基于蒸發(fā)波導(dǎo)的電磁波傳輸條件_圖文

1、基于蒸發(fā)波導(dǎo)的電磁 波傳輸條件AbstractThe existence duct environment affects the propagation path of radio waves and forms a different EM energy coverage. This propagation mechanism causes multiple propagation path and lead complex co-channel interference problems in the communication systems. Meanwhile, because o

2、f instability of the layers, serious path fading is also caused. In military, the presence of the duct environment may cause serious effects to radar systems, such as radio holes and extension of detection range. Thus, study and discussion in depth of it is very significant in the fields of communic

3、ation and national defense.In this paper, firstly we discuss the physical character of the evaporation duct, including the physical properties, how to use PJ model to solve the height of evaporation duct and the influence factors in the atmosphere. Then, we discuss the two main influence factors of

4、the propagation distance of the radio waves, the frequency and the launch elevation of radio waves. Finally, we discuss the propagation distance of the radio waves transmitting in the evaporation duct and give two different solution of the propagation distance.緒論人們?cè)诶美走_(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí),經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)一些電磁波的異常傳 播。其中一種顯著的

5、現(xiàn)象是:在一定的氣象條件下,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, 當(dāng)曲率超過地球表面曲率時(shí), 電磁波會(huì)部分地被陷獲在一定厚 度的大氣薄層內(nèi), 就像電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣, 這種現(xiàn)象稱 為大氣波導(dǎo)傳播, 形成波導(dǎo)傳播的大氣薄層稱為大氣波導(dǎo)層。 大氣波 導(dǎo)現(xiàn)象使得雷達(dá)有可能觀測(cè)到數(shù)倍于雷達(dá)正常探測(cè)距離處的目標(biāo), 實(shí) 現(xiàn)所謂超視距探測(cè)和超視距接收, 并且大氣波導(dǎo)可增加雷達(dá)測(cè)距、 測(cè) 角、測(cè)速的誤差,使雷達(dá)探測(cè)出現(xiàn)大面積盲區(qū)。大氣波導(dǎo)現(xiàn)象經(jīng)常會(huì) 將雷達(dá)正常探測(cè)條件下不可能出現(xiàn)在雷達(dá)顯示屏上的遠(yuǎn)處的陸地雜 波或海面雜波等顯示出來,從而大大增加了雷

6、達(dá)雜波信號(hào)分布范圍, 降低了雷達(dá)的檢測(cè)分辨性能。 大氣波導(dǎo)存在與否對(duì)短波通信的影響也 很大, 因此充分研究大氣波導(dǎo)現(xiàn)象及其對(duì)電磁波傳播的影響具有廣闊 的應(yīng)用前景。 大氣波導(dǎo)是對(duì)流層環(huán)境的一種異常大氣結(jié)構(gòu), 自二戰(zhàn)以 來人們就開始了有關(guān)低空大氣波導(dǎo)的研究。 二戰(zhàn)結(jié)束后, 在對(duì)許多影 響大氣波導(dǎo)中電波傳播的大氣物理因素研究取得進(jìn)展以后, 人們開始 了對(duì)大氣波導(dǎo)形成的物理機(jī)制及相關(guān)的大氣過程、大氣波導(dǎo)傳播理 論、 低空大氣波導(dǎo)探測(cè)和預(yù)報(bào)以及應(yīng)用展開了全面研究。 根據(jù)大氣修正折射率的空間分布特征, 可將大氣波導(dǎo)分為表面波導(dǎo)、 懸空波導(dǎo)和 蒸發(fā)波導(dǎo)三類。 大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅可以使電磁波偏離原來

7、的傳播方向, 而且能夠使電磁波以較小的衰減沿波導(dǎo)傳播到很遠(yuǎn)的地 方。在無線電管理上, 這就使系統(tǒng)間的相互干擾問題復(fù)雜化,既可能 干擾其它線路又可能形成新的傳播路徑。 在軍事應(yīng)用上, 大氣波導(dǎo)傳 播會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)盲區(qū)的出現(xiàn)和雷達(dá)雜波的增強(qiáng), 從而造成定位失效甚至 目標(biāo)丟失, 但當(dāng)具有合適的頻率及發(fā)射仰角時(shí)雷達(dá)又能實(shí)現(xiàn)超視距探 測(cè), 這就為雷達(dá)探測(cè)視距以外的目標(biāo)提供了一種新途徑; 大氣波導(dǎo)現(xiàn) 象還可能會(huì)造成正常微波通信電路的中斷,但也會(huì)因此而形成遠(yuǎn)距 離、 大容量信息傳輸?shù)男滦臀⒉ǔ暰嗤ㄐ朋w制, 從而解決缺乏基礎(chǔ) 通信設(shè)施的廣闊海域的通信保障問題; 大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)也將大大地增 加敵我雙方電子作戰(zhàn)的靈

8、活性, 使基于電子武器系統(tǒng)的電子偵察與反 偵察、電子干擾與反干擾、電子欺騙與反欺騙、電子隱身與反隱身、 電子摧毀與反摧毀等具有新的攻防作戰(zhàn)手段, 這對(duì)我方獲取戰(zhàn)場(chǎng)電磁 優(yōu)勢(shì)、 掌握戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜使用和控制權(quán)具有極其重要的指導(dǎo)意義。 總 之, 隨著無線電電子系統(tǒng)性能要求與工作頻率的提高, 如何克服大氣 反常傳播給電子系統(tǒng)性能帶來的負(fù)面影響, 更好地了解低空大氣及其 動(dòng)態(tài)特性, 對(duì)雷達(dá)、通信、光電傳感器、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別和作戰(zhàn)任務(wù)規(guī) 劃的指揮和控制來說至關(guān)重要。 同時(shí), 如何利用大氣反常傳播這一現(xiàn) 象來提高電子系統(tǒng)的工作效能, 并對(duì)各種大氣環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遙感、 遙 測(cè), 通過研究大氣波導(dǎo)環(huán)境中各種氣象條件

9、、 戰(zhàn)場(chǎng)條件下的電波傳播 特性以及提高電波傳播特性建模的精確性, 使以大氣波導(dǎo)傳播為代表的大氣反常傳播特性研究的重要性變得十分突出。 另外, 大氣波導(dǎo)傳 播特性不僅與氣象條件有關(guān), 還與地理位置、氣候區(qū)域緊密聯(lián)系,一 些傳播特性預(yù)測(cè)不能簡(jiǎn)單地套用已有的預(yù)測(cè)模式, 必須針對(duì)不同區(qū)域 進(jìn)行深入地測(cè)量分析和試驗(yàn)研究, 才能更好地為我國國防中電子武器 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化和評(píng)估提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。 本文首先介紹了海洋環(huán)境下的大氣波導(dǎo), 著重介紹蒸發(fā)波導(dǎo); 然 后對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)的分布規(guī)律進(jìn)行了闡述, 給出蒸發(fā)波導(dǎo)高度的求法以及 如何利用 PJ 模型去求解;最后重點(diǎn)說明電磁波射線的頻率和仰角對(duì) 射線在

