胡昊 丁菊麗 張羽 趙小峰 葛晶晶 梁志超

（1. 中國人民解放軍31110 部隊(duì), 南京 210016；2. 國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院, 長沙 410003；3. 中國人民解放軍94816部隊(duì), 福州 350002；4. 中國人民解放軍96746 部隊(duì), 庫爾勒 841000）

引 言

式中：溫度T單位為K；氣壓P、水汽壓e單位為hPa；海拔高度z單位為m.

大氣波導(dǎo)作為一種可以實(shí)現(xiàn)超短波、微波超視距探測的特殊大氣折射結(jié)構(gòu)，具有重要的研究價(jià)值[5]，目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在大氣波導(dǎo)探測方法、形成變化機(jī)理、實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷、數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)、傳播評估與應(yīng)用等領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)性和前沿性的研究. 但相關(guān)成果仍遠(yuǎn)不能滿足信息系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求[5]，這與大氣波導(dǎo)傳播應(yīng)用研究的復(fù)雜性和學(xué)科交叉性有關(guān)，很大程度上也與缺少海上大氣折射環(huán)境和電磁波傳播同步觀測試驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐有關(guān).

目前，從氣象學(xué)角度研究大氣波導(dǎo)的環(huán)境特性，依賴的觀測資料主要包括高垂直分辨率的探空觀測資料[6-21]、遙感探測反演資料[22-26]和格點(diǎn)再分析資料[16-17,27-31]. 這三類觀測資料各有其優(yōu)缺點(diǎn)：高垂直分辨率探空資料雖然可以精細(xì)刻畫大氣溫濕壓垂直廓線，進(jìn)而得到較為精細(xì)的大氣修正折射率垂直廓線和大氣波導(dǎo)特征量，但成本較高，難以同時(shí)快速大范圍開展觀測；遙感探測反演資料雖可以實(shí)現(xiàn)快速的區(qū)域反演探測，但是反演精度仍需進(jìn)一步提升，特別是低空和有云出現(xiàn)時(shí)；格點(diǎn)再分析資料同化了地面、船舶、無線電探空、飛機(jī)報(bào)、衛(wèi)星等氣象觀測資料，可以提供最長時(shí)間序列的全球格點(diǎn)再分析數(shù)據(jù)，是目前研究大氣波導(dǎo)氣候分布的最佳數(shù)據(jù)來源，也為大氣波導(dǎo)數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)研究提供背景場，但是再分析資料的水平和垂直分布率仍不足以準(zhǔn)確分辨大氣波導(dǎo)的水平和垂直結(jié)構(gòu).

因此，利用中尺度模式開展大氣波導(dǎo)形成機(jī)理、數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)應(yīng)用研究，仍然具有不可替代的應(yīng)用前景. 近年來，為改進(jìn)大氣波導(dǎo)的數(shù)值模擬精度，相關(guān)學(xué)者從改善初邊界條件出發(fā)，引入了多種資料同化方案[6-10,12]、動(dòng)力初始化方案等[15]；從數(shù)值模式自身出發(fā)，引入了集合預(yù)報(bào)[13]、湍流參數(shù)不確定性擾動(dòng)[32]、可考慮氣溶膠-云-輻射效應(yīng)的WRF-Chem 模式[18]等. 以上研究為開拓大氣波導(dǎo)數(shù)值模擬思路、提高模擬效果，提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒.

然而，目前大氣波導(dǎo)氣象學(xué)研究仍存在一定的局限性，主要表現(xiàn)為大氣波導(dǎo)氣象環(huán)境與雷達(dá)電磁波傳播應(yīng)用的脫節(jié)，缺少將兩者同步的實(shí)測個(gè)例積累，也較少將數(shù)值模擬結(jié)果用于異常電磁波傳播現(xiàn)象的解釋和評估. 2020 年4 月，一次發(fā)生在臺灣海峽地區(qū)伴隨雷達(dá)異常地物回波的超視距探測現(xiàn)象具有重要研究價(jià)值，本文將針對該個(gè)例開展成因分析以及數(shù)值模擬研究，以期為后續(xù)有針對性地開展臺灣海峽地區(qū)大氣波導(dǎo)條件下的地物回波消除和雷達(dá)有效超視距探測提供參考.

