目錄

序

前言

中英文關鍵詞和縮略語對照表

符號表

第1章 引言

1.1 大氣波導現像和影響

1.2 國內外發展狀況

1.3 本書主要內容

第2章 大氣與海洋環境

2.1 大氣環境

2.1.1 大氣層組成

2.1.2 大氣能量過程

2.1.3 大氣邊界層

2.2 海洋環境

2.2.1 海洋特征

2.2.2 海岸帶

2.2.3 海-氣能量交換

2.3 大氣與海洋探測

2.4 無線電氣像學

第3章 大氣波導特征與探測

3.1 大氣波導的特征

3.1.1 大氣波導的概念

3.1.2 大氣波導的分類

3.1.3 大氣波導的主要特點

3.2 大氣波導的探測

3.2.1 氣像探空測量

3.2.2 氣像梯度儀測量

3.2.3 微波折射率儀測量

3.2.4 雷達雜波反演探測

3.2.5 激光雷達大氣探測

3.2.6 無人機大氣探測

第4章 大氣波導機理與預測

4.1 蒸發波導機理與預測

4.1.1 蒸發波導機理分析

4.1.2 蒸發波導預測模型

4.1.3 蒸發波導遙感預測

4.2 低空波導機理與特性

4.2.1 大氣逆溫的產生

4.2.2 地表輻射過程

4.2.3 下沉運動和鋒面作用

4.2.4 海陸風平流過程

4.3 大氣波導時空分布的數值分析

4.3.1 數值分析方法

4.3.2 大氣波導與海洋要素的相關分析

4.3.3 大氣波導的天氣學分析

4.4 典型大氣波導過程

4.4.1 海陸風與大氣波導

4.4.2 臺風與大氣波導

4.4.3 海霧與大氣波導

第5章 大氣波導數值預報

5.1 氣像預報原理和方法

5.2 大氣數值預報基礎

5.2.1 大氣動力-熱力學方程組

5.2.2 初始條件與邊界條件

5.2.3 區域網格嵌套

5.2.4 大氣物理過程

5.3 數值預報繫統

5.3.1 MM5及其組成

5.3.2 網格嵌套和邊界條件

5.3.3 降水物理過程和大氣邊界層方案

5.3.4 大氣輻射和地表過程

5.3.5 WRF數值預報模式

5.4 區域大氣波導預報

5.4.1 大氣波導數值預報方法

5.4.2 數據同化、垂直分辨率和網格格距的影響

5.4.3 大氣波導數值預報驗證

第6章 大氣波導超視距傳播

6.1 無線電波傳播

6.1.1 空間電波傳播

6.1.2 對流層傳播方式

6.1.3 對流層反常傳播和影響

6.1.4 電波傳播損耗

6.2 拋物方程方法

6.2.1 拋物方程模型

6.2.2 拋物方程數值算法

6.3 大氣波導射線跟蹤

6.3.1 幾何光學原理

6.3.2 射線跟蹤算法

6.4 組合模型和算法

6.4.1 平地球模式

6.4.2 射線光學模式

6.4.3 擴展光學模式

6.4.4 區域組合模式

6.5 超視距傳播效應

6.5.1 大氣波導傳播條件

6.5.2 超視距傳播預測

6.5.3 雷達超視距探測

6.5.4 微波超視距通信

6.5.5 戰場輔助決策

第7章 總結與展望

附錄1高級折射效應預測繫統(AREPS)簡介

附錄2艦載大氣波導監測與應用繫統簡介

參考文獻

彩圖

第1章引言

對流層大氣波導是自然界中存在的一種奇特大氣現像，觀察和研究它的意義不僅在於欣賞它可能給人們帶來的不期而遇的幻覺和神秘景像，拓展人類豐富的想像空間，還在於它可以讓人類視覺和聽覺能力延伸的手段——雷達和通信繫統的無線電探測或信息傳輸能力得到進一步的提升。本章簡要介紹大氣波導現像和影響，並給出國內外大氣波導研究與應用的主要狀況，從而對大氣波導獲得一個全貌的認識。

1.1大氣波導現像和影響

人們對大氣波導現像也許並不陌生，如經常發生在海上的海市蜃樓現像便是大氣超折射和大氣波導呈現的神奇光學效應。圖1.1所示為2006年10月12日上午8～9時出現在我國山東蓬萊北部、長山列島西部海域的海市蜃樓奇觀。據當時新華網對現場的生動描述：

12日早晨，山東蓬萊西苑北部海濱薄霧漸退，海平面上空出現乳白色帶狀雲霧，蔚為壯觀。8時許，原本空曠的海面上突然徐徐飄來“瓊樓玉宇”，展開了一幅異常美麗的畫面：畫面右邊片片樓群，連綿數十公裡，影像異常清晰，樓群的白牆紅瓦、門窗清晰可見，如同一幅別致、美麗的城市畫卷，樓群的右方是兩艘巨輪，其中一艘為黑灰色油輪，另一艘是銀白色貨輪，兩艘輪船均披浪疾駛，船體四周泛著波浪。畫面左邊是一片港口，作業碼頭上的塔弔、船隻正繁忙裝卸。畫面前面漁船行駛、海鷗飛翔，與海市相呼應，虛虛實實，實實虛虛，叫人分不清哪些是真實，哪些是虛幻。更

