陳凱諾，邵利民，艾　陽，戴仁威，吳克亮

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連116018；2.東海艦隊(duì)水文氣象中心參謀部37分隊(duì)，浙江 寧波315122；3.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺，浙江 舟山 316000）

春季黃海海霧中的激光衰減特性研究

陳凱諾1，邵利民1，艾陽2，戴仁威3，吳克亮3

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連116018；2.東海艦隊(duì)水文氣象中心參謀部37分隊(duì)，浙江 寧波315122；3.海軍舟山水警區(qū)司令部氣象臺，浙江 舟山 316000）

海霧嚴(yán)重影響艦艇航行，而且在霧中艦載激光武器和激光雷達(dá)的工作效能受到制約。因此，研究激光在霧中的衰減特性對軍事行動具有重要的科學(xué)意義。基于WRF中尺度氣象研究模式，對2015年3月28日-4月1日的海霧過程進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)使得海霧維持的是黃海南部輸送來的暖濕氣流，隨后一個(gè)很強(qiáng)的冷高壓使得風(fēng)向轉(zhuǎn)北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結(jié)構(gòu)，海霧消散?？紤]到春季黃海海霧產(chǎn)生和消散的天氣形勢，在海霧剛產(chǎn)生時(shí)，下風(fēng)區(qū)的激光衰減系數(shù)小；海霧維持過程中，海霧霧區(qū)的外圍衰減系數(shù)??；海霧快要消散時(shí)上風(fēng)區(qū)衰減系數(shù)小。研究發(fā)現(xiàn)，海霧可以使得10.6 μm紅外激光的探測距離大大減小，在濃霧情況下，探測距離僅為正常情況下的2%。

黃海海霧；云水混合比；數(shù)值模擬；激光衰減系數(shù)；探測距離

海霧是懸浮在海洋大氣邊界層中的大量水滴使得海上大氣水平能見度小于1 km的一種天氣現(xiàn)象［1］。黃海海域是我國沿海海霧頻發(fā)的海域之一。海霧往往能造成能見度急劇降低，給海上交通帶來不便，一些海上交通事故譬如兩船相撞、觸礁等多半源于海霧，而海霧對于軍事行動也有重要影響，嚴(yán)重影響艦艇的航線，而且艦載激光武器和激光雷達(dá)的工作效能也受到天氣現(xiàn)象（如雨、雪、海霧、大風(fēng)等）的制約，因此，研究激光在霧中的衰減特性對軍事行動具有重要的科學(xué)意義。

激光是由激光器所發(fā)射的光，是處于激發(fā)狀態(tài)的原子（或離子、分子）受激輻射產(chǎn)生的，它可以是可見光，也可以是紅外或紫外光。但與普通光相比，具有相干性好、方向性強(qiáng)、亮度高和單色性好等特點(diǎn)。因此，在軍事偵察領(lǐng)域，激光具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

王海先等［2］采用激光測距儀對實(shí)際目標(biāo)測距的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，通過實(shí)際測距，證明用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的測距能力與真實(shí)測距能力接近。而透過率法由于需要確定的氣象參數(shù)較多，計(jì)算較為復(fù)雜，因此，建議在近紅外波段，采用經(jīng)驗(yàn)公式法確定大氣衰減系數(shù)。孫超等［3］基于gamma霧滴分布模型以及輻射霧和平流霧粒徑分布與能見度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不同波長激光在兩種霧中傳輸時(shí)，波長較長激光的衰減率都比波長較短激光的衰減率低；10.6 μm激光在平流霧中衰減率大于在輻射霧中的衰減率；對不同波長激光在兩種霧中傳輸透射率比較發(fā)現(xiàn)，波長較短激光在平流霧中的透射性能較好，波長較長激光在輻射霧中的透射性能較好。魏海亮等［4］通過與其他經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋容^分析，說明了Mie衰減模型更可靠、有效，并仿真了衰減系數(shù)隨波長、能見度及溫度的變化，通過分析發(fā)現(xiàn)，衰減系數(shù)隨著波長變大而振蕩變化；能見度對衰減系數(shù)的影響最大，二者成反比關(guān)系；相對波長、能見度，溫度對衰減特性的影響相對較小。

王亞民等［5］根據(jù)輻射霧和平流霧中含水量和能見度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，分析了霧天氣對激光大氣傳輸衰減的計(jì)算公式，并對3種常用的霧衰減經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行Matlab數(shù)值仿真，得出了激光衰減系數(shù)和霧中能見度的關(guān)系并且通過Mie散射理論提出了一種包含測量距離、接收器視場角等信息的新的經(jīng)驗(yàn)公式。