1 觀測試驗(yàn)及天氣形勢分析

如圖1 所示，根據(jù)葵花衛(wèi)星紅外云圖和民航飛機(jī) 報(bào) 可 知，2020 年4 月29 日20 時(shí) 至5 月1 日2 時(shí)(北京時(shí)間，下同)，我國東南沿海和臺灣海峽以少云或碧空天氣為主. 但從2020 年4 月29 日20 時(shí)開始，我國東南沿海多部氣象雷達(dá)出現(xiàn)大范圍“虛假”降水回波和地物回波，如圖2所示為不同時(shí)刻廈門站氣象雷達(dá)基本反射率回波圖. 其中氣象雷達(dá)的工作模式為降水測量，仰角0.5°，隨后沿圖2(c)中黃色實(shí)線所示的傳播路徑提取非均勻M廓線開展傳播評估. 是否是大氣波導(dǎo)傳播造成此次氣象雷達(dá)電磁波異常傳播現(xiàn)象值得進(jìn)一步深入研究.

圖1 葵花衛(wèi)星紅外云圖Fig. 1 Himawari satellite infrared cloud images

圖2 廈門站氣象雷達(dá)基本反射率回波圖Fig. 2 Xiamen station weather radar echo map of base reflectivity

首先利用ERA5 再分析資料(0.25°×0.25°)分析500 hPa、850 hPa 和1 000 hPa 的大尺度天氣背景(圖3)的位勢高度(黑色實(shí)線，單位：dagpm)、相對濕度(填色，單位：%)、溫度(紅色實(shí)線，單位：℃)、風(fēng)場合成圖，臺灣海峽基本上位于500 hPa 高空槽后，有利于下沉運(yùn)動(dòng)，而下沉運(yùn)動(dòng)會伴隨增溫減濕作用，因此850 hPa 臺灣海峽區(qū)域存在明顯的干區(qū)，加之1 000 hPa 受暖脊控制，很容易在低層形成逆溫層結(jié).

進(jìn)一步利用ERA5 再分析資料，以4 月29 日18 時(shí)為代表，選取平潭、泉州、廈門、東山當(dāng)面海區(qū)及澎湖列島附近的格點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制溫、濕廓線和大氣修正折射率廓線，如圖4 所示. 可以看出，圖4(a)中溫度廓線可以證實(shí)逆溫層結(jié)的存在. 逆溫層的存在進(jìn)一步阻止海面附近水汽的上傳(圖4(b))，使得逆溫層以下的高濕區(qū)與逆溫層以上的干區(qū)形成強(qiáng)烈的濕度隨高度銳減層，由圖3 中850 hPa 和1 000 hPa 相對濕度分布也可以得到同樣的結(jié)論. 因此，臺灣海峽區(qū)域逆溫和濕度隨高度銳減兩個(gè)有利于大氣波導(dǎo)出現(xiàn)的條件均成立. 由圖4(c)中大氣修正折射率廓線可以看出，4 月29 日18 時(shí)泉州、廈門、東山當(dāng)面海區(qū)及澎湖列島均出現(xiàn)了表面波導(dǎo).

圖3 不同時(shí)刻位勢高度、相對濕度、溫度及風(fēng)場合成圖Fig. 3 Different times’ composite figures of geopotential height, relative humidity, temperature and wind

圖4 2020 年4 月29 日18 時(shí)平潭、泉州、廈門、澎湖列島、東山單點(diǎn)廓線Fig. 4 Pingtan, Quanzhou, Xiamen, Penghu Islands, Dongshan single point profiles at 18:00 on April 29, 2020

考慮到ERA5 再分析資料水平和垂直分辨率均較低(水平：0.25°×0.25°；垂直：750 hPa 以下為25 hPa)，且本次個(gè)例最初是雷達(dá)超視距探測到的異常地物回波現(xiàn)象，沒有更多高時(shí)空分布率實(shí)測資料進(jìn)行更細(xì)致的分析驗(yàn)證. 因此利用WRF 模式，從氣象學(xué)角度對此次伴隨雷達(dá)異常地物回波的超視距探測現(xiàn)象進(jìn)行更為細(xì)致的數(shù)值模擬研究，揭示此次大氣波導(dǎo)過程的水平分布范圍和時(shí)空演變特征.