(a)海市蜃樓(b)觀測海域

圖1.1山東蓬萊海市蜃樓現像(引自互聯網)

令人稱奇的是，樓群中一座小樓多次變幻形狀後，像長了腳似的自西向東快速飄移，與另一座樓房重疊後又繼續向東踏浪而去，並與萬噸巨輪“擦肩而過”，恰似天上瓊樓，讓人嘆為觀止。

據推測，山東蓬萊經常觀察到的海市蜃樓現像發生海域位於黃渤海分界線附近，很可能反映的是海峽對岸大連市的局部影像，而兩者相距超過100km，遠大於在蓬萊岸邊對海觀測的光學視距。

在維基百科中，關於對流層大氣波導有如下描述：

Intelecommunication，anatmosphericductisahorizontallayerintheloweratmosphereinwhichtheverticalrefractiveindexgradientsaresuchthatradiosignals(andlightrays)(a)areguidedorducted，(b)tendtofollowthecurvatureoftheEarth，and(c)experiencelessattenuationintheductsthantheywouldiftheductswerenotpresent.Theductactsasanatmosphericdielectricwaveguideandlimitsthespreadofthewavefronttoonlythehorizontaldimension.

Atmosphericductingisamodeofpropagationofelectromagneticradiation，usuallyinthelowerlayersofEarth’satmosphere，wherethewavesarebentbyatmosphericrefraction.Inover-the-horizonradar，ductingcausespartoftheradiatedandtarget-reflectionenergyofaradarsystemtobeguidedoverdistancesfargreaterthanthenormalradarrange.Italsocauseslongdistancepropagationofradiosignalsinbandsthatwouldnormallybelimitedtolineofsight.

也就是說，大氣波導是位於對流層低層大氣中的水平層結，該層中的垂直折射指數梯度可以使無線電信號包括光線通過超折射現像發生彎曲並以較小的衰減沿著地球表面傳播，對於超視距雷達，大氣波導可以使雷達發射和目標反射的部分能量傳播到遠大於正常雷達探測範圍之外的距離。

在一般對流層大氣條件下，超短波、微波通常為視距傳播，基本傳播方式有大氣折射、地海面反射、障礙物或曲面繞射等，對流層大氣不均勻性散射也可能產生超視距傳播。無線電信息繫統設計一般基於正常或標準大氣傳播條件，但實際環境經常會出現不同於正常或標準大氣中的反常傳播情況，如次折射、超折射、大氣波導等，其中，大氣波導是對流層尤其是大氣邊界層中存在的一種特殊超折射現像，對電波傳播具有十分重要的影響，它可以在合適的無線電頻段(如蒸發波導主要影響頻率1GHz以上的無線電波，表面波導能夠影響100MHz以上的無線電波)、天線高度和傳播方向上以較小的能量衰減特性傳播無線電信號，可實現超視距遠距離傳播，也會形成傳播盲區。大氣波導可分為陸地大氣波導和海上大氣波導，其中海上大氣波導更易形成且影響更大。海洋大氣邊界層的海-氣相互作用經常產生海上蒸發波導，其出現概率達85%以上(在特定海域還可能永久存在)，岸-海交界區域或海岸帶的海陸風經常產生表面波導，有時低空大氣波導(包括表面波導和懸空波導)出現概率可達40%以上。大氣波導的產生和變化與地理位置、地形地貌、海域海情、季節與日變化等時空條件緊密相關，通過改變無線電波的傳播路徑和衰減特性而顯著影響岸基、艦載或低空機載雷達、通信等無線電信息繫統的性能。

1.2國內外發展狀況

1．國外發展狀況

從國外研究文獻發表的時間脈絡和研究內容可以看出，國外半個多世紀以來一直十分重視無線電氣像學及其特殊大氣電波環境與傳播特性的研究與應用。蘇聯、美國、法國、澳大利亞等國家為研究對流層大氣波導傳播特性開展了許多早期實驗，其中，蘇聯的實驗曾發現在某些情況下海上超視距雷達的作用距離可達1000km，同時在理論上也取得一些研究成果，出現預測大氣波導傳播特性的波導模理論、幾何光學理論和拋物方程數值方法等。20世紀50年代以後研究重點轉向影響電波傳播的大氣環境物理因素如湍流、海陸風、海-氣相互作用等機制。目前以美國為代表的西方發達國家擁有先進的低空大氣和海-氣界面氣像參數監測繫統與雷達作用範圍實時預測繫統，具有代表性的有美國海軍20世紀80年代投入使用的無線電物理光學(RadioPhysicsOptical，RPO)、高級傳播模型(AdvancedPropagationModel，APM)和集成折射效應預測繫統(IntegratedRefractiveEffectsPredictionSystem，IREPS)、工程師折射效應預測繫統(Engineer’sRefractiveEffectsPredictionSystem，EREPS)、高級折射效應預測繫統(AdvancedRefractiveEffectsPredictionSystem，AREPS)等模型或繫統，這使其岸基/艦載或機載雷達、通信等繫統可利用沿海和海上超折射、大氣波導等特殊傳播條件實現超視距性能。多年來，各國的研究內容主要集中在懸空波導、表面波導和蒸發波導的時空分布統計、大氣波導產生的水文氣像條件和物理模型、電磁波在各種環境條件下的傳播模型和算法、大氣波導傳播特性測量等方面。當前計算機技術的進步使大氣數值預報模式和復雜介質中的電波傳播理論與算法相結合，實際大氣波導環境對雷達、通信等無線電信息繫統影響的預測預報和效能評估等技術成為研究前沿[1-70]。

