郝曉靜 李清亮 郭立新 韓杰 郭相明

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071; 2. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室,青島 266107)

引 言

大氣波導(dǎo)是影響電波傳播的一種反常大氣環(huán)境. 大氣波導(dǎo)的存在會導(dǎo)致超視距現(xiàn)象和雷達盲區(qū)的出現(xiàn),對雷達、通信等電子信息系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要的影響. 因此,大氣波導(dǎo)的研究,尤其是大氣波導(dǎo)的預(yù)報得到了廣泛的關(guān)注．

利用數(shù)值天氣預(yù)報模式進行低空大氣波導(dǎo)模擬和預(yù)報研究是近年來大氣波導(dǎo)研究領(lǐng)域的一個熱點.國內(nèi)外多所院校和科研機構(gòu)都開展了此方面的研究.在國外,美國和歐洲從1996—2011利用中尺度數(shù)值模式對大氣折射環(huán)境和大氣波導(dǎo)進行了模擬和預(yù)報研究[1-5]. 研究結(jié)果表明,數(shù)值模式已經(jīng)能夠描述大氣波導(dǎo)的存在和位置特征,但預(yù)報的波導(dǎo)參數(shù)(高度、強度等)不準確. 在國內(nèi),也有很多院校和科研機構(gòu)開展了這方面的研究工作[6-12],主要集中在初步實現(xiàn)了中尺度模式預(yù)報大氣波導(dǎo)及在一些典型天氣系統(tǒng)影響下大氣波導(dǎo)生消變化機理的個例研究. 分析國內(nèi)外研究進展發(fā)現(xiàn),利用中尺度數(shù)值模式預(yù)報大氣波導(dǎo)雖然能夠描述波導(dǎo)的存在和位置特征,但對波導(dǎo)高度和強度的預(yù)報準確度較差. 雖然基于中尺度數(shù)值模式預(yù)報大氣環(huán)境還存在許多問題尚待解決,但它仍是預(yù)報三維對流層大氣折射環(huán)境和大氣波導(dǎo)的有效手段.

本文利用全球電信系統(tǒng) (Global Telecommunications System,GTS)探空數(shù)據(jù)計算的波導(dǎo)參數(shù)作為真實值,驗證了第五代大氣中尺度模式(Mesoscale Model 5 Version 3, MM5V3)預(yù)報表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)的有效性;利用美國環(huán)境預(yù)報中心最終分析 (Final Operational Analysis,FNL)數(shù)據(jù)和美國海軍研究生學(xué)院(Naval Postgraduate School, NPS)蒸發(fā)波導(dǎo)模型(下文簡稱“NPS模型”)計算的蒸發(fā)波導(dǎo)參數(shù)作為真實值,對MM5V3中尺度模式預(yù)報的蒸發(fā)波導(dǎo)進行驗證. 驗證所在區(qū)域為東海關(guān)注區(qū)、南海關(guān)注區(qū)和亞丁灣關(guān)注區(qū)．驗證中尺度數(shù)值模式在這些關(guān)注區(qū)預(yù)報大氣波導(dǎo)的可行性及其存在的問題,為日后提高數(shù)值模式預(yù)報大氣波導(dǎo)可靠性和準確度的研究工作提供了參考.

1 MM5V3預(yù)報平臺建立

MM5V3中尺度模式是美國賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國國家大氣研究中心從20世紀80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式的第三個版本. 本文模式初始場和側(cè)邊界條件選用美國環(huán)境預(yù)報中心得到的全球預(yù)報系統(tǒng)(Global Forecasting System, GFS)數(shù)據(jù),實現(xiàn)對大氣波導(dǎo)未來24小時的預(yù)報．利用MM5V3模式進行波導(dǎo)預(yù)報的參數(shù)化方案如表1所示.

表1 MM5V3模式設(shè)置

2 驗證數(shù)據(jù)與方法

2.1 驗證數(shù)據(jù)

