成印河 张玉生 赵振维 朱凤芹

(1.广东海洋大学海洋与气象学院 陆架及深远海气候、资源与环境省教育厅重点实验室，广东 湛江 524088；2.中国电波传播研究所，山东 青岛 266017)

引 言

在海洋大气环境中，蒸发波导是由于海水蒸发引起的湿度锐减而形成的一种近地层大气结构，是影响30 MHz 以上电磁波传播的一种近海面反常大气环境[1].海上蒸发波导的存在改变了电磁波传播路径和范围，使通信、探测、导航等系统出现了一些特殊的传播特征，如雷达出现超视距传播[2]和探测盲区[3]，从而影响了雷达的探测性能.因此通信、探测、导航等现代应用系统迫切需要海洋环境效应技术的支撑，需要充分考虑蒸发波导环境的影响.这就要求进行蒸发波导环境特性研究.

蒸发波导环境的观测有两种方法，运用微波折射率仪直接探测大气折射率剖面[4]和利用探空气球、定点多层传感器等测量各个高度上的气象参量间接地计算近海面大气折射率剖面.在蒸发波导观测的科学试验中最为常用的是间接测量方法[5-9]，通过测量各个高度上的温度、湿度和大气压，然后计算大气折射率，拟合其剖面.统计分析获得的气象水文廓线，研究利用宏观的水文气象要素开发蒸发波导诊断模型，预测近海面大气折射率廓线的应用方法和系统，为评估和预测舰载雷达、岸基对海雷达提供环境支撑.由于出海观测实验获取数据非常有限，因此蒸发波导环境特征研究中一般结合某一蒸发波导诊断模式进行分析[9-15]，如2000年Paulus等[6]基于模式利用马士顿方的海域划分方法对海滨区域145和116海域的蒸发波导进行了分析，指出年际蒸发波导高度分布及成因；2002年Kerans等[9]利用澳大利亚北部近岸梯度观测浮标上的气象水文数据统计分析了当地的蒸发波导高度，指出海滨蒸发波导高度在24小时日循环中变化很大；2005年蔺发军等[12]和2009年杨坤德等[13]基于蒸发波导模式对我国海域蒸发波导进行了统计分析，指出蒸发波导高度具有季节变化、月变化以及空间分布的特征.

虽然蒸发波导的环境特性研究取得了一定的研究成果，然而我国南海有关蒸发波导的研究却比较少，尤其是基于观测的研究.2009年丁菊丽等[14]基于New模式和铁塔资料分析了南海海区蒸发波导出现规律，指出冬季蒸发波导环境出现概率为100%,由于受蒸发波导诊断模式诊断准确度制约，如2001年刘成国等[16]利用伪折射率模式预测与实测折射率仪观测吻合率为52%，所以基于蒸发波导诊断模式统计规律需要进一步验证和分析.本文针对南海近岸海域，利用铁塔观测气象水文资料分析了南海近岸蒸发波导环境及其影响因素，为诊断和预报蒸发波导环境提供理论依据.

1 数据与分析方法

1.1 数据

本文采用博贺海洋气象科学实验基地的海洋气象观测平台中的大气边界层特征观测塔梯度气象观测数据.该数据具有多种时间分辨率，如10 min平均的，包括相对于平均海平面0 、10、13 m等高度上的温度、相对湿度和风速、风向等信息，其中0 m为利用热红外测温计获得的海表面皮层温度(surface skin temperature, SST).海表面皮层温度能够减少蒸发波导模型诊断计算中的误差，有利于蒸发波导环境的研究[17].该观测塔，见图1，位于广东省茂名市博贺港南面约6 km的海床上，铁塔总高度为53 m，所在海水平均深度为17 m，水面以上为30 m左右.该观测平台受陆地下垫面的影响较小，可获取具有代表性的海气边界层近海海洋观测数据.

图1 海洋大气边界层特征观测塔

我国秋、冬季节蒸发波导观测研究较少，因此，本文以2011年1月为代表的冬季10 min平均梯度气象数据以及海面皮层温度数据每30 min进行了平均，消除湍流的影响，进行南海近岸蒸发波导环境研究.

1.2 数据分析方法

对于微波波段，不同高度的修正大气折射率M采用以下公式进行计算[10]

(1)

式中:P为大气压,hPa；e为水汽压，hPa；T为大气温度, K；z为距离海面的平均高度，m.水汽压计算采用Goff-Gratch饱和水汽压公式为

lgE= 10.79574(1-T1/T)-5.02800lg(T/

T1)+1.50475×10-4(1-

10-8.2969(T/T1-1))+0.42873×

10-3(104.76955(1-T1/T)-1)+0.78614 .

(2)

式中：E为T气温(K)下的饱和水汽压，Pa；T1为常数273.16，式中：那么空气中实际水汽压计算为

e=RH×E×10-4.

(3)

式中：RH为相对湿度，%；e为计算水汽压，hPa.