10、蒸發(fā)波導(dǎo)中傳播產(chǎn)生的影響, 并給出了能夠產(chǎn)生超視距傳播的 射線的最小頻率及最大仰角的求法, 以及傳播產(chǎn)生的跳距的不同計(jì)算 方法。目錄目錄第一章 蒸發(fā)波導(dǎo)物理特性內(nèi)容提要蒸發(fā)波導(dǎo)是近海面大氣由于水汽密度隨高度銳減而形成的一種 異常的電波傳播現(xiàn)象。 作為一種特殊的對(duì)流層波導(dǎo)傳播形式, 通過對(duì) 流層波導(dǎo)的形成、 參數(shù)描述以及對(duì)電波傳播的影響的分析研究, 有利 于蒸發(fā)波導(dǎo)中類似問題的研究。 本章通過對(duì)比, 分析了蒸發(fā)波導(dǎo)描述 參數(shù)、形成原因以及利用 PJ 模型求蒸發(fā)波導(dǎo)高度,并對(duì)我國海域蒸 發(fā)波導(dǎo)的環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行了說明。電波傳播主要受大氣吸收、 折射、 折射的影響在各個(gè)頻段上都是 顯著的, 而折射效應(yīng)的

11、顯著程度主要依賴于沿路徑的折射指數(shù)變化梯 度和射線初始仰角。反射和散射的影響。在所有這些因素中,而折射 效應(yīng)的顯著程度主要依賴于沿路徑實(shí)際的大氣屬于不均勻介質(zhì), 其大 氣成分、 壓強(qiáng)、 溫度和濕度都隨高度變化, 這種變化通常使大氣折射 指數(shù) n 隨高度增大而減小。因此在一定的大氣折射指數(shù)梯度變化條件 下, 以一定仰角發(fā)射的電磁波波束將微微向下彎曲。 通常折射指數(shù)的水平變化相對(duì)于垂直變化可忽略,對(duì)流層低層的折射指數(shù) n 大約在 1. 000250和 1. 000400之間,接近于 1。為方便引入折射率 N:(6110N n =- (11-其中, n 是大氣折射指數(shù) ;N 的單位是 n 單位。 若

12、假設(shè)地球大氣為均 勻球面分層, 即可使用球面分層介質(zhì)中的 Snell 定律得到修正折射指數(shù) (m h :(1e e h h m h n h n h r r =+ (12-其中, n(h為離地高度 h 處的空氣折射指數(shù), e r 為地球半徑。若將地球表面假想為一個(gè)平面, 而將電波射線作為等效的彎曲射 線,則大氣修正折射率 M 定義為:610e hM N r =+ (13-其中. e r 為地球半徑, 取 6370km ; h 為地面以上高度,單位是 m 。則有:0.157M N h =+ (14-由于大氣的不均勻, 電磁波在其中的傳播路徑不再是直線, 而是 彎向地面的。 若電波傳播路徑的曲率超過

13、地球表面的曲率, 則存在關(guān) 系式:10.157dNm dh -<- (15-此時(shí), 近地層一定高度內(nèi)將發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。將式 (1-5代入式 (1 4 式有:0dM dh < (16-則當(dāng)修正折射率 M 為最小值為大氣波導(dǎo)的高度。 根據(jù)不同大氣層 結(jié)或探空數(shù)據(jù)就可以預(yù)測(cè)發(fā)生大氣波導(dǎo)的高度范圍。在海洋大氣環(huán)境中通?？沙霈F(xiàn)三種類型的大氣波導(dǎo):蒸發(fā)波導(dǎo) (evaporationduct、 表面波導(dǎo) (surface'血 ct 和懸空波導(dǎo) (olevated duct 。后兩種大氣波導(dǎo)也可能出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中。圖 1. 2給出 了三種類型的大氣波導(dǎo)特征參量。表面波導(dǎo)是下邊界與地襲

14、相連的大氣波導(dǎo), 一般發(fā)生在 300m 高度 以下的邊界大氣中。 它通常出現(xiàn)的形式有兩種:一種是波導(dǎo)層由一個(gè) 接地陷獲層直接構(gòu)成的表面波導(dǎo) (如圖 1. 1-a ; 另一種是波導(dǎo)層由一 個(gè)懸空陷獲層疊加到一個(gè)修正折射率梯度較小的接地基礎(chǔ)層之上而 構(gòu)成的表面波導(dǎo) (如圖 2. 1-b 。 表面波導(dǎo)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是波導(dǎo)層頂 的大氣修正折射率小于地面的大氣修正折射率。 表面波導(dǎo)一般出現(xiàn)在 大氣較穩(wěn)定的晴好天氣里, 此時(shí)低層大氣往往有一個(gè)比較穩(wěn)定的逆溫 層, 并且濕度一般隨高度遞減。 在海洋大氣環(huán)境中常見的易于形成表 面波導(dǎo)的天氣條件主要有:在晴朗無風(fēng)的天氣背景下, 海面夜間輻射 降溫形成一個(gè)近地層的

15、輻射逆溫層; 干暖氣團(tuán)從陸地平移到濕冷的海 面上空時(shí),形成近地層大氣溫度下冷上暖、 濕度下濕上千的狀況;雨 后造成近地層下層大氣又冷又濕的情況。1112 Z hZ h(a表面波導(dǎo) (b含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo) 1h 2h ZZ h(c懸空波導(dǎo) (d蒸發(fā)波導(dǎo)在圖 1. 1中, h 為波導(dǎo)頂高度, 1h 為陷獲層頂高度, 2h 為基礎(chǔ)層底高度, d 為波導(dǎo)厚度, 1d 為陷獲層厚度, 2d 為基礎(chǔ)層厚度, M 為波 導(dǎo)強(qiáng)度。懸空波導(dǎo)是下邊界懸空的大氣波導(dǎo), 一般發(fā)生在 3000刪高度以下 的對(duì)流層低層大氣中。 它通常是由一個(gè)懸空陷獲層疊加到一個(gè)懸空基 礎(chǔ)層之上而構(gòu)成 (如圖 1. 1-c 。 懸空波導(dǎo)的

