔽 接敵、實施突防的最佳路徑。抬升波導(dǎo)也會將電磁波捕獲在波導(dǎo)內(nèi)形成波導(dǎo)傳播， 從而改變電磁系統(tǒng)的有效覆蓋范圍，在擴大位于波導(dǎo)內(nèi)的電磁系統(tǒng)的有效作用距 離的同時，在波導(dǎo)頂形成電磁盲區(qū)。此外，也可能增強雷達雜波，減弱雷達作戰(zhàn) 性能。抬升波導(dǎo)也會將電磁波捕獲在波導(dǎo)內(nèi)形成波導(dǎo)傳播，從而改變電磁系統(tǒng)的 有效覆蓋范圍，在擴大位于波導(dǎo)內(nèi)的電磁系統(tǒng)的有效作用距離的同時，在波導(dǎo)頂 形成電磁盲區(qū)。此外，也可能增強雷達雜波，減弱雷達作戰(zhàn)性能1。1.2大氣折射指數(shù)類型與大氣波導(dǎo)類型根據(jù)大氣折射指數(shù)垂直梯度，可以將大氣折射分為六種基本折射類型，如表一。如果折射指數(shù)N不隨高度

14、而變化，則電磁波傳播的路徑為直線，這種情況稱 為無折射；當(dāng)折射指數(shù)N隨高度增加而下降，電磁波的傳播路徑向下彎曲，這種 情況稱為正折射，又叫標(biāo)準(zhǔn)折射或正常折射；如果大氣的折射情況是的彎曲程度 恰與地球曲率相同，則增加探測和通信距離，這種情況叫臨界折射；當(dāng)折射指數(shù) N隨高度的增加而增加時，傳播路徑向上彎曲，這種情況稱為負折射，其結(jié)果使 探測和通信距離縮短；如果折射指數(shù)N隨高度的增加而減小得很快，就產(chǎn)生超折 射現(xiàn)象。此時射線的曲率超過了地球的曲率，射線有一定的高度反射到地面，再 反射上去，如此反復(fù)進行，電磁波可以傳到很遠的地方，這種現(xiàn)象常常發(fā)生在海 洋上和沿海地區(qū)。大氣波導(dǎo)的分類：在海洋大氣環(huán)境中通

15、常出現(xiàn)三種類型的大氣波導(dǎo)：蒸發(fā)波 導(dǎo)、表面波導(dǎo)（也稱接地波導(dǎo)）和抬升波導(dǎo)（也稱懸空波導(dǎo)），后兩種大氣波導(dǎo) 也可能出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中。表面波導(dǎo)是下邊界與地表相連的大氣波導(dǎo)，一般發(fā)生在300m高度以下的邊 界層大氣中，他通常出現(xiàn)的形式有兩種，一種是波導(dǎo)層由一個接地陷獲層直接構(gòu) 成的表面波導(dǎo)，另一種是波導(dǎo)層有一個懸空陷獲層疊加到一個折射指數(shù)梯度較小 的接地基礎(chǔ)層之上而形成的表面波導(dǎo)。抬升波導(dǎo)是下邊界懸空的大氣波導(dǎo)，一般發(fā)生在3000m高度以下的對流層底 層大氣中，它通常是由一個懸空陷獲層疊加到一個懸空基礎(chǔ)層之上而構(gòu)成。抬升 波導(dǎo)的一個顯著特點是波導(dǎo)頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)大于地面的大氣修正折射指 數(shù)，

16、抬升波導(dǎo)的下邊界高度一般距地面數(shù)十米或數(shù)百米，在此高度之上一般出現(xiàn) 一層逆溫層結(jié)。蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的一種特殊的表面波導(dǎo)，它是由于海 面水汽蒸發(fā)使得在海面上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減而形成的。蒸發(fā) 波導(dǎo)一般發(fā)生在海洋大氣環(huán)境40m高度以下的近海面大氣中，他有一個較薄的陷 獲層組成。蒸發(fā)波導(dǎo)高度隨地理緯度、季節(jié)、一日內(nèi)的時間等而變化，通常在低 緯度海域的夏季白天蒸發(fā)波導(dǎo)的高度較高。1.3大氣波導(dǎo)與天氣形勢電磁波在大氣中進行傳播，由于大氣成分、氣壓、溫度和濕度隨時間、高度、地 區(qū)的不同，從而造成吸收、折射、反射和散射的情況將有所不同。其中折射是由 于大氣壓強、溫度和濕度隨高度