南海海域的蒸发波导发生高度一般在10 m左右，比较低，同时在电波传播评估应用系统中更注重大气折射率廓线的梯度值即大气折射率随高度分布，如美国海军应用中心研发的个人电脑版工程折射效应评估系统(Engineer’s Refractive Effects Predict System，EREPS)中利用两层大气折射率之差计算蒸发波导高度，其气海大气折射率之差大于零时，其蒸发波导高度为零，即不存在蒸发波导[11].因此利用两层修正大气折射率之差ΔM，可以判断是否发生了蒸发波导；利用其垂直梯度值，大致可以判断近海面大气折射率廓线形状.综上所述，本文尝试采用SST和铁塔两层(10 m和13 m)温度、相对湿度、风速等数据计算修正大气折射率，分析南海近岸蒸发环境研究.10 m与海面折射率之差被称为第一层折射率之差，13 m和10 m层的大气折射率之差被称为第二层折射率之差(下同).

2 南海北部近岸蒸发波导环境

2.1 蒸发波导发生概率分析

2011年1月份每10 min采样数据点中，每30 min取平均，共得1 242组数据.除了1月25日前几天数据缺测外，大部分观测是连续的.第一层和第二层修正大气折射率差随时间变化见图2.

图2 2011年1月第一层和第二层修正大气折射率之差时间序列

从图2中可知 ，2011年冬季第一层大气折射率差值变化非常剧烈，从-38～9 M units之间变化，大部分折射率之差在-38～0 M units之间，而少量在0～9 M units之间，此时可以说明南海近岸蒸发波导发生概率是很高的；而第二层大气折射率之差分布在-2～0 M units之间，随时间变化缓慢，在1月中旬之前，其差值接近于0，而后接近于-1 M units.从两层大气折射率之差中大致可推测近海面大气折射率廓线形状，特别是两层折射率之差的变化说明蒸发波导高度是随时间变化的，但是整个冬季变化不大，在13 m左右，这与文献[14]中的结果是一致的.如果仅考虑传感器误差对大气折射率计算的影响，第一层修正折射率之差小于-1 M units的数据点为1 163个，其南海近岸发生蒸发波导的概率为94%，平均修正折射率梯度为-1.56 M units/m.如果考虑大气折射率对电磁波传播的影响，修正大气折射率梯度绝对值在0.5 M units/m时，南海近岸蒸发波导发生波导数据点为1 060个，其发生概率为85%，平均折射率梯度为-1.67 M units/m.对于第一层大气折射率之差是正值，而第二层是负值的情况，此时大气折射率廓线形状比较复杂，近海面有可能发生了有基础层的表面波导，本文不再进行深入讨论.

2.2 蒸发波导变化分析

由图2可知，整个1月份发生的蒸发波导是连续变化的，呈现二个‘W’状分布，不过在时间分布上不是轴对称的，如2011年1月份，第一个‘W’状，前一个‘V’状持续约10 d，后半部‘V’持续约5 d，第二个恰好相反.这种分布与大的天气系统是紧密联系在一起的，后面还要进一步分析.整个冬季分布规律的基础上，还叠加着好多‘W’状，此时对应着蒸发波导日变化.此时蒸发波导变化还是很有规律的，见图2中选择数据连续的1月25日至2月3日的时间段.显然，虽然蒸发波导高度变化较小，但是其蒸发波导强度变化较大，其中12～14时最大，最大达35 M units，其梯度达到了-2.70 M units/m，而深夜发生蒸发波导强度最小，甚至没有发生蒸发波导.

为了详细分析蒸发波导日变化，本文将1月份数据分成12组，从0时到24时每2 h间隔为一组，具体变化见图3.

从图3中可知，冬季南海近岸蒸发波导一日24 h的变化趋势，蒸发波导发生概率(平均梯度小于-0.5 M units/m)从深夜的70%多到接近中午95%以上逐渐变大.昼夜发生概率相差较大，白天8-16时蒸发波导发生概率较高，90%以上，而夜里发生较低在80%左右.蒸发波导强度变化更是明显，呈现‘V’字型，中午前后达最强达19 M units，深夜最低在14 M units左右.夜间蒸发波导强度变化较小，白天变化较大，由上午16 M units逐渐变化到中午19 M units，下午又逐渐回落到15 M units. 蒸发波导强度和发生概率呈正相关趋势.

3 蒸发波导环境参数分析

为了选择冬季气象要素对蒸发波导影响的贡献，对式(3)求导数，

(4)

代入冬季1月份的平均气温14 ℃、水汽压15.5 hPa和大气压1 015 hPa，式(4)变为

(5)

由式(5)可知，影响冬季南海近岸修正折射率梯度从大到小依次是水汽压、温度、大气压.因此，本文主要分析气温和水汽压对蒸发波导的影响，并与之关系密切的南海近岸的风场[18].