16、一個(gè)顯著特點(diǎn)是波導(dǎo)層頂 的大氣修正折射率大于地面的大氣修正折射率。 懸空波導(dǎo)的下邊界高 度一般距離地面數(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)。在海洋大氣環(huán)境中常見的易于形成懸空波導(dǎo)的天氣條件主要有:受副熱帶高壓影響, 高層大氣存在大范圍的下沉運(yùn)動(dòng)使得干熱氣層覆 蓋于冷濕的海洋邊界層低層大氣之上, 形成一層懸空的逆溫層; 在季 風(fēng)海域和海陸風(fēng)環(huán)流盛行海域, 干暖空氣由陸地平流至冷濕的海面近 地層大氣上方, 由于低層湍流較強(qiáng)而在上層形成一個(gè)溫度隨高度遞減 的逆溫層; 冬季海洋云蓋大氣邊界層中, 在低云云頂之上的混合層頂 處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)濕度隨高度銳減的逆溫層。蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出

17、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 (如圖 1. 1-d 。 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, 它由一個(gè)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(shí)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。海上蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海水的蒸發(fā)而形成的一種貼海波導(dǎo), 其主要 參數(shù)是蒸發(fā)波導(dǎo)高度 . 蒸發(fā)波導(dǎo)高度是通信系統(tǒng)天線高度選擇所 用的基本參數(shù)。 由于近海面水汽隨高度升高異常迅速地下降, 使得海 面或者大面積水域上空的蒸發(fā)波導(dǎo)有較高的出現(xiàn)概率。且存在時(shí)間 長(zhǎng)。一般情況下,折

18、射率 N 是空氣狀態(tài) (大氣強(qiáng) P 、氣溫 T 和水汽壓 e 的函數(shù),由下式給出:13eN n T T =+=- (17-其中, n 是大氣折射指數(shù) ,P 、 T 、 e 的單位分別是 hP a 、 K 、 hP a , 且 水 汽 壓6.105100x rh e e =, rh 為 相 對(duì) 濕 度 , 273. 2255. 31l n 273. 2T Tx T -=-. (1-7式假定大氣遵循理想氣體定律, 忽略了色散效應(yīng),其中的常數(shù)是測(cè)量出來的。由于蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象具有超長(zhǎng)水平尺度特征和顯著的天氣背景, 其 特征量對(duì)大氣濕度、氣海溫差、水平風(fēng)速等氣象要素的變化十分敏 感. 并且日變化和季節(jié)變化

19、相當(dāng)明顯。 只要確定大氣折射參數(shù)的垂直 結(jié)構(gòu),就可確定大氣波導(dǎo)特征參量。表 1. 1給出了不同大氣機(jī)構(gòu)條 件下對(duì)電磁波傳播的影響。 表 1.1 各種折射類型的存在條件電波傳播通常會(huì)因?yàn)榇髿庹凵渎孰S高度的變化而收到影響。 當(dāng)大 氣折射率垂直梯度翻 dN /dh>0時(shí),電磁波的傳播軌跡將背著地球而15凸起彎曲, 此時(shí)的大氣為負(fù)折射 (sub-refraction; 當(dāng) dN /dh=0時(shí), 電磁波的傳播軌跡不發(fā)生彎曲,而沿直線傳播,此時(shí)的大氣無折射 (non refraction :當(dāng) dN /dh<0時(shí), 電磁波的傳播軌跡將凹著鴦向 地 球 , 此 時(shí) 的 大 氣 為 正 折 射 。

20、 正 折 射 包 括 標(biāo) 準(zhǔn) 折 射 (normalrefraction、 超 折 射 (super refraction 、 臨 界 折 射 (critical refraction、陷獲折射 (trapped refraction等。當(dāng)近海面的大氣修正折射率 M 滿足陷獲折射的條件時(shí), 海面附近 的雷達(dá)發(fā)射站的電波將形成波導(dǎo)傳播。第二節(jié) 蒸發(fā)波導(dǎo)高度由第一節(jié)的(1-5 (1-6式可知,在底層大氣中,當(dāng) 10.157dNm dh -<-或 0dMdh <時(shí), 即大氣折射率 N 或修正折射率 M 隨高 度 的 增 加 而 降 低 時(shí) , 就 會(huì) 產(chǎn) 生 大 氣 波 導(dǎo) 現(xiàn) 象 ,

21、而 當(dāng) 10. 157dNm dh -=-或 0dMdh =時(shí),大氣折射率及修正折射率最小,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的高度 h 即為波導(dǎo)高度。目前國際上描述海面蒸發(fā)波導(dǎo)的模型主要有:Paulu8 Jeske(PJ模型 (Jeske 1973; Paulus 1984, 1985, 1989 、 usson Genon Gauthier16BrutIl(MGB模型 (1992和 The proposed model(model A, Fairall 1978 。 這些模型都是基于 Monin Obukhov 和 LKB 理論, 各模型的不 同點(diǎn)在于 T 與 q 的梯度的算法。PJ 模型介紹:PJ 模型使用海面

22、以上一定高度 (6 m 上的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速 以及海表溫度作為輸入,其基本思想主要有以下幾點(diǎn):(1使用不隨氣壓變化的位折射率 N 來代替折射率 N ,將產(chǎn)生蒸發(fā)波導(dǎo)的前提條件用位折射率梯度來表示。2 引入總體理查森數(shù)來描述大氣穩(wěn)定度以及計(jì)算莫寧一奧布霍 夫長(zhǎng)度等物理量。3 參數(shù)及結(jié)果的修正。首先, H . V . Hitney 等人建議總體理查 森數(shù)應(yīng)不大于 1,否則令其為 1;其次, R . A . Paulus 通過對(duì)歷史資 料和較精確的浮標(biāo)資料的分析,對(duì)氣海溫差大于一 1條件下的計(jì)算 結(jié)果進(jìn)行修正, 方法為若氣海溫差為 0時(shí)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度大于氣海溫 差為一 1時(shí)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度,則計(jì)算

23、結(jié)果取一 1時(shí)的結(jié)果,否則 仍按實(shí)際氣海溫差計(jì)算。PJ 模型的計(jì)算步驟:(1利用輸入?yún)?shù)計(jì)算理查德森數(shù) (12369a s ib akT T R h u T -= (18-式中:為測(cè)量參考高度; 為海洋表面周圍的空氣溫度 (單位 ; 為海洋表面周圍的空氣溫度 (單位K ; 為海洋表面的海水溫度 (單位 ; u 為海洋表面的風(fēng)速 (單位 k ,且 值被限制必須小于 l ?？傮w理查德森數(shù)ibR 反應(yīng)了大氣層結(jié)的穩(wěn)定性, 當(dāng) ib R >0時(shí)表示穩(wěn)定層結(jié);當(dāng)ibR =0時(shí)表示中性層結(jié); ib R <0表示不穩(wěn)定層結(jié)。選取史 氣象水文數(shù)據(jù),蒸發(fā)波導(dǎo) PJ 模型計(jì)算各條有效記錄對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)高度