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬設(shè)置

本文采用WRF4.2 模式進(jìn)行模擬. 模式采取三層嵌套，由外到內(nèi)水平分辨率分別是30 km、10 km、3.33 km，格點(diǎn)數(shù)分別為269×206，433×433，628×628，模擬區(qū)域如圖5 所示. 三層嵌套中最外層包含了東亞、南亞、東南亞的大部分區(qū)域；第二層主要包含了東亞地區(qū)；最內(nèi)層包含了我國的中東部以及黃海、東海、南海北部地區(qū). 每層嵌套的垂直分層均取60 層(其中2 000 m 高度以下進(jìn)行了加密設(shè)置，共占38 層；根據(jù)eta 設(shè)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). 模擬采用MM5近地層方案、YSU 邊界層方案、Noah 陸面模式、RRTM 長波輻射、Dudhia 短波輻射方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案和WSM6 微物理方案. 模擬時(shí)段為2020 年4 月29 日2 時(shí) 至5 月1 日2 時(shí) 共48 h. 初始、邊界條件由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environment Prediction, NCEP)再 分 析 數(shù)據(jù)(NCEP-FNL， 1°×1°， 6 h 一次)得到.

圖5 模擬區(qū)域網(wǎng)格設(shè)定Fig. 5 Simulation domains setting

2.2 波導(dǎo)類型以及特征量分布的模擬分析

4 月29 日2 時(shí)至5 月1 日2 時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6 所示，可以看出，臺灣海峽確實(shí)持續(xù)存在顯著的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象. 模擬前期臺灣海峽和廣東沿海主要以弱懸空波導(dǎo)和多層波導(dǎo)為主，其中弱懸空波導(dǎo)的頂高位于700～1 300 m，且隨著遠(yuǎn)離大陸沿岸而逐漸抬升，這與以往研究結(jié)果一致[13]；多層波導(dǎo)的頂高普遍較低，以400～600 m 為主. 4 月30 日2 時(shí)臺灣海峽中南部開始出現(xiàn)頂高500 m 左右的表面波導(dǎo)，4 月30 日14 時(shí)至5 月1 日2 時(shí)臺灣海峽幾乎被頂高200～600 m 的表面波導(dǎo)所覆蓋，這一演變過程同時(shí)伴隨波導(dǎo)強(qiáng)度的持續(xù)增強(qiáng). 4 月30 日14 時(shí)臺灣海峽的表面波導(dǎo)整體增強(qiáng)至15 M 單位以上，局部達(dá)到40 M 單位上；而5 月1 日2 時(shí)臺灣海峽內(nèi)的表面波導(dǎo)整體強(qiáng)度均達(dá)到了40 M 單位以上.

除此之外，臺灣島東北方向的開闊海域上也持續(xù)存在較強(qiáng)的懸空波導(dǎo)，其穩(wěn)定存在的成因與850 hPa高壓反氣旋系統(tǒng)伴隨的干空氣團(tuán)覆蓋在濕的海洋大氣邊界層上有關(guān)，如圖6 所示.

圖6 模擬波導(dǎo)類型、波導(dǎo)強(qiáng)度及波導(dǎo)頂高Fig. 6 Simulated duct type, duct strength and duct top height

3 傳播評估驗(yàn)證

上述分析研究已表明，此次臺灣海峽附近發(fā)生的雷達(dá)異常傳播現(xiàn)象，確實(shí)對應(yīng)有持續(xù)存在的大氣波導(dǎo)過程. 當(dāng)大氣環(huán)境中存在大氣波導(dǎo)時(shí)，大氣波導(dǎo)能否將電磁波捕獲在波導(dǎo)內(nèi)形成雷達(dá)超視距探測，一般還必須滿足以下基本條件：1)電磁波的頻率必須高于最低陷獲頻率；2)電磁波發(fā)射源位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)(懸空波導(dǎo)存在特殊)；3)電磁波的發(fā)射仰角必須小于臨界仰角[4].