然而，之前的研究都是脫離天氣形勢對激光衰減特性進(jìn)行分析，往往一些典型的天氣形勢才會帶來溫度、相對濕度、風(fēng)場、云水混合比等物理量的變化。由于WRF模式支持更高的網(wǎng)格分辨率（1～10 km），采用比其他模式更好的地形數(shù)據(jù)，并且在更長的時(shí)間步長下也能保證計(jì)算的穩(wěn)定性，所以，本文先基于WRF中尺度氣象研究模式對2015年3月28日-31日持續(xù)4天的春季平流霧海霧過程進(jìn)行模擬分析，并分析10.6 μm遠(yuǎn)紅外波段的激光在春季平流霧中的衰減特性。（注：本文所說時(shí)間均為北京時(shí)）

該次黃海海霧過程與其他黃海春季海霧過程基本類似，均為“東高西低”的地面天氣系統(tǒng)（圖略），霧區(qū)范圍大，持續(xù)時(shí)間很長，使得海霧維持的也是南方或東南方輸送來的暖濕氣流，隨后一個(gè)很強(qiáng)的冷高壓使得風(fēng)向轉(zhuǎn)北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結(jié)構(gòu)，海霧消散。

1　數(shù)值模擬結(jié)果分析與檢驗(yàn)

1.1WRF模式主要參數(shù)設(shè)置

本文選用的資料有：美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的1°×1°FNL客觀再分析資料，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的日平均SST數(shù)據(jù)和站點(diǎn)能見度數(shù)據(jù)，日本高知大學(xué)紅外氣象衛(wèi)星云圖。

網(wǎng)格設(shè)置為子母網(wǎng)格比率為3，在水平方向上：粗網(wǎng)格的分辨率30 km，細(xì)網(wǎng)格的分辨率10 km，垂直方向分為44層，采用η坐標(biāo)系，中心位置為38.63°N、122.90°E。微物理過程方案采用WSM3類簡單冰方案，輻射方案采用rrtm長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案。近地面層方案采用Monin-Obukhov方案，陸面過程方案采用熱量擴(kuò)散方案，邊界層方案采用YSU方案，積云參數(shù)化方案采用淺對流Kain-Fritsch（new Eta）方案，初始邊界條件使用的是2015年3月28日00時(shí)-31日24時(shí)FNL客觀再分析資料，積分時(shí)長為96 h。

與此同時(shí)，在選用擾動邊界層和陸面物理過程時(shí)（sf_sfclay_physics=1）考慮了地面熱量和水汽通量，輻射光學(xué)厚度中考慮了云的影響（僅當(dāng)ra_sw_physics=1和ra_lw_physics=1時(shí)有效）。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的日平均SST數(shù)據(jù)作為海表溫度下墊面數(shù)據(jù)。

淺對流Kain-Fritsch（new Eta）方案利用了一個(gè)簡單的云模式伴隨水汽的上升和下沉，同時(shí)包括了卷入和卷出，以及相對粗糙的微物理過程的作用；YSU是MRF邊界層方案的第二代。對于MRF增加了處理邊界層頂部夾卷層的方法。因此選擇以上的參數(shù)化方案。

1.2霧區(qū)結(jié)果檢驗(yàn)

將日本高知大學(xué)的實(shí)時(shí)紅外云圖和模擬出來的霧區(qū)進(jìn)行對比，如圖1（a）和圖1（b），發(fā)現(xiàn)兩張圖的霧區(qū)基本吻合，可見本次模擬較好地再現(xiàn)了此次海霧的時(shí)空分布和強(qiáng)度特征。

圖1　實(shí)時(shí)紅外云圖與模似霧區(qū)圖對比

1.3能見度模擬計(jì)算結(jié)果

Koschmieder從能見度的角度定義了可見光消光系數(shù)β（km-1），表達(dá)式為：

式中：Vis為水平能見度（m）；C為閾值亮度對比度，取值0.02。于是得到：

式中：β為云消光系數(shù)，β=144.7Ccw0.88；CCW表示含有云水的空氣密度（單位g/cm3）。

根據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算得到的值和測站能見度資料幾乎相同，可見本文選取的參數(shù)化方案是極其恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2　激光在平流霧中衰減系數(shù)的計(jì)算