24、 和總體理查森數(shù), 隨后對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)高度和總體理查森數(shù)進(jìn)行統(tǒng)可得到 其分布規(guī)律。 表 1.2 蒸發(fā)波導(dǎo)高度和理查德森數(shù)分布規(guī)律(2利用理查德森數(shù)來計(jì)算 Monin Obukhov 長(zhǎng)度1718'110eibh L R =(19- 式中:函數(shù) 將根據(jù)不同 值而有不同的計(jì)算方式,計(jì)算方式如下所示0.14ib ib ib e ib ib ib ibR R R R R R R -+-<-=+-<+(110-(3計(jì)算在海洋表面空氣折射率與海水折射率之差值,其公式如 下a sN N N =- (111-式 中 :為 海 洋 表 面 的 空 氣 折 射 率 , 計(jì) 算 方 法 如 下77.

25、610004810a akak N e T T =+ (112-式中:的 為海洋表面的空氣溫度 (單位為 K ; e 為海洋表 面周 ,其公式如下akT T rh e T -=-(113- 式中:rh 代表海洋表面周圍的相對(duì)濕度; 為海洋表面的海水折射率,計(jì)算方法如下77.610004810s s sk sk N e T T =+ (114-19式中:為海洋表面的海水溫度 (單位為 K ; 為海洋表面海水的水汽壓,表示如下273.2sks skT T e T -=- (115-(4判斷大氣與海洋表面之間的穩(wěn)定性情況,以決定用何種方程 式計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)的高度。 當(dāng) 0 l 時(shí), 代表海洋表面周圍的

26、空氣溫度大于海洋表面的海水溫度, 此時(shí)熱量的傳播方向是由空氣往海水 傳播,因此空氣不易產(chǎn)生對(duì)流,為穩(wěn)定的狀態(tài)。此時(shí)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的 計(jì)算方式表示如下=0,0N或 11' '2N=-+- (116-如果式 (10計(jì)算出來的 0<或 ' /1L >, 那么蒸發(fā)波導(dǎo)的高度改 由式(11計(jì)算(- (117-式中:為空氣動(dòng)力學(xué)上的一個(gè)表面粗糙度參數(shù); 為大氣參數(shù) 的測(cè)量高度。而當(dāng) 0<時(shí),代表海洋表面周圍的空氣溫度小于海洋表面的海水溫度, 此時(shí)熱量的傳播方向是由海水往空氣傳播, 因此空氣會(huì)受熱 并上升, 造成對(duì)流的情形發(fā)生,此為不穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下蒸20發(fā)波

27、導(dǎo)高度的計(jì)算方式表示如下 =(118-式中:0.125/A B N =-; (10ln /B h h =-,而函數(shù) 的計(jì)算方式如下1'1' 1' 1' 11' '1.02log 0.691'0.776log 0.3061'0.630log 0.161' 0.414log 0.161'1'10, 0.1110, 12.22, 2.2h L h L h L h L h h L Lh Lh L h Lh Lh L-+ -+ -+-+ ->->-=->->-<-(119-將蒸發(fā)波導(dǎo)高度

28、計(jì)算出來后, 接下來就可以計(jì)算修正后的折射率 隨高度的分布資料。在穩(wěn)定的狀態(tài)下 (O 1 和不穩(wěn)定 的狀態(tài)下(0>,修正后的折射率隨高度的分布可以由式 (14來計(jì)算(0'0'8s ib s ib h h h h M R h L L M h h h h M R h L L +-+< +=+-+< (120-21式中:函數(shù) 的算法是將下列方程式34' 20.81h L-= (121-利用 Newton 迭代法進(jìn)行求解。即可獲得蒸發(fā)波導(dǎo)高度以及修正后的 折射率梯度。第三節(jié) 蒸發(fā)波導(dǎo)的強(qiáng)度與分布我國海域廣闊, 海洋資源豐富, 在經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中占有舉足輕 重的

29、位置, 尤其是南海和東海海域有著重要的戰(zhàn)略意義, 該地區(qū)也是 大氣波導(dǎo)出現(xiàn)的高概率區(qū)。 本文利用 19821999年 18年的海洋觀測(cè) 資料和 19861999年 15年的船舶探空資料, 主要對(duì)東經(jīng) 0100140北 緯 0040海域的蒸發(fā)波導(dǎo)和海上低空大氣波導(dǎo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并給 出了基本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。參照世界氣象組織 WMO 將海域劃分為 001010的馬士頓方的方法 將東經(jīng) 0100140, 北緯 0040的海域進(jìn)行劃分, 區(qū)域劃分如表一所示, 如 11005區(qū)代表東經(jīng) 0110115,北緯 0510之間的海域。各海區(qū)蒸發(fā) 波導(dǎo)的出現(xiàn)概率、 波導(dǎo)高度和波導(dǎo)強(qiáng)度 (取絕對(duì)值之后的值 的統(tǒng)計(jì)結(jié)

30、 果如表 1.3所示。 表 1.3圖 1.4各海區(qū)不同時(shí)段蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)概率22 圖 1.5各海區(qū)不同季節(jié)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)概率 圖 1.6 不同時(shí)段蒸發(fā)波導(dǎo)高度和強(qiáng)度變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,上述海區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率一般在 85%左右,在 北京時(shí)間 02點(diǎn)、 08點(diǎn)和 20點(diǎn)波導(dǎo)出現(xiàn)概率較高,達(dá)到 90%左右,而 14點(diǎn)波導(dǎo)出現(xiàn)概率相對(duì)較低,約為 84%,見圖 1.3。 蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn) 概率隨季節(jié)也有變化,其中冬季和秋季出現(xiàn)概率在 91%左右,夏季次 之,約為 87%,春季相對(duì)較低,約為 85%,見圖 1.4。另外在圖 1.2和圖 1.4中, 部分海區(qū)的波導(dǎo)概率出現(xiàn) 100%和小于 70%的情況, 這是

