章晗 王紅光 李建儒

（1. 中國人民解放軍92493 部隊中心氣象臺，葫蘆島 125000；2. 中國電波傳播研究所，青島 266107）

引 言

在對流層大氣環(huán)境中，經常出現大氣波導層結，能夠使超短波、微波波段形成反常的超視距傳播現象，對雷達、通信、電子對抗等裝備具有重要影響[1-3].大氣波導能夠使無線電裝備形成超視距能力，加上其對電磁波的陷獲作用，導致大氣波導頂部形成頂部盲區(qū)，文獻[4]針對艦載雷達盲區(qū)進行了評估，并給出補盲措施. 文獻[5-6] 討論了大氣波導對5G 通信TD-LTE 系統(tǒng)的干擾影響. 評估大氣波導的影響，需要獲得大氣波導環(huán)境數據. 在大氣波導環(huán)境統(tǒng)計分析方面，文獻[7-8]給出了南海海區(qū)的大氣波導統(tǒng)計特征；文獻[9]基于COSMIC 資料對海上懸空波導的發(fā)生概率、高度、強度的全球時空特征進行了統(tǒng)計與分析. 不同環(huán)境下獲取與分析大氣波導的方式往往有所不同，文獻[10]給出了環(huán)渤海的大氣波導測試和試驗方法；文獻[11-12]針對超強臺風環(huán)境以及海霧環(huán)境下的大氣波導成因進行了討論分析，并進行了相關數值模擬；文獻[13-14]針對對海雷達海雜波反演大氣波導進行了相關討論. 多普勒天氣雷達是對強對流天氣進行監(jiān)測和預警的主要工具之一，可獲得以測站為中心的幾百千米范圍內的降水、風場等信息. 文獻[15]討論了北京地區(qū)暴雪天氣的雷達回波特征. 大氣波導造成的超視距地物回波對氣象反射率因子污染嚴重，會形成成片的雜斑點，嚴重干擾對降水的定量觀測. 由于沿海地區(qū)經常發(fā)生大氣波導，超視距地物回波的影響更是難以忽略.

存在大氣波導環(huán)境時，天氣雷達低仰角觀測有可能接收到超視距的海面后向散射信號，形成反常的超視距海面回波[16]. 天氣雷達超視距回波一方面影響雷達數據質量，會造成對回波類型和發(fā)展趨勢的錯誤判斷，需要識別和抑制反?；夭╗17-19]；另一方面，這些海面回波中攜帶了傳播環(huán)境的信息，可用來反演獲得大氣環(huán)境參數[20-23]. 雖然國內外開展了大量的海雜波反演大氣波導研究，但是這些研究大多數是基于一次大氣波導試驗期間的X 波段雷達數據，且數據量較少，甚至不足以分析一次完整的大氣波導生消過程對雷達回波的影響. 同時，雷達實測超視距海面回波數據長期以來一直較為稀缺. 然而，目前也有大量業(yè)務化運行的天氣雷達，它們全天候獲取著高時間分辨率的氣象和地物回波，但這些地物回波數據還未得到一定的研究利用.

本文利用實測的青島站探空數據和多普勒天氣雷達觀測資料，對一次大氣波導過程雷達反常海面回波情況進行了分析，并根據實測回波數據反演了大氣波導剖面. 其研究結果對于認識大氣波導對雷達海面回波的影響，以及基于海面回波反演大氣波導環(huán)境等具有重要的參考意義.

1 超視距海面回波形成條件

對于微波波段，對流層大氣折射率N與溫度、氣壓和水汽壓的關系為[24]

根據大氣修正折射率的垂直梯度可將大氣折射類型分為4 種：次折射、正常折射、超折射和大氣波導，具體如表1 所示. 其中，如果大氣修正折射率垂直梯度小于零，表明存在大氣波導.

表1 大氣折射類型Tab. 1 Atmospheric refraction type

海上大氣波導一般可分為蒸發(fā)波導、表面波導和懸空波導. 其中，當發(fā)生蒸發(fā)波導或表面波導，特別是表面波導，并滿足一定的頻率和仰角情況下，電磁波被陷獲于貼近海面的大氣層結內，雷達有可能接收到超視距的海面回波.

2 反常海面回波分析

本文采用青島市天氣雷達實測數據，雷達為S 波段，周邊地理高程信息如圖1 所示. 雷達位于圖1中心位置，圖中所示與雷達觀測半徑一致，為230 km.從圖1 可以看出，雷達的東南向為開闊海域，不存在氣象回波情況下，該方向低仰角的雷達回波來自于海面的后向散射.青島站氣象探空數據表明：2014 年7 月18 日出現了一次表面波導，8 時、20 時及7 月19 日8 時的大氣修正折射率剖面如圖2 所示. 青島探空站海拔高度為77 m. 從圖2 可見：7 月18 日8 時存在高度約700 m 的懸空波導和高度不超過100 m 的表面波導；7 月18 日20 時形成高度超過200 m 的表面波導；7 月19 日表面波導消失.

圖1 雷達覆蓋區(qū)域地理高程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the geographic elevation of theradar coverage area

圖2 大氣修正折射率剖面(2014 年7 月18 日至7 月19 日)Fig. 2 Modified refractive index profile (Jul. 18—Jul. 19,2014)

7 月18 日20 時雷達基本反射率數據如圖3 所示，圖中方位是75°～180°的海面方向，量程為230 km，其中方位以正北為基準. 20 時在方位110°，雷達可接收到距離最大為166 km 處的回波，其他方位回波最大距離也幾乎都大于100 km，如圖3(a)所示. 根據該時刻存在表面波導以及抬高雷達波束時遠距離回波消失的現象(如圖3(b))，可以判斷圖3(a)中遠距離回波主要為反常的超視距海面回波. 正常大氣情況下，該雷達天線海拔高度為169 m，雷達視距僅約為55 km.