3.1 南海北部近岸温度变化

气海温差在蒸发波导模式计算中是很重要的一个物理量，然而对于特定海域取决于本地的气温和海表面皮层温度.图4给出的南海北部近岸10 m气温、海面皮层温度及气海温差情况.从图4中可知，南海北部近岸气温和海温是正相关的，具有同步的变化状态.海温在14 ℃左右随时间震荡，气温在13 ℃左右震荡，气温比海温震荡振幅较大，这是由于大气热容比海洋小的缘故.同时诱发其气海温差随时间的震荡，但平衡位置是不同的，1月份上旬围绕-2 ℃震荡，振幅为2 ℃，中后旬围绕-1 ℃左右以约1 ℃振幅在震荡.在发生蒸发波导的85%的数据中，80%气海温差小于0 ℃，处于不稳定状态，仅有20%的处于稳定状态.调研发生波导时间，稳定状态大部分发生在16-22时，位于下午和晚上的时间居多.

3.2 南海北部近岸水汽压变化

在蒸发波导模式研究和环境特性研究中，直接用相对湿度来进行讨论湿度的影响，然而水汽压在计算中通常是气温和相对湿度的函数，更精确计算还需考虑大气压的影响，见公式(2)和(3).因此，本文直接用水汽压讨论蒸发波导的影响，其中也包含了温度的影响，如本文中1月份10 m的水汽压与气温、相对湿度相关系数分别为0.743和0.856，很好地说明了此问题.从冬季1月份的数据中，可知10 m相对湿度的变化非常剧烈，从36%～84%变化，然而转化为水汽压后，随时间变化如图5.

图4 2011年1月SST、10 m高度处气温及气海温差时间序列

图5 2011年1月海面水汽压、10 m水汽压及水汽压差时间序列

由图5可知，海面水汽压随时间变化与海面皮层温度是一致的，具有日变化，在16 hPa附近震荡，10 m水汽压在10 hPa附近震荡.其气海水汽压差在-6 hPa附近震荡.在发生蒸发波导数据中，其水汽压差绝大部分小于-5 hPa.这样充分说明了水汽减少形成蒸发波导的直接原因.然而水汽压的这种变化与局地风场密切相关的.

3.3 南海北部近岸风场的变化

由文献[18]可知风场是影响近岸蒸发波导海洋环境的重要因素，因为风场变化可以带来气温和湿度的变化.由此对南海北部近岸冬季1月份风矢量随时间的变化进行了分析，见图6(每隔4个数据点采样作图).

图6 2011年1月10 m风矢量时间序列(黑点表示发生了蒸发波导)

从图6中可知，南海北部站点附近冬季盛行偏北风，风速大部分集中在6 m/s的，少量超过并达到10 m/s.虽然冬季1月份站点附近盛行偏北风，但是也会有部分时间转化为东北风、或者偏东风、甚至进行180的方向转换，成为偏南风.这种风向的转换对水汽影响非常明显，相对湿度由80%降低为50%，甚至更低(图略)，气海温差由小于零变为大于零，大气由不稳定状态进入稳定状态.气海水汽压差上绝对值接近5 hPa，甚至更小，此时不易发生蒸发波导，或者发生弱的蒸发波导，修正折射率之差绝对值较小，如1月14日前后，1月20日，1月28日前后，以及2月份几日.这是因为从南海南部、东部或东北部(此时风向与海岸线平行)低层气流经过海洋加热湿润，形成较高温度和湿度，使近海面混合均匀，不易发生波导，发生较弱的蒸发波导；而偏北风从大陆流入的气流，低温干燥，湿度较低，使近海面容易形成较大的温度和湿度梯度，诱发较强的蒸发波导.南海北部蒸发波导环境日变化是在偏北风气流背景下，主要由白天太阳短波辐射和夜间长波辐射交替加热引起的.

4 结 论

利用2011冬季1月份南海近岸铁塔气象梯度数据和海面皮层温度数据，对我国南海近岸蒸发波导环境进行了应用，初步得到了以下结论.

冬季我国南海近岸不低于10 m蒸发波导发生概率为85%以上，平均折射率梯度为-1.7 M units/m；虽然蒸发波导高度变化不大，与文献[14]结果一致，但是蒸发波导强度较大.同时南海北部近岸蒸发波导特征日变化特征明显，中午前后发生概率较高95%以上，平均折射率梯度为-2.0 M units/m，深夜发生概率较小80%左右，折射率梯度为-1.5 M units/m.

在影响我国南海近岸的蒸发波导环境因素中，冬季盛行的6 m/s偏北风是诱发、维持蒸发波导环境特性的主要原因；风向的转变与蒸发波导环境特征量变化密切相关，冬季的偏南风降低了气海温差、水汽压，降低了蒸发波导发生概率，减弱了其强度.在盛行偏北风气流背景下，白天太阳短波和夜间海洋长波辐射交替加热近海面大气也会引起蒸发波导特征的昼夜变化.

致谢非常感谢中国气象科学院热带气象研究所黄建研究员指导和提供数据.

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