31、由于統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)相對(duì)較少(100造成的。23圖 1.5結(jié)果表明, 蒸發(fā)波導(dǎo)高度一般在 15m 左右, 在不同時(shí)段上 北京時(shí) 14點(diǎn)高度較高,約為 16m , 20點(diǎn)較低,約為 14m 。蒸發(fā)波導(dǎo) 高度隨季節(jié)的變化情況是, 秋季較大, 約為 16m , 冬季次之, 約為 15m , 春季相對(duì)較低,約為 13m 。各海區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)的強(qiáng)度一般在 35M 左右, 不同時(shí)段蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度的變化情況和高度變化情況極其相似,見圖 1.4。第四節(jié) 影響因素蒸發(fā)波導(dǎo)通常具有顯著的日變化特征和季節(jié)變化特征。一般來 說,在同一海域,蒸發(fā)波導(dǎo)的高度白天比夜晚高,夏季比冬季高。分 析某海域的氣象資料, 其中圖 1.6為某海

32、域日問蒸發(fā)波導(dǎo)高度統(tǒng)計(jì)情 況,圖 1.7為某海域夜間蒸發(fā)波導(dǎo)高度統(tǒng)計(jì)情況。24 圖 1.6圖 1.7從以上兩圖可以看出, 對(duì)于同一海域來說, 蒸發(fā)波導(dǎo)的高度白天 比夜間高。 同理, 抽取某海域夏季和冬季的一個(gè)月的氣象資料加以分25析,如下圖所示。 圖 1.8 圖 1.9從以上兩圖可以看出,同一海域蒸發(fā)波導(dǎo)的高度夏季比冬季高 。大氣波導(dǎo)特征量對(duì)大氣濕度的變化非常敏感。 我們做一下蒸發(fā)波 導(dǎo)高度隨大氣濕度變化的敏感性試驗(yàn)。選取某海域,其海面水溫為 23. 4,參考高度 6米處的氣溫為 24. 4,風(fēng)速為 4. 5m /s ,氣 壓為 1006. 4hPa 。令參考高度處的大氣相對(duì)濕度從 88. 5

33、%變化到 63. 5%,由此造成的蒸發(fā)波導(dǎo)高度的變化如圖 1.10所示。從圖中我 們可以看出,在其他氣象因素一定的情況下,大氣相對(duì)濕度越低,蒸 發(fā)波導(dǎo)高度越高。 圖 1.10所示為相對(duì)濕度變化對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的影響 圖 1.11所示為氣海溫差以及氣壓變化對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的 影響同理, 做一下蒸發(fā)波導(dǎo)隨氣海溫差變化的敏感性試驗(yàn)。 選取某海 域,相對(duì)濕度為 78. 6%,風(fēng)速為 5. 5m /s ,氣海溫差從 -5變化到 5。仿真得到蒸發(fā)波導(dǎo)高度與氣海溫差的關(guān)系如圖 1.11。從圖中我 們可以看出, 當(dāng)氣海溫差為正值時(shí), 蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化對(duì)氣海溫差的 變化反應(yīng)比較敏感, 而當(dāng)氣海溫差為負(fù)值時(shí), 蒸發(fā)波

34、導(dǎo)高度變化對(duì)氣 海溫差的變化反應(yīng)顯得比較遲鈍。接著,我們分析一下氣壓敏感性, 通常情況下,對(duì)流層空氣壓力可由指數(shù)形式很好地給出,即:(00exp /p z z z =- (122- 這里 是地面空氣壓力, 是均質(zhì)大氣高度, R為普適氣體常數(shù), 是空氣分子量。近海面氣壓變化范圍是 995 1032hPa ,其他初始條件不變,通過流體靜力學(xué)推導(dǎo) ,仿真得 到波導(dǎo)高度與氣壓的關(guān)系如圖 1.10b 不所示,波導(dǎo)高度從 10. 93米 變化到 11. 03米,可見變化幅度非常小,氣壓敏感性最小。 圖 1.12所示為風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的影響選取某海域,其海面水溫為 23. 4,參考高度 6米處的溫度為 2

35、4. 4,氣壓 1006. 4hPa ,相對(duì)濕度為 78. 5%,參考高度的風(fēng)速由 5m /s 變化到 15m /s ,蒸發(fā)波導(dǎo)高度如圖 1.12所示。從圖中我們 可以看出,蒸發(fā)波導(dǎo)高度隨風(fēng)速增大而減小,在低風(fēng)速 (5m/s lOm /s 時(shí),蒸發(fā)波導(dǎo)高度的變化率大于高風(fēng)速時(shí)的變化率。通過上述分析表明,蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)大氣濕度、 氣海溫差、氣壓和風(fēng) 速等氣象因素具有一定的敏感性, 其敏感性由高到低依次為:大氣濕 度、氣海溫差、 風(fēng)速和氣壓。 其中不同的大氣層結(jié)下敏感程度又各不 相同, 另外, 蒸發(fā)波導(dǎo)也呈現(xiàn)季節(jié)變化特征和日變化特征, 一般來說, 在同一海域,蒸發(fā)波導(dǎo)的高度白天比夜晚高,夏季比冬季高。

36、需要指 出的是, 敏感性是非線性的, 不同的大氣初始條件下,相對(duì)傳感器精 度及氣象因素的敏感性會(huì)發(fā)生變化; 但總的趨勢(shì)是一樣的, 可以用同 樣的方法具體情況具體分析 。第五節(jié) 具體分布事例分析(一 南海、東海蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律的對(duì)比分析摘要利用 2002年 13月的鐵塔平臺(tái)氣象水文數(shù)據(jù)以及 New 蒸發(fā)波導(dǎo) 模型分析研究了南海及東海海域蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)規(guī)律, 并利用實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。 結(jié)果表明:南海海域蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)概率、 高度、 強(qiáng)度分別為 100%、 13. 4m 和 30. 3M , 而東海海域分別為 90%、 9. 1m 和 16. 6M ;除以 14時(shí)為代表的中午時(shí)刻,南海

37、海域一天當(dāng)中 蒸發(fā)波導(dǎo)基本上都出現(xiàn)在不穩(wěn)定及近中性層結(jié)條件下, 而東海海域蒸 發(fā)波導(dǎo)在穩(wěn)定、 不穩(wěn)定和近中性層結(jié)條件下的出現(xiàn)概率差別不大; 相 對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)高度而言, New 模型診斷蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率和強(qiáng)度的效果更好;不穩(wěn)定及近中性弱不穩(wěn)定層結(jié)條件下, New 模型診斷的蒸發(fā)波 導(dǎo)高度偏低, 穩(wěn)定層結(jié)條件下模型結(jié)果偏高, 近中性弱穩(wěn)定條件下模 型結(jié)果與實(shí)測(cè)最吻合。(二渤海蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)規(guī)律1. 根據(jù) PJ 模型計(jì)算的蒸發(fā)波導(dǎo)高度試驗(yàn)期間利用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)和 PJ 模型計(jì)算的每日蒸發(fā)波導(dǎo)高度 平均值如圖 1.13所示。從圖中可見,試驗(yàn)期間渤海海區(qū)的蒸發(fā)波導(dǎo) 高度日平均值在 8 m 以上的只有 8次,其