7 月18 日8 時至7 月19 日8 時的24 h 內，雷達最低工作仰角(0.48°)的回波變化如圖3(a)和圖4 所示，圖中時間間隔為4 h. 其中，7 月18 日20 時雷達回波見圖3(a).

圖3 基本反射率(2014 年7 月18 日20 時)Fig. 3 Basic reflectivity (at 20:00 on Jul. 18, 2014)

結合圖4 和圖3(a)可以看出此次反常傳播過程總的趨勢是從弱到強，直至消失，反常傳播過程與圖2所示的修正折射率剖面變化過程基本一致；雷達反?；夭ǔ霈F過由強變弱，又變強地反復，如圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)所示；同一時刻雷達回波會存在顯著的方位不均勻性，如圖4(c)或圖4(d)所示；有時海面回波會與氣象回波混疊在一起，如圖4(a)所示.

圖4 雷達海面回波24 h (2014 年7 月18 日8 時至19 日8 時)內變化(仰角0.48°)Fig. 4 Radar sea echo changes within 24 hours from 8:00 on Jul. 18 to 8:00 on Jul. 19, 2014(Elevation angle=0.48°)

從此次大氣波導過程可見，雷達反常海面回波空間分布和時間變化復雜，受到大氣折射率三維分布及其隨時間變化的影響. 由于天氣雷達探測具有較高的時間和空間分辨率，因此，利用雷達海面回波可反演獲得較高時間分辨率，以及在方位和距離向可獲得不均勻的大氣折射率剖面.

3 海面反?；夭ǚ囱荽髿獠▽?/h2>

當前存在利用大氣波導環(huán)境模擬海面反?；夭ǖ哪Ｐ停髿獠▽У睦走_海面回波反演實質上就是基于該模型，通過多次模擬海面回波數據，與雷達實測數據對比匹配的過程，匹配性能最好時對應的大氣波導參數剖面即為反演結果. 采用的反演步驟如下：

1) 對實測多普勒天氣雷達海面回波數據進行濾波預處理，本文采用滑動平均的方法對實測數據進行平滑.

2) 根據主分量分析方法，采用少量參數描述水平不均勻大氣修正折射率剖面. 主分量分析是常用的降低維度和特征生成的方法，每一個特征向量表示坐標系的一個維度，本文分別對表面波導高度和強度這2 個參數選取2 個特征向量構成降維后坐標系，特征向量通過加權實現水平不均勻大氣折射率剖面的參數化表示，共4 個參數.

3) 以大氣修正折射率剖面數據為輸入，根據電波傳播的拋物方程模型，計算雷達海面回波功率[23].

4) 利用粒子群算法生成大氣修正折射率剖面參數，每一組剖面參數計算得到一組海面回波功率，然后與實測海面回波功率進行對比匹配. 粒子群算法是模擬鳥群飛行的行為，通過個體之間的協(xié)作使群體達到最優(yōu). 在粒子群算法中，粒子的個數稱為種群大小，每個粒子代表一個潛在的解. 每個粒子有自己的位置矢量和速度矢量. 根據適應值函數衡量粒子位置的優(yōu)劣. 粒子群初始位置與速度隨機產生，然后根據速度、位置、自身最好適應值和群體最好適應值來更新速度和位置. 反演中采用的適應值函數或目標函數為

5) 達到匹配精度或計算次數時得到的剖面參數即為反演結果參數.

利 用7 月18 日12 時10 km 到80 km 之 間 的 雷達海面回波，反演的大氣波導剖面如圖5 所示. 根據反演大氣波導剖面計算的雷達海面回波、實測回波，以及兩者之間的誤差如圖6 所示. 在80°方位上，反演表面波導高度相對較高，為60 m 以上，雷達海面回波較強，可大于20 dBZ；160°方位表面波導高度相對較低，為40 m 左右，雷達海面回波較弱，一般低于10 dBZ. 計算回波功率與實測回波功率基本一致，誤差基本為-5～5 dBZ，表明海面回波模擬和反演不均勻表面波導的有效性.

圖5 反演大氣波導剖面Fig. 5 Retrieving the duct profile

圖6 雷達海面回波Fig. 6 Radar sea echo

4 結 論

大氣波導特別是表面波導顯著影響天氣雷達海面回波的分布，形成反常的超視距回波，從上述實測探空和雷達回波數據的分析可以看出：1)超視距回波與探空剖面中表面波導的發(fā)生在趨勢上具有一致性；2)相對于氣象探空單點測量，天氣雷達在方位和距離上具有較高的空間分辨率，以及較高的時間分辨率；3)天氣雷達回波表現出非常復雜的空間分布和時間變化規(guī)律，這可能與三維大氣折射環(huán)境及其隨時間的變化密切相關，該大氣波導過程中海面回波最遠距離可達166 km；4)利用大氣波導電波傳播模型和優(yōu)化算法根據某時刻雷達反常回波數據能夠反演獲得該時刻隨距離和方位變化的大氣波導剖面，實測和根據反演剖面計算的海面回波誤差基本不大于5 dBZ，表明可該方法的有效性. 基于天氣雷達超視距海面回波的反演方法有可能解決大面積大氣波導環(huán)境參數獲取的問題，具有顯著的實用價值.考慮到大氣波導與大氣的溫度、濕度梯度密切相關，后續(xù)將進一步開展基于大氣波導電波傳播模型和優(yōu)化算法，識別反?；夭?、反演大氣環(huán)境參數及其在天氣預報中的應用研究.