式中：nr和ni分別為復(fù)折射率的實(shí)部和虛部，其中顆粒尺寸參數(shù)；r為粒子半徑；λ為激光波長。對于波長λ=10.6 μm，對應(yīng)的水負(fù)折射率：m=1.178-i×0.071。霧滴半徑一般在1～13 μm，顆粒尺寸參數(shù)＞1，上述公式完全適用。

同時(shí)由于霧滴尺寸通常用微米（μm）表示，得到霧滴粒子半徑以微米表示的霧滴尺寸分布（單位為m-3μm-1）:

平流霧：

由于在低能見度條件下，霧對激光的散射就不是單純的單次散射，而是要考慮多次散射效應(yīng)，所以應(yīng)用前向散射修正后的衰減公式，這個(gè)公式考慮了視場角θ的信息。

Deepak［7］等人對多次散射和前向散射的問題做研究，證明在多次散射影響下，光束的前向幾度范圍內(nèi)存在一個(gè)比較大的峰值，這種前向峰值效應(yīng)使得光衰減大大降低。Adarsh Deepak和O H Vanghan［8］提出一個(gè)前向散射修正系數(shù)R的近似公式：

式中：α為尺度參數(shù)；θ為散射角；J0（αθ）和J1（αθ）分別為零階和一階貝賽爾函數(shù)。

修正后的衰減效率因子：

因此修正后的衰減計(jì)算公式（單位dB/km）:

式中：r1和r2分別為1 μm和13 μm。

3　10.6 μm激光在春季平流霧中衰減特性研究

大氣對激光的散射和吸收效應(yīng)引起激光的衰減。激光在大氣介質(zhì)中傳輸時(shí)的衰減取決于大氣的消光系數(shù)。霧是由水滴組成的，對激光除有散射作用外，吸收作用也不可忽視，而且霧滴對激光的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子對激光的吸收和散射。1969年，激光測距技術(shù)被應(yīng)用到軍事上，測量范圍從幾百米到幾十千米，相應(yīng)的精度要求從幾十厘米到幾十米。文中分析的10.6 μm波長的激光目前作為軍用脈沖激光測距儀即CO2脈沖激光器的工作波長。脈沖式激光測距儀由3個(gè)基本部分組成，即激光發(fā)射裝置、接收裝置和信息處理裝置。激光發(fā)射裝置的任務(wù)是發(fā)射峰值功率高、光束發(fā)散角小的激光脈沖，使其經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步準(zhǔn)直后，射向被測目標(biāo)。接收裝置是接收從被測目標(biāo)反射回來的微弱脈沖信號，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦或縮小光束截面后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號變?yōu)殡娦盘?。信息處理裝置是測量脈沖從測距儀到被測目標(biāo)往返一次的時(shí)間，并顯示出準(zhǔn)確的距離。

3.1黃海春季平流霧中衰減系數(shù)分布

圖2　模擬得到的衰減系數(shù)分布圖（單位：dB/Km）

3月28日14時(shí)的時(shí)候（圖2a），激光被衰減的區(qū)域呈一個(gè)條形，跟霧區(qū)對應(yīng)，霧區(qū)邊緣衰減系數(shù)為5 dB/km左右，霧區(qū)中心的衰減系數(shù)可達(dá)到55 dB/km；28日22時(shí) （圖2b）黃海北部能見度減小到250 m，對應(yīng)的衰減系數(shù)高達(dá)1 200 dB/km，地面對應(yīng)大霧，而且結(jié)合風(fēng)場來看，多為西南風(fēng)，海霧發(fā)展的時(shí)候上風(fēng)區(qū)由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比較大，所以衰減系數(shù)在霧區(qū)里自西南向東北方向遞減，陸地上即使有霧，衰減系數(shù)也為200 dB/km以下，31日01時(shí)（圖2c），風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，有的地面能見度接近100 m，衰減系數(shù)高達(dá)1 300 dB/km以上 ，而且衰減系數(shù)自東南向西北方向遞減，4月1日04時(shí)（圖2d）在冷空氣南下的作用下黃海北部沿岸以及海上的能見度均大于5 km，天氣轉(zhuǎn)為晴好，激光衰減系數(shù)高值區(qū)開始南移，黃海北部和中部衰減系數(shù)接近0，只有大氣中的分子衰減作用，可忽略不計(jì)，風(fēng)場為偏北風(fēng)時(shí)，上風(fēng)區(qū)水汽輸送渠道被切斷，云水混合比和比濕急劇下降，因此上風(fēng)區(qū)的衰減系數(shù)低，而下風(fēng)區(qū)的衰減系數(shù)高。