無線電氣像學把氣像學和電磁學的理論、技術和方法結合起來並在相互的領域中滲透應用，成為對流層大氣波導的研究基礎[1-3,5-6]。海上蒸發波導是對流層大氣波導研究的重要方面，其研究方法一直是致力於發現一種基於氣像參量(海表溫度、空氣溫度、濕度、壓強、風速等)和大氣邊界層理論的蒸發波導預測模型。從20世紀70年代Jeske[4]提出這一方法後，人們從諸多方面開展了利用海-氣相互作用理論預測蒸發波導高度的研究，美國集成折射效應預測繫統中便使用了Jeske提出的蒸發波導高度預測方法，1985年Paulus[9]在此基礎上提出一個修正的實用模型即P-J模型。1988年通過全球各海區15年的歷史氣像資料對蒸發波導的時空分布進行統計。1990年以後，美國在特定海域進行在蒸發波導條件下不同頻段雷達、通信裝備的專題效能試驗，同時布放60多個氣像水文浮標，長期測量有關海域的氣像水文資料，分析蒸發波導發生的規律，同時長期觀測通信鏈路電波傳播特性受環境影響的情況。1991年John提出通過預測大氣溫濕剖面確定蒸發波導剖面的方法並比較幾個預測結果的不準確度，分析測量繫統對預測結果帶來的誤差。1992年Musson-Genon等[23]介紹一種蒸發波導預測模型。1997年Babin等[33]提出的預測模型利用高速計算能力取代邊界層物理的經驗關繫，並且使用當時的研究成果如Buck方程、鹽度修正公式等，同時對誤差進行敏感性分析。2001年8月—9月，在美國海軍研究辦公室的資助下，位於聖迭戈的空間和海軍電子戰繫統中心在夏威夷瓦胡島海域開展了一個月的海上RED(RoughEvaporationDuct)實驗[41]，其主要任務為：確定海洋表面粗糙度對海洋邊界層大氣折射率垂直分布的影響程度，評估和驗證新的大氣物理量參數化模型，分析海洋邊界層對電波傳播特性的影響。實驗時在瓦胡島外東北方向10km處架設了海上浮動儀器平臺(R/PFLIP)，平臺上不同高度安裝了水文氣像要素傳感器和不同頻段無線電發射天線和發射機，島上架設接收天線和信號接收機，在島與平臺之間用船隻搭載水文氣像傳感器獲取傳播路徑上的環境數據，另外還采用直升機沿傳播路徑獲取不同位置的大氣環境數據剖面數據。實驗測量內容包括溫度、濕度、壓力、風速的平均值及其剖面，湍流變化、太陽輻射、大氣粒子垂直分布，不同高度時多頻段(S、X、Ku)電波傳播特性，海面高度和波向等，在此基礎上進一步通過數據分析確定大氣邊界層理論的適用範圍，發展新的參數化模型。實驗所選的區域、平臺和設備配置如圖1.2所示。

在海灣戰爭前，美國海軍在波斯灣進行大氣波導和電波傳播測量實驗，掌握當地海域的大氣波導形成和變化規律，以及對武器裝備效能的影響情況。通過研究，在獲得環境模型和傳播算法成果的基礎上，美國海軍先後建立四個用於評估氣像環境對信息化電子裝備效能影響的軟件繫統，代表性的是1987年建立並裝備美國海軍艦隊的電波環境保障繫統——集成折射效應預測繫統(IntegratedRefractiveEffectsPredicitionSystem，IREPS)，該繫統不僅可以利用氣像信息實時獲得雷達對各類目標的探測威力範圍，也可以查詢不同地理位置、不同季節、不同時段雷達探測能力和氣像信息的歷史統計數據。集成折射效應預測繫統起初僅是為艦載雷達繫統開發的，隨著理論研究和測試工作的不斷發展，在應用過程中其內嵌模型也在不斷完善，數據不斷豐富，預測準確率不斷提高，功能和適用範圍不斷擴展，1998年發展成為高級折射效應預測繫統，在頻段上不僅擴展到0.1～57GHz，而且覆蓋各型雷達、通信、電子偵察和對抗繫統在實際環境中的效能評估問題，該繫統作為美國國防信息基礎設施公用操作環境的重要組成部分，2005年10月又升級為功能更加豐富的3.6版本[58](其簡要介紹參見附錄1)。

……