38、余時(shí)間的蒸發(fā)波導(dǎo)高度日平 均值都在 8 m 以下。主要原因是試驗(yàn)期間渤海海區(qū)多雨,導(dǎo)致相對(duì)濕 度偏大,從而使蒸發(fā)波導(dǎo)高度值偏低,不利于形成大氣波導(dǎo)。 圖 1.13試驗(yàn)期間蒸發(fā)波導(dǎo)高度日平均值變化圖同樣, 根據(jù)計(jì)算得到的每天每小時(shí)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度值, 可以繪制 出一天的蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化圖, 來分析一天當(dāng)中蒸發(fā)波導(dǎo)高度的變化 情況。以 6月 18日為例, 如圖 1.14所示,從圖中可以看出,一天之 內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)高度是在不斷變化的, 凌晨和中午的高度較高, 午夜最低。31 圖 1.14 6月 18日蒸發(fā)波導(dǎo)高度變化圖2. 與雷達(dá)實(shí)際探測(cè)結(jié)果的比對(duì)C 波段對(duì)海搜索雷達(dá)。 6月 22日6月 29日的岸基 C

39、 波段對(duì)海 搜索雷達(dá)記錄的探測(cè)畫面和渤海海區(qū)海圖進(jìn)行比對(duì)分析。 在這里選擇 每一部雷達(dá)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)和不出現(xiàn)大氣波導(dǎo)的兩幅不同的探測(cè)畫面, 雷達(dá)探測(cè)顯示畫面中相鄰兩個(gè)距標(biāo)圈之間的距離為 20 n mile。 C 波段雷達(dá)在沒有大氣波導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)的探測(cè)距離為 40 n mil左右, 90 n mil處的老鐵山水道根本就無法探測(cè)到,而在有大氣波導(dǎo)的時(shí) 候不僅老鐵山水道能夠探測(cè)到,而且探測(cè)距離甚至至少達(dá)到了 100 n mil(由于 C 波段雷達(dá)在 100 n mil外不做數(shù)據(jù)32 圖 1.15 C波段對(duì)海搜索雷達(dá)顯示畫面 圖 1.16 S波段對(duì)海搜索雷達(dá)顯示畫面處理,畫面不顯示 100 n mil外的情

40、況 ,探測(cè)距離至少是沒有大氣 波導(dǎo)時(shí)的 2. 5倍。S 波段對(duì)海搜索雷達(dá)。 在沒有大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的時(shí)候探測(cè)距離為 40 n mil左右,無法探測(cè)到距離 90 n mil外的老鐵山水道中的目標(biāo), 而在有大氣波導(dǎo)的時(shí)候可以清晰的探測(cè)到老鐵山水道海域的情況, 觀 察一段時(shí)間后, 可以看到往返老鐵山水道的船只非常多, 而且探測(cè)距 離甚至達(dá)到了 180 n mil,可以探測(cè)到山東半島,這時(shí) S 波段雷達(dá)的 探測(cè)距離是沒有大氣波導(dǎo)時(shí)的 4. 5倍,探測(cè)距離大大增加。33 分析中采用了 NCEP 庫中 1990 2008 年的再分析數(shù)據(jù),首先將 某年某日某時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)輸入到 NPS 預(yù)測(cè)模型中,計(jì)算出蒸發(fā)波

41、 導(dǎo)高度樣本,然后利用統(tǒng)計(jì)方法獲得不同海域的月平均分布規(guī)律。 圖 1.17中粗線構(gòu)成的方格是按照 分辨率形成的馬斯頓 方格, 根據(jù)這種劃分, 我國周邊主要海域的蒸發(fā)波導(dǎo)特性只能用黃海、 東海、南海北部、南海中部、南海南部 5個(gè)馬斯頓方格進(jìn)行表示,顯 然很難準(zhǔn)確地描述蒸發(fā)波導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,實(shí)用性較差。 相反,采用 NCEP 數(shù)據(jù)的網(wǎng)格是圖中細(xì)線構(gòu)成的方格,與馬斯頓方格相比,分辨 率提高約 28倍 .圖 1.17 蒸發(fā)波導(dǎo)特性網(wǎng)格點(diǎn)劃分圖在 AREPS 軟件中,從獲得統(tǒng)計(jì)特性的樣本數(shù)來看,黃海、東海、 南海北部、南海中部、南海南部 5 個(gè)馬斯頓方格的樣本數(shù)分別為3436131, 161840, 49

42、665, 289345, 40734,由于數(shù)據(jù)來自船測(cè)數(shù)據(jù), 東海和南海中部的樣本數(shù)較多, 這與該海域航線很忙有關(guān) . 本文采用 1990 2008 的 NCEP 數(shù)據(jù),除 2001年數(shù)據(jù)有異常不使用外,每個(gè)格 點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 26280, 若與 AREPS 軟件一樣求取馬斯頓方格內(nèi)的 平均,則每個(gè)馬斯頓方格內(nèi) NCEP 樣本總數(shù)為 735840,大約分別是以 上 AREPS 中 5個(gè)馬斯頓方格樣本數(shù)的 20, 4.5, 14.8, 2.5 和 18倍 . 利用自 1990年以來共 18 年的 NCEP 氣象數(shù)據(jù),采用 NPS 模型可 計(jì)算得到全球海域的蒸發(fā)波導(dǎo)高度月平均值,如圖 1.18所

43、示為西太 平洋蒸發(fā)波導(dǎo)高度平均值隨月份的變化,圖 1.19是從南到北 4個(gè)局 部海域的波導(dǎo)平均高度隨月份的變化 . 分析圖 1.18和圖 1.19可看出 不同海域、不同月份的蒸發(fā)波導(dǎo)具有以下明顯的時(shí)空分布特征: 1渤海及黃海:3 7月的波導(dǎo)高度很高,尤其是在 5 月,達(dá) 到西太平洋海域的最高值, 在黃海典型海域的波導(dǎo)平均值高達(dá) 28.5m ; 該海域全年中 1 月、 8 月、 12 月的波導(dǎo)相對(duì)較低。2 東海及其以東的西太平洋海域:1 4月和 10 12 月的波導(dǎo) 較高,而在 5 9 月的平均波導(dǎo)高度小于 10 m。3南海北部沿海海域:1 3 月和 11, 12月的波導(dǎo)較高,平均 值約為 14