由于10.6 μm激光波長對大氣穿透能力優(yōu)于1.06 μm，能在較低能見度和戰(zhàn)場煙幕等大氣條件下工作，而且能與8～12 μm波段內(nèi)的典型熱成像系統(tǒng)兼容并可共用接收光學(xué)系統(tǒng)和探測器，能有效實(shí)現(xiàn)熱成像儀能探測到的絕大多數(shù)目標(biāo)；因此目前仍具有無法取代的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，裝備量已擴(kuò)大到陸、海、空三軍，目前仍有廣泛的軍事應(yīng)用。將激光衰減率降低到最小是目前需要解決的問題?？紤]到海霧產(chǎn)生和消散的天氣形勢，在海霧剛產(chǎn)生時(shí)，要占據(jù)下風(fēng)區(qū)；海霧維持過程中，要占據(jù)海霧霧區(qū)的外圍；海霧快要消散時(shí)，占據(jù)上風(fēng)區(qū)，這樣才能把衰減率降低，提高探測距離。

3.210.6 μm激光在春季平流霧中探測距離研究

對于不同的紅外武器系統(tǒng)，加上系統(tǒng)的修正因子K，同時(shí)考慮各種因素的影響，其作用距離一般可寫成如下形式［9］：

式中：Jλ1-λ2為波段范圍λ1-λ2內(nèi)的輻射強(qiáng)度值；為波段范圍內(nèi)的大氣透過率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率；D*為敏感元件在波段區(qū)間內(nèi)的平均光譜探測度；ω為系統(tǒng)的瞬時(shí)視場；Δf為電路等效噪聲帶寬；為系統(tǒng)的信噪比；K為系統(tǒng)的修正因子［10］；D0（NA）為光學(xué)系統(tǒng)的有效入射孔徑的面積；NEFD為噪聲等效通量密度。

由式（12）可知，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定、目標(biāo)參數(shù)一定時(shí)，紅外系統(tǒng)作用距離與大氣透過率有如下關(guān)系：

式中：K0為式（12）中各已知參數(shù)的計(jì)算值。

對于衰減率分布不均勻的海霧場，若已知海霧衰減率的分布，便可利用式（13）求出探測距離。設(shè)a（dB/km）為海霧衰減率，A（dB）為至距離d處的衰減度，則：

Φ（d）是一個(gè)單調(diào)增函數(shù)，在探測距離以內(nèi)，其值小于K0，即d＜Dmax時(shí)，Φ（d）＜K0；d＞Dmax時(shí)，Φ（d）＞K0。設(shè)某型紅外探測裝備晴天下對某特定目標(biāo)的最大探測距離為14 km，測得此時(shí)大氣透過率為0.92，可估算出K0=14.596；K0的值也可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)由式（12）計(jì)算得到。本文由式（11）計(jì)算了2015年3月31日17時(shí)黃海大霧時(shí)10.6 μm紅外波的衰減率分布，設(shè)定紅外探測器經(jīng)緯度，由式（17）和式（18）求得每個(gè)方向（間隔1度）的探測距離，得到紅外系統(tǒng)探測距離評估圖象，如圖3所示。

圖3　10.6 μm紅外系統(tǒng)探測距離評估圖

圖3中間的十字交叉點(diǎn)表示紅外探測器的位置，外圈表示在正常情況下的探測距離，內(nèi)圈表示在不同濃度海霧情況下各個(gè)方向的探測距離。由圖3可知，在海霧條件下，即使傳輸性能較好的10.6 μm波仍然受到嚴(yán)重的衰減，在云水混合比不到0.02 g/kg（能見度約700 m）的情況下探測距離可損失55%以上；云水混合比為0.05 g/kg左右時(shí)（能見度約400 m）探測距離僅為正常情況下的10%；而在濃霧情況下（云水混合比約0.25 g/kg，能見度約50 m）探測距離僅為正常情況下的2%。圖3的探測距離評估圖象中也可以將中間的點(diǎn)設(shè)為目標(biāo)，則圖3中的內(nèi)圈表示為對目標(biāo)在各個(gè)方位的探測距離。

4　結(jié)論

（1）該次黃海海霧過程與其他黃海春季海霧過程基本類似，均為“東高西低”的地面天氣系統(tǒng)，霧區(qū)范圍大，持續(xù)時(shí)間很長，使得海霧維持的也是南方或東南方輸送來的暖濕氣流，隨后一個(gè)很強(qiáng)的冷高壓使得風(fēng)向轉(zhuǎn)北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結(jié)構(gòu)，海霧消散。