用于驗證數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果的數(shù)據(jù)有兩種.第一,2014年每天08:00時、20:00時兩個時次的GTS探空數(shù)據(jù). GTS是世界氣象組為了迅速、準確地在全世界范圍內(nèi)傳遞氣象觀測數(shù)據(jù)而設(shè)立的一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng). 本文使用的是由GTS提供的全球探空數(shù)據(jù)(下文簡稱“GTS數(shù)據(jù)”). 用GTS數(shù)據(jù)對預(yù)報的表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)進行驗證. 第二,2014年每天08:00時、20:00時兩個時次的FNL最終分析數(shù)據(jù). FNL最終分析數(shù)據(jù)是由美國環(huán)境預(yù)報中心提供的全球氣象環(huán)境格點場數(shù)據(jù),水平分辨率為1°×1°．因為FNL最終分析數(shù)據(jù)加入了高空探測等各種水文氣象觀測數(shù)據(jù),包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)等,且已有大量研究證實,在缺少實測數(shù)據(jù)的情況下,FNL最終分析數(shù)據(jù)可以作為實測數(shù)據(jù)來使用[13]．因此,在缺少海洋實測數(shù)據(jù)的情況下,本文用FNL最終數(shù)據(jù)(下文簡稱“FNL數(shù)據(jù)”)對蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)報效果進行驗證. 預(yù)報區(qū)域中選擇離驗證點最近的格點進行驗證,驗證點和格點的距離<0.05°,大約為5 km左右,波導(dǎo)的水平范圍一般在幾km到幾百km,所以,驗證點基本能用來對預(yù)報結(jié)果進行驗證．

2.2 診斷和驗證方法

2.2.1 GTS數(shù)據(jù)診斷表面和懸空波導(dǎo)方法

利用GTS數(shù)據(jù)的溫、壓、濕參數(shù)計算修正折射指數(shù)(以下簡稱M)剖面,然后通過分析M的梯度判斷波導(dǎo)及其參數(shù). 具體方法和步驟如下.

某高度大氣修正折射指數(shù)M可表示為

(1)

式中:P為大氣壓強;T為大氣溫度;e為水汽壓;Z為該層大氣的高度. 這些參數(shù)都可以直接或間接地從GTS數(shù)據(jù)中獲取. 當(dāng)修正折射率梯度滿足條件

(2)

ΔM=Mmax-Mmin.

(3)

2.2.2 FNL數(shù)據(jù)診斷蒸發(fā)波導(dǎo)方法

目前,通?；诮Ｃ鏈y量的水文氣象參數(shù),利用蒸發(fā)波導(dǎo)模型獲取蒸發(fā)波導(dǎo)高度. 國內(nèi)外存在多個蒸發(fā)波導(dǎo)模型,PJ(Paulus-Jeske,)模型[14]、MGB(Musson-Genon-Gauthier-Bruth)模型[15]、BYC(Babin-Young-Carton,)模型[16]、NPS模型[17]、俄羅斯國家水文氣象大學(xué)(Russian State Hydrometeorological University,RSHMU)模型[18]等. 雖然所有模型均基于莫寧-奧布霍夫相似理論,但美國的Babin[17]和烏克蘭的V. K. Ivanov[18]等對不同模型進行了理論分析和試驗驗證,均推薦了采用NPS模型進行蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測. NPS模型使用海面上一定高度或不同高度上大氣溫、壓、濕、風(fēng)及海表溫度作為輸入,基于莫寧-奧布霍夫相似理論,獲得大氣溫、壓、濕剖面,然后計算出M剖面,把M最小值所在的高度確定為波導(dǎo)高度.

近地層內(nèi)溫度T、比濕q的垂直剖面如下式:

(4)

(5)

式中:T(z)、q(z)分別為高度z處大氣溫度和比濕;Tsea、qsea分別為海表溫度和比濕;θ*和q*分別為位溫θ和比濕q的特征尺度;k為卡曼常數(shù);zot為溫度粗糙度高度;ψθ、Γd分別為溫度普適函數(shù)和干絕熱遞減率;L為相似長度．

在NPS模型中,氣壓剖面可以通過聯(lián)立流體靜力學(xué)方程和理想氣體定律得到:

(6)

式中:p(z1)、p(z2)分別為測量高度z1、z2處的氣壓;TM為高度z1、z2處的虛溫平均值．聯(lián)立式(4)～(6)即可求得M剖面,剖面最小值對應(yīng)的高度為波導(dǎo)高度.

2.2.3 驗證方法

為了對預(yù)報結(jié)果的可靠性進行驗證,分別計算一般強度波導(dǎo)(下文簡稱“一般波導(dǎo)”)預(yù)報可靠度、漏報率、虛警率和強波導(dǎo)預(yù)報可靠度. 這里需要強調(diào),蒸發(fā)波導(dǎo)不區(qū)分波導(dǎo)強度,只分析波導(dǎo)預(yù)報可靠度. 為了對預(yù)報結(jié)果的準確度進行驗證,分別計算了波導(dǎo)頂高和波導(dǎo)強度的均方根誤差. 具體方法步驟為:

1)對于表面、懸空波導(dǎo),把GTS數(shù)據(jù)同預(yù)報值都有效的數(shù)據(jù)選入樣本;對于蒸發(fā)波導(dǎo),把FNL數(shù)據(jù)同預(yù)報值都有效的數(shù)據(jù)選入樣本,并都用樣本總數(shù)TS記錄.