下面結(jié)合5 月1 日1 時(shí)廈門站的氣象雷達(dá)參數(shù)、實(shí)測雷達(dá)回波和模式模擬預(yù)報(bào)的非均勻大氣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行波導(dǎo)條件下的電波傳播評估驗(yàn)證. 如圖2(c)所示，廈門當(dāng)面海區(qū)出現(xiàn)較大范圍的云雨回波，從回波強(qiáng)度上看，廈門站正南偏東約12°的局部海域有中到大雨，而臨近時(shí)刻(圖1(d))的紅外云圖只顯示臺灣海峽中北部有云覆蓋. 進(jìn)一步分析該時(shí)刻的ERA5 再分析資料提供的逐小時(shí)累積降水量分布(圖7)可知，廈門當(dāng)面海區(qū)內(nèi)并無降水，由此說明，廈門站出現(xiàn)的是“虛假”降水回波，很可能與大氣波導(dǎo)條件下的異常地物回波有關(guān).

圖7 2020 年5 月1 日1 時(shí)逐小時(shí)累積降水量Fig. 7 Hour-by-hour cumulative precipitation at 01:00 on May 1, 2020

從WRF 模式模擬預(yù)報(bào)的三維大氣修正折射率結(jié)構(gòu)中提取廈門站5 月1 日1 時(shí)氣象雷達(dá)傳播路徑上(沿圖2(c)黃色實(shí)線)的大氣波導(dǎo)非均勻M廓線，結(jié)果如圖8 所示，紅色點(diǎn)對應(yīng)的高度為波導(dǎo)頂高. 可以看出，該時(shí)刻傳播路徑上以陷獲層懸空的強(qiáng)表面波導(dǎo)為主，頂高隨著傳播距離的增加逐漸降低.

圖8 廈門站5 月1 日1 時(shí)非均勻M 模擬廓線Fig. 8 Simulated Xiamen station non-uniform M profile at 01:00 on May 1, 2020

下面來評估電波傳播結(jié)果. 根據(jù)模式模擬預(yù)報(bào)結(jié)果沿圖2(c)黃色實(shí)線提取的非均勻M廓線分布評估的廈門站氣象雷達(dá)在非均勻大氣波導(dǎo)條件下的探測概率如圖9 所示，其中垂直波束寬度0.95°，白色區(qū)域?yàn)榈匦? 可以看出，電磁波信號因強(qiáng)表面波導(dǎo)的陷獲折射，在距站點(diǎn)140～230 km 內(nèi)折向地面產(chǎn)生異常地物回波，與圖2(c)中廈門站氣象雷達(dá)實(shí)測回波圖吻合，只是模式預(yù)報(bào)距站點(diǎn)100 km 附近的跳躍盲區(qū)在實(shí)測回波圖上仍存在5～10 dB 的弱回波信號.

圖9 模擬廈門站氣象雷達(dá)探測概率Fig. 9 Simulated detection probability of weather radar at Xiamen Station

4 結(jié) 論

本文利用ECMWF ERA5 再分析資料、葵花衛(wèi)星云圖，借助WRF4.2 模式高時(shí)空分辨率模擬數(shù)據(jù)和電磁傳播模型，證實(shí)東南沿海多部氣象雷達(dá)出現(xiàn)異常地物回波與臺灣海峽內(nèi)持續(xù)存在顯著的大氣波導(dǎo)過程有關(guān).

大氣波導(dǎo)出現(xiàn)的成因主要是由于臺灣海峽位于500 hPa 高空槽后，下沉運(yùn)動(dòng)伴隨的增溫減濕使得850 hPa 存在明顯的干區(qū)，加之低層1 000 hPa 受暖脊控制，形成逆溫層結(jié). 逆溫層阻止海面附近的水汽上傳，形成強(qiáng)烈的濕度隨高度銳減層，進(jìn)而使得4 月30 日14 時(shí)至5 月1 日2 時(shí)臺灣海峽幾乎被頂高200～600 m 的表面波導(dǎo)覆蓋，且波導(dǎo)強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng).

進(jìn)一步利用WRF 模式模擬預(yù)報(bào)的氣象雷達(dá)傳播路徑上的非均勻大氣波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，輸入電磁波傳播模型，得到的電磁波傳播特征與雷達(dá)實(shí)測回波的主體結(jié)構(gòu)吻合，這一結(jié)果為后續(xù)大氣波導(dǎo)氣象環(huán)境與雷達(dá)電磁波傳播應(yīng)用相結(jié)合的研究提供了重要參考.