17、變化形成不同的折射率，致使電磁波傳播方向發(fā) 生彎折。大氣波導(dǎo)天氣學(xué)研究主要是研究大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的天氣學(xué)條件和形成機 制，為分析預(yù)報利用大氣波導(dǎo)現(xiàn)象提供科學(xué)依據(jù)。由于青島地區(qū)位于黃海北部，是我國黃海北部地區(qū)的一個重要的經(jīng)濟和軍事 中心，很可能成為敵對國家的重要探測目標(biāo)。所以這個地方的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn) 的頻率如何，發(fā)生的時間如何，在什么天氣形勢下容易發(fā)生就成為我們研究的一 個重點。2研究內(nèi)容2.1研究目的由于雷達在軍事和民用中的作用越來越大，對雷達探測的精確性也越來越 高。眾所周知，雷達是通過電磁波碰到障礙物的反射，從而收到反射回來的電磁 波，來進行判斷出障礙物的相關(guān)信息。但是電磁波的傳播會受到大氣

18、折射的影響， 從而出現(xiàn)超視距探測，這會影響到雷達探測的精確性。大氣波導(dǎo)現(xiàn)象會將電磁波 禁錮在一個大氣薄層中，使其造成超長傳播。通過對2007年青島地區(qū)探空數(shù)據(jù)的處理找出對應(yīng)的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，然后找 出大氣波導(dǎo)現(xiàn)象對應(yīng)的天氣形勢，運用自然正交函數(shù)分析對其進行分解，找出有 利于發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的天氣形勢，以便于以后在這種天氣形勢條件下注意到大 氣波導(dǎo)現(xiàn)象會產(chǎn)生的危害和對我們自己有利的一方面，對其進行運用。2.2數(shù)據(jù)來源2007年I0XI0的逐6小時FNL再分析數(shù)據(jù)1，其中包括地面及1000hPa至 500hPa的各氣壓層的高度場、溫度場、風(fēng)場數(shù)據(jù)。地面觀測數(shù)據(jù)，來自英國網(wǎng)站 HYPERLINK /d

19、atasets/ds082.0/ /datasets/ds082.0/ HYPERLINK .uk/gtsdata.htm .uk/gtsdata.htm、中國海洋大學(xué)MICAPS接收小站,2007年探空 觀測數(shù)據(jù)。2.3內(nèi)容安排首先通過青島氣象觀測站的2007年探空數(shù)據(jù)，根據(jù)大氣波導(dǎo)和大氣折射之 間的關(guān)系，計算2007年發(fā)生大氣波導(dǎo)的時刻。對這些時刻所對應(yīng)的FNL再分析 數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗正交函數(shù)分析，然后對所做出的天氣形勢圖進行分析得出易于發(fā)生 大氣波導(dǎo)的天氣形勢。3大氣波導(dǎo)個例的確定3.1大氣折射率與大氣波導(dǎo)影響大氣環(huán)境中的電磁波傳播特性的主要大氣因子是大氣折射率，大氣層的 相對介電常數(shù)非常接

20、近于1，因此它的折射系數(shù)n = %二二1.00261.0046，為 了表明這個微小的變化，對頻率在1100Ghz范圍內(nèi)的電磁波，大氣折射指數(shù)與 氣溫T、氣壓P和水汽壓e之間的函數(shù)關(guān)系f（P,T,e）其關(guān)系式由下式給出：4810e)T /*10 -6(1)上式中的水汽壓的計算用到馬格納斯（Magnus）公式，其經(jīng)驗公式為:e = 6.1078exp17.13T - 273.16T - 384其中T的單位為K。N = (n -1) x 106 =(2)77.64810e、(P +)T T該式為一個經(jīng)驗公式，其中N = （n -1） x 106是大氣折射指數(shù)的實際應(yīng)用單位，簡稱為折射指數(shù)N單位，T是