2)把實測值和預(yù)報值結(jié)果一致(實測值和預(yù)報值都存在波導(dǎo)或都不存在波導(dǎo))的次數(shù)記為準確次數(shù)TA.

3)統(tǒng)計一般波導(dǎo)預(yù)報可靠度RA, 用于驗證一般強度波導(dǎo)預(yù)報有無的可靠性.可靠度RA為準確次數(shù)TA與樣本總數(shù)TS之比,即

(7)

4)統(tǒng)計漏報率RM. 當(dāng)實測值存在波導(dǎo),而預(yù)報沒有波導(dǎo)時,即為漏報．漏報率RM為漏報次數(shù)TM與實測存在波導(dǎo)次數(shù)TSY之比,即

(8)

5)統(tǒng)計虛警率RF. 當(dāng)預(yù)報存在波導(dǎo),而實測值沒有波導(dǎo)時,即為虛警,也稱錯報．虛警率RF為虛警次數(shù)TF與實測沒有波導(dǎo)次數(shù)TSN之比,即

(9)

6)統(tǒng)計強波導(dǎo)預(yù)報可靠度RAS. 當(dāng)波導(dǎo)強度大于20 M時,即為強波導(dǎo),強波導(dǎo)預(yù)報可靠度RAS為強波導(dǎo)次數(shù)TAS與實測存在強波導(dǎo)次數(shù)TSS之比,即

(10)

7)統(tǒng)計預(yù)報結(jié)果的準確度

當(dāng)實測值與預(yù)報值波導(dǎo)都存在時,通過計算預(yù)報值與實測值之間的偏差,驗證預(yù)報的準確度.準確度的統(tǒng)計量為均方根誤差,分別統(tǒng)計波導(dǎo)頂高(用h表示)的均方根誤差ERMS(h)和波導(dǎo)強度(用s表示)的均方根誤差ERMS(s),表達式如下:

(11)

(12)

式中:hfi和hsi分別為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值;sfi和ssi分別為波導(dǎo)強度預(yù)報值和實測值;n為實測結(jié)果與預(yù)報結(jié)果都存在波導(dǎo)的次數(shù).

3 驗證結(jié)果分析

3.1 表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)驗證

3.1.1 東海關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖1(a)所在區(qū)域,分別選取47909和47945兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證,結(jié)果見表2．由表2可知:兩個站點一般波導(dǎo)預(yù)報可靠度均大于70%;強波導(dǎo)預(yù)報可靠度均大于80%;漏報率分別為40%和39%;虛警率分別為19%和26%;波導(dǎo)頂高的均方根誤差約為500 m;波導(dǎo)強度均方根誤差為12 M.

圖1(b)和(c)為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值的散點圖.圖中顯示:47909預(yù)報值高于實測值;47945預(yù)報值與實測值較接近,波導(dǎo)頂高所在的高度層較一致.

表2 東海關(guān)注區(qū)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點47909

(c) 站點47945

3.1.2 南海關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖2(a)所在區(qū)域,分別選取48855和96471兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證,結(jié)果見表3．由表3可知:兩個站點一般波導(dǎo)預(yù)報可靠度均大于80%;強波導(dǎo)預(yù)報可靠度較一般波導(dǎo)高;漏報率分別為39%和24%;虛警率分別為14%和7%;波導(dǎo)頂高均方根誤差分別為719 m和767m;波導(dǎo)強度均方根誤差分別為13 M和9 M.

圖2(b)和(c)為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值的散點圖.圖中顯示:48855實測值高于預(yù)報值;96471樣本較少. 兩個站點有一個共同趨勢,預(yù)報值低于實測值.

表3 南海關(guān)注區(qū)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點48855

(c) 站點96471圖2 南海關(guān)注區(qū)站點分布以及波導(dǎo)頂高預(yù)報值與實測值散點圖

3.1.3 亞丁灣關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖3(a)所在區(qū)域,分別選取43333和43369兩個站點為代表進行統(tǒng)計驗證. 從表4可以看出:兩個站點一般波導(dǎo)預(yù)報可靠度均大于60%;漏報率分別為23%和15%;虛警率分別為34%和40%;43333站沒有強波導(dǎo)樣本,43369站的強波導(dǎo)預(yù)報可靠度為100%;波導(dǎo)頂高均方根誤差分別為887 m和511 m;波導(dǎo)強度均方根誤差分別為10 M和19 M.

圖3(b)和(c)為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值散點圖,圖中顯示:43333站樣本較少,預(yù)報值低于實測值;43369站大部分預(yù)報值與實測值波導(dǎo)頂高在相同高度層內(nèi).