44、 m,而在 4 10 月的平均波導(dǎo)高度較低,一般小于 10 m。35圖 1.18西太平洋蒸發(fā)波導(dǎo)高度隨月份的變化4 南海中部海域:整體上比其他海域的蒸發(fā)波導(dǎo)弱, 除 1, 2 月 和 12月的波導(dǎo)高度約 10 m外,其他月份的波導(dǎo)高度平均值都較低 . 5整個(gè)西太平洋海域:1 5 月和 10 12 月,西太平洋北部海 域比赤道附近海域的蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng),而在 6 8 月,黃海、渤海的波導(dǎo) 較高,西太平洋南部海域的波導(dǎo)次之,而東海的波導(dǎo)較低 .因此,從長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均來分析, 在我國周邊海域,由于受到 復(fù)雜氣象要素和氣候變化的影響, 蒸發(fā)波導(dǎo)的分布規(guī)律并不簡(jiǎn)單符合 “南方比北方高、夏季比冬季高”的一般原

45、則,而是具有復(fù)雜的時(shí)空 分布特征和內(nèi)在原因 .圖 1.17比較了 AREPS 和 NCEP 數(shù)據(jù)所獲得的蒸發(fā)波導(dǎo)高度 . AREPS 在中國周邊海域主要有 4 個(gè) 的馬斯頓方格(見圖1.17 ,分別是南海、南海北部、東海和黃海 . 為了具有可比性,將馬斯頓方格內(nèi)所有 NCEP 數(shù)據(jù)格點(diǎn)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度進(jìn)行平 均,也獲得了相同馬斯頓方格的蒸發(fā)波導(dǎo)平均值 . 從圖 1.18 中可以 看出:由于蒸發(fā)波導(dǎo)估計(jì)的數(shù)據(jù)來源不同, 最重要的是估計(jì)蒸發(fā)波導(dǎo) 的方法不同,蒸發(fā)波導(dǎo)高度存在較大差異, NPS 估計(jì)值一般比 PJ 估 計(jì)值小,這與文獻(xiàn)中認(rèn)為 PJ 模型估計(jì)值偏大的結(jié)果一致 . 從模型的 理論分析和數(shù)據(jù)

46、的時(shí)效性,以及通過前述的與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的比較來看, 本文基于 NCEP 數(shù)據(jù)和 NPS 模型的蒸發(fā)波導(dǎo)分析結(jié)果,具有更高的精 度 .第六節(jié) 綜合分析1渤海及黃海:3 7 月的波導(dǎo)高度很高, 主要原因是該海域在 這些月份的氣海溫差大于 0 ,近海面處于穩(wěn)定層結(jié)特征,再加上 該海域具有 2 m/s的小風(fēng)速,相對(duì)濕度一般小于 80%,由 2.3 節(jié)的 分析可知,這種氣象條件將形成很高的蒸發(fā)波導(dǎo); 1月和 12 月處于 不穩(wěn)定條件,盡管相對(duì)濕度較低,但由于溫度和風(fēng)速較低,導(dǎo)致波導(dǎo) 高度較低; 8 月多為中性條件,但由于風(fēng)速僅為 3m/s,且相對(duì)濕度 約為 90%,導(dǎo)致 8 月份的蒸發(fā)波導(dǎo)為全年最低 .2東

47、海及其以東的西太平洋海域:近海面氣象大部分處于不穩(wěn)定條件, 1 4 月和 10 12 月的波導(dǎo)較高,主要原因是相對(duì)濕度較 低,一般在 80%以下,而在 5 9 月的平均波導(dǎo)高度小于 10 m,主 要原因是相對(duì)濕度很高,平均值高達(dá)約 90%.3 南海北部沿海海域:以不穩(wěn)定層結(jié)為主, 1 3月和 11, 12 月 的波導(dǎo)較高,平均值約為 14m ,主要原因是相對(duì)濕度較低、且風(fēng)速較 大;而在 4 10 月的平均波導(dǎo)高度較低,一般小于 10 m,主要原因 是風(fēng)速變小,而相對(duì)濕度很高,平均值高達(dá) 90%左右 .4南海中部海域:近海面主要是不穩(wěn)定氣象條件, 1, 2 月和 12 月的風(fēng)速較高,波導(dǎo)高度約為

48、 10 m ,其他月份的波導(dǎo)高度平均值 都較低,主要原因是該海域在 1 4 月、 10 12 月的相對(duì)濕度一般 都在 85%以上, 而 5 9 月的風(fēng)速又較小, 使得該海域整體上比其他 海域的蒸發(fā)波導(dǎo)弱 .5整個(gè)西太平洋海域:1 5月和 10 12月,西太平洋北部海 域比赤道附近海域的蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng), 主要原因是相對(duì)濕度在北部海域較 低;而在 6 8 月,黃海、渤海的波導(dǎo)較高,與該海域處于穩(wěn)定層結(jié) 有關(guān),西太平洋南部海域的波導(dǎo)次之,東海的波導(dǎo)較低, 主要原因是 東海在 6 8 月份的相對(duì)濕度高,且風(fēng)速不大 .6風(fēng)向的影響:我國絕大多數(shù)地區(qū)一年中風(fēng)向發(fā)生著規(guī)律性的 季節(jié)更替,這是由我國所處的地理位置

49、主要是海陸配置所決定的 . 由 于大陸和海洋熱力特性的差異, 冬季嚴(yán)寒的亞洲內(nèi)陸形成一個(gè)冷性高 氣壓, 東部和南部的海洋上相對(duì)成為一個(gè)熱性低氣壓, 高氣壓區(qū)的空 氣要流向低氣壓區(qū) . 因此,在 1 4月和 9 12 月,東海及其以南的大部分海域以東北風(fēng)居多,黃海以北主要為西北風(fēng) . 相反在 5 8月 的夏季, 大陸熱于海洋,高溫的大陸成為低氣壓區(qū),涼爽的海洋成為 高氣壓區(qū),因此我國大部分近海以東南風(fēng)和西南風(fēng)為主 .風(fēng)向?qū)ο鄬?duì)濕度具有重要的影響 . 在黃海、 東海北部及其以東的 西太平洋海域, 在 1 4月和 11 12月,由于主要是西北風(fēng),由大陸 風(fēng)帶來的干燥氣流使得該部分海域的相對(duì)濕度比南方