21、大氣的絕對溫度，單位應(yīng)用開爾文溫度為K，P為實 際氣壓，e為水汽壓，單位為hPa，通常氣壓、溫度和水汽壓都隨高度變化。當(dāng)電磁波傳播距離很短時，可近似認為地球表面為平面，但電磁波傳播距離 較長時，就必須考慮地球曲率的影響，此時為了將地球表面處理成平面，通常使用進行了地球曲率訂正的大氣修正折射率m和大氣修正折射指數(shù)（又稱大氣折射 指數(shù)模數(shù)）M（M單位）更為方便，表達式如下；（3）（4）Zm - n + R0M =（m - 1）x 106 - N + x 106R0上式中R - 6.37 x 106 m為平均地球半徑，Z （單位m）為地表以上的高度。上式可簡化為：M - N + 0.157Z（5）將

22、式（2），（5）分別對高度Z求導(dǎo)可得：dN 77.6 （9620eT 77.6 dP 373256 3eP +dZ T 2 T ）dZT dZT 2 8ZdMdZdNdZ+ 0.1573.2 2007年青島海域大氣折射率計算通過對2007年青島市的探空數(shù)據(jù)的讀取，根據(jù)氣壓值對讀取出來的數(shù)據(jù)進 行由大到小的排序，然后利用常規(guī)層中的壓強和位勢高度利用線性插值地方法計 算特性層中的位勢高度，從而得出排序后各個氣壓后對應(yīng)的位勢高度，利用常規(guī) 層和特性層的位勢高度計算大氣折射指數(shù)N單位，從而計算大氣折射指數(shù)修正值 M的數(shù)值，并得出N,M隨高度變化的數(shù)值。對于得出的M和N值進行高度求導(dǎo)， 所得出的值即為青

23、島海域大氣折射率計算。3.3大氣波導(dǎo)個例的時間確定對青島氣象觀測站的2007年探空數(shù)據(jù)運用FORTRAN程序進行讀取。通過上 述方法進行大氣折射率的計算，由于當(dāng)dN/dZ-157時會發(fā)生大氣波導(dǎo)，這樣在 N的高度廓線圖上不是很清晰的分辨出來，所以我們常利用dM/dZ0157無折射0157正常折射-79 - 079 - 157標(biāo)準(zhǔn)折射-39117超折射-157 - -790 - 79臨界折射-1570陷獲折射-1570表1大氣折射基本類型及其對應(yīng)的大氣折射指數(shù)垂直梯度Tab.1 Basic types of atmospheric refraction and its corresponding

24、 vertical gradient of atmosphericrefractive index數(shù)次導(dǎo)波0505050504 3 3 2 2 11圖1 2007年青島海域發(fā)生大氣波導(dǎo)的逐月統(tǒng)計Fig.1 the monthly statistics of atmospheric duct events at Qingdao region sea in 2007圖2.1000hPa的高度場和溫度場的EOF第一模態(tài)（圖中實線表示高度的特征向量，長虛線表示溫度的特征向量）Fig.2 After the EOF decomposition the first model of the 1000hPa

25、 height and temperature fields（其他也照樣更改！）圖3 1000hPa的高度場和溫度場的EOF第二模態(tài)（圖中實線表示高度的特征向量，長虛線表示溫度的特征向量）Fig.3 the EOF mode 2 of 1000hPa height and temperature fieldsLOOOhPa_mode_3圖4 EOF分解后1000hPa的高度場和溫度場的第三模態(tài)（圖中實線表示高度的特征向量，長虛線表示溫度的特征向量）Fig.4 After the EOF decomposition the third model of the 1000hPa height and temperature fields圖5 EOF分解后850hPa的高度場和溫度場的第一模態(tài)（圖中實線表示高度的特征向量，長虛線表示溫度的特征向量）Fig.5 After the EOF decomposition the first model of the 850hPa height and temperature fields圖6 EOF分解后850hPa的高度場和溫度場的第二模態(tài)（圖中實線表示高度的特征向量，