（2）春季黃海海霧發(fā)展的時(shí)候多為偏南風(fēng)，上風(fēng)區(qū)由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比較大，所以衰減系數(shù)自西南向東北方向遞減；風(fēng)場為偏北風(fēng)時(shí)，上風(fēng)區(qū)水汽輸送渠道被切斷，云水混合比和比濕急劇下降，因此上風(fēng)區(qū)的衰減系數(shù)低，而下風(fēng)區(qū)的衰減系數(shù)高。

（3）在海霧條件下，即使傳輸性能較好的10.6 μm波仍然受到嚴(yán)重的衰減，在輕霧（能見度約700 m）的情況下探測距離可損失55%以上；大霧時(shí)（能見度約400 m）探測距離僅為正常情況下的10%；而在濃霧情況下（云水混合比約0.25 g/kg，能見度約50 m）探測距離僅為正常情況下的2%。

［1］王彬華.海霧［M］.北京：海洋出版社，1983：10-12.

［2］王海先，葉艾.大氣衰減系數(shù)對激光測距能力影響的研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，06：116-119.

［3］孫超，王紅霞，傅關(guān)新，等.霧對激光的衰減特性研究［J］.光散射學(xué)報(bào)，2011，03：201-205.

［4］魏海亮，邵利民，李茂林.基于Mie理論的激光霧中傳輸衰減特性研究［J］.艦船電子工程，2014，01：148-151.

［5］王亞民，高國強(qiáng).霧天環(huán)境下激光傳輸?shù)乃p特性研究［J］.紅外，2013，12：14-19.

［6］柯熙政，馬冬冬，劉佳妮.激光在霧中傳輸?shù)乃p研究［J］.光散射學(xué)報(bào)，2009，02：104-109.

［7］Adarsh Deepak，Michael A Box.Forward-scattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media.1：Monodispersions［J］.Appl Opt，1978，17（18）：2901-2908.

［8］Adarsh Deepak，Michael A Box.Forward-scattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media.2：Polydispersions［J］.Appl Opt，1978，17（19）：3169-3176.

［9］王威，李進(jìn)杰，顧德均，等.紅外輻射的氣候環(huán)境傳輸特性分析［J］.激光與紅外，2000，30（5）：290-292.

［10］J A Milbrandt，MK Yau.A multimoment bulk microphysics parameterization.Part I：Analysis of the role of the spectral parameter［J］.Journal ofthe atmosphere sciences，2005，62（9）：3051-3064.

Analysis on the Laser Attenuation Characteristics in the Sea Fog Over Spring in the Yellow Sea

CHEN Kai-nuo1，SHAO Li-min1，AI Yang2，DAI Ren-wei3，WU Ke-liang3
1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.The 37th Team of East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center Staff，Ningbo 315122，Zhejiang Province，China；
3.The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory，Zhoushan 316000，Zhejiang Province，China；

Sea fog can seriously affect navigating vessels，and the working efficiencies of ship-borne laser weapons and laser radars are constrained by heavy sea fog.Therefore，it is of vital importance to study the characteristics of laser attenuation in the fog.Based on the WRF mesoscale meteorological model，this paper is to analyze and simulate the process of sea fog from March 28 to April 1，2015.It is found that the warm air stream delivered from the south of the Yellow Sea made the sea fog last for a long time.And then a strong cold high pressure made the wind direction turn to north while dry and cold air advection stopped the water vapor from transporting，which had destroyed the inversion layer structure.After that the sea fog dissipated.Considering the weather conditions in spring in the Yellow Sea during the generation and dissipation of sea frog，it can be concluded that when the sea fog has just produced，the laser attenuation coefficient is low in the wind zone below.In the process of sea fog lasting，the laser attenuation coefficient is low on the edge of the fog area.And the coefficient is low in the windward area when the sea fog is about to dissipate.This study has also found that sea fog can make 10.6 μm infrared laser detection range greatly decrease.Under the condition of dense fog，the detection range becomes only 2%of the normal range.

sea fog over the Yellow Sea；cloud water mixing ratio；numerical simulation；laser attenuation coefficient；detection range

P732；P458

A

1003-2029（2016）04-0060-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.012

2016-03-29

陳凱諾（1991-），男，碩士研究生，主要從事海霧數(shù)值模擬和激光衰減特性研究。E-mail：837677852@qq.com