50、海域小, 這與蒸 發(fā)波導(dǎo)在該海域較強(qiáng)的分布特征比較一致 . 而我國東南沿海在 5 9 月的相對(duì)濕度較高, 這主要是由于東南風(fēng)從海洋帶來的濕潤(rùn)空氣, 而 且也是熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)多發(fā)季節(jié), 雨水較多產(chǎn)生的, 這與東南沿海在 這些月份的蒸發(fā)波導(dǎo)高度較低比較一致 .從以上分析可以看出, 西太平洋蒸發(fā)波導(dǎo)的時(shí)空分布特征, 受多 種氣象要素時(shí)空分布特性的影響, 其內(nèi)在關(guān)系十分復(fù)雜, 影響的主要 要素包括氣海溫差、相對(duì)濕度、風(fēng)速和空氣溫度, 風(fēng)向雖沒有直接作 用,但風(fēng)向的轉(zhuǎn)換,也反映在相對(duì)濕度的變化上, 從而引起蒸發(fā)波導(dǎo) 特性的變化 . 圖 1.19 氣海溫差長(zhǎng)時(shí)間月平均值的時(shí)空分布 圖 1.20 相對(duì)濕度長(zhǎng)

51、時(shí)間月平均值的時(shí)空分布第二章 電磁波傳輸極限頻率 (臨界波 長(zhǎng)內(nèi)容提要本章系統(tǒng)介紹了電磁波在傳輸過程中頻率與波長(zhǎng)的問題。 本章內(nèi)容中,首先介紹了極限頻率(臨界波長(zhǎng)中相關(guān)的一些基 礎(chǔ)知識(shí),然后介紹了極限頻率(臨界波長(zhǎng)的具體計(jì)算方法,最后還 介紹了傳輸頻率對(duì)損耗的影響。通過本章的學(xué)習(xí), 讀者可以對(duì)電磁波傳輸?shù)念l率和波長(zhǎng)方面的內(nèi) 容有深入的了解。第一節(jié) 極限頻率(臨界波長(zhǎng)要實(shí)現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播, 首先必須判定是否有大氣波導(dǎo)的存在, 然 后還要知道波導(dǎo)的厚度、高度、出現(xiàn)時(shí)間等波導(dǎo)特征參數(shù),這就需要 進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,或進(jìn)行大氣波導(dǎo)特征參數(shù)的預(yù)測(cè)。另外,我們知道, 當(dāng)對(duì)流層大氣中存在蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí), 在對(duì)流層大氣中

52、傳播的電磁波不一 定都能形成波導(dǎo)傳播。 因?yàn)樵诖髿庵袀鞑サ碾姶挪芊癖辉谔囟庀?條件下產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)捕獲到波導(dǎo)層中形成波導(dǎo)傳播, 要取決于該電磁波的波長(zhǎng) (頻率 、發(fā)射源與蒸發(fā)波導(dǎo)所處的相對(duì)位置以及發(fā)射源的 發(fā)射角度等參數(shù)。 對(duì)于蒸發(fā)波導(dǎo)傳播而言, 除了確定存在蒸發(fā)波導(dǎo)之 外,還需要知道實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)傳播的電波的臨界波長(zhǎng)和穿透角 (或稱 為臨界入射角 。因此可以說,只有在一定頻率 (或波長(zhǎng) 范圍內(nèi)的無線 電波才能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)傳播, 這就需要事先獲得蒸發(fā)波導(dǎo)的臨界頻率 (或波長(zhǎng) ,只有工作頻率大于臨界頻率或工作波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng)時(shí)才 能進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)傳播。所以說, 實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)傳播的必要條件是:電磁

53、波的波長(zhǎng)必須小 于最大陷獲波長(zhǎng) ,或頻率必須高于最低陷獲頻率 。第二節(jié) 極限頻率計(jì)算(臨界波長(zhǎng)第一節(jié)中提到, 要實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)傳播, 則對(duì)電波頻率與波長(zhǎng)是有 一定限制的。根據(jù)對(duì)流層折射的波模理論, 若要形成蒸發(fā)波導(dǎo)傳播, 則無線電 波的波長(zhǎng)、 空氣折射率梯度和波導(dǎo)層厚度三者之間必須滿足一定的關(guān) 系。 由于產(chǎn)生波導(dǎo)概率最大的一般是海上蒸發(fā)波導(dǎo), 實(shí)際應(yīng)用中的環(huán) 境主要是海上或海岸, 形成的蒸發(fā)波導(dǎo)一般為表面波導(dǎo), 因此這里只 討論表面波導(dǎo)傳播中雷達(dá)波長(zhǎng)、空氣折射率梯度與波導(dǎo)層厚度的關(guān) 系。假定波導(dǎo)層內(nèi)的大氣折射率 N 沿高度線性遞減,即波導(dǎo)層內(nèi)的0.157dN Ndh<-單位 /m,且為一常

54、數(shù),若電磁波在波導(dǎo)底以一定的仰角射入波導(dǎo)層形成波導(dǎo)傳播, 則根據(jù)對(duì)流層折射的波模理論可得出此時(shí) 的水平極化波的最大自由空間波長(zhǎng) m ax h 和垂直極化波的最大自由空 間波長(zhǎng) max v ,并且有 maxmax 3v h =采用平地球模型和電波射線描跡技術(shù), 并引入天線高度, 可得到 波導(dǎo)傳播時(shí)水平極化波和垂直極化波的截止波長(zhǎng)分別為:(1/263/2max100.25h T T T n h n dh a h N=- +(21-(1/263/2max100.75v T TT N n h n dh a h =- + (22-式中、分別為在波導(dǎo)傳播時(shí)水平極化波與垂直極化波的截止波長(zhǎng), 單位 cm ;

55、 為雷達(dá)天線處的空氣折射指數(shù), 為地球平均 半徑, m ; 為天線高度, m ; 為波導(dǎo)層頂高與天線高度之差, m;為波導(dǎo)層內(nèi)折射率的變化量。 根據(jù)頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系 可以推出蒸發(fā)波導(dǎo)傳播的極限頻率為3/2m ax 120h h f -=(23- 3/2m ax 40v h f -=(24- 如果假定發(fā)射源在地表面, 其折射指數(shù), 再利用折射率 N 與修正折射率 M 的關(guān)系式,則簡(jiǎn)化上式,可以得到 1/23/2max0.25h dM ddh =- (25- 1/23/2m ax0.75v dM ddh =- (26-3/2m ax h f -=(27- 3/2m ax v f -=(28- 這里, d 為波導(dǎo)的厚度,單位 m , f 的單位為 GHZ 。(2-5式給出的是受大氣波導(dǎo)影響而形成波導(dǎo)傳播的水平極化 電磁波最大波長(zhǎng), 對(duì)應(yīng)的頻率為最低陷獲頻率, 波長(zhǎng)小于該最大值范 圍、 頻率高于該最