表4 亞丁灣關(guān)注區(qū)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 站點43333

(c) 站點43369圖3 亞丁灣關(guān)注區(qū)站點分布以及波導(dǎo)頂高預(yù)報值與實測值散點圖

3.2 蒸發(fā)波導(dǎo)驗證

3.2.1 東海關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖4(a)所在區(qū)域,分別選取兩個區(qū)域進行統(tǒng)計驗證:區(qū)域1為125°E～127°E,27°N～30°N;區(qū)域2為128°E～133°E,21°N～25°N,結(jié)果見表5．由表5可知:兩個區(qū)域波導(dǎo)預(yù)報可靠度均大于95%;區(qū)域1的漏報率為5%,區(qū)域2無漏報;區(qū)域1無虛警,區(qū)域2沒有實測數(shù)據(jù)無波導(dǎo)的情況,沒有虛警樣本,所以沒有得到虛警率;兩個區(qū)域波導(dǎo)頂高的均方根誤差分別為2 m和3 m.

圖4(b)和(c)為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值的散點圖,圖中顯示,大部分樣本預(yù)報值和實測值波導(dǎo)頂高值很接近,說明驗證期內(nèi)該海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報效果較好.

表5 東海關(guān)注區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 區(qū)域1

(c) 區(qū)域2圖4 東海關(guān)注區(qū)站點分布以及波導(dǎo)頂高預(yù)報值與實測值散點圖

3.2.2 南海關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖5(a)所在區(qū)域,選取經(jīng)緯度范圍為112°E～117°E,10°N～20°N的區(qū)域進行統(tǒng)計驗證,結(jié)果見表6．由表6可知:預(yù)報可靠度為100%;無漏報;沒有虛警樣本;波導(dǎo)頂高的均方根誤差為2 m.

圖5(b)為波導(dǎo)頂高預(yù)報值和實測值散點圖.圖中顯示:大部分樣本預(yù)報值和實測值波導(dǎo)頂高值很接近,說明驗證期內(nèi)南海關(guān)注區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報效果較好.

表6 南海關(guān)注區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 南海區(qū)域圖5 南海關(guān)注區(qū)站點分布以及預(yù)報值與實測值散點圖

3.2.3 亞丁灣關(guān)注區(qū)驗證結(jié)果

模式預(yù)報區(qū)域為圖6(a)所在區(qū)域,分別選取兩個區(qū)域進行統(tǒng)計驗證:區(qū)域1為60°E～70°E,6°N～16°N;區(qū)域2為84°E～92°E,6°N～14°N,結(jié)果見表7．由表7可知:波導(dǎo)預(yù)報可靠度均為100%;且均無漏報;沒有虛警樣本,所以沒有得到虛警率;波導(dǎo)頂高的均方根誤差分別為3 m和2 m.

波導(dǎo)預(yù)報值和實測值散點圖(圖6(b)和(c))顯示,驗證期內(nèi),亞丁灣關(guān)注區(qū)波導(dǎo)預(yù)報效果較好.

表7 亞丁灣關(guān)注區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度

(a) 站點分布

(b) 區(qū)域1

(c) 區(qū)域2圖6 亞丁灣關(guān)注區(qū)站點分布以及預(yù)報值與實測值45°散點圖

3.3 驗證結(jié)果總結(jié)

通過利用GTS數(shù)據(jù)對MM5V3模式預(yù)報的表面和懸空波導(dǎo)結(jié)果進行了驗證. 驗證結(jié)果表明:

1)一般波導(dǎo)預(yù)報可靠度在東海關(guān)注區(qū)和南海關(guān)注區(qū)約為70%～95%;而在亞丁灣關(guān)注區(qū)稍低,為60%～70%.說明MM5V3模式在東海、南海關(guān)注區(qū)的預(yù)報可靠度較亞丁灣好.

2)強波導(dǎo)預(yù)報可靠度在上述三個關(guān)注區(qū)都為80%以上,說明MM5V3模式在強波導(dǎo)的預(yù)報上可靠度較高.

3)東海、南海關(guān)注區(qū)的預(yù)報效果比較結(jié)果為:南海關(guān)注區(qū)漏報率和虛警率較東海關(guān)注區(qū)低;南海關(guān)注區(qū)和東海關(guān)注區(qū)的虛警率都較漏報率低．說明從虛警率和漏報率的角度來看,MM5V3模式在南海的預(yù)報可靠性較東海高,且兩個關(guān)注區(qū)對無波導(dǎo)預(yù)報可靠性較有波導(dǎo)存在時預(yù)報可靠性高.

4)預(yù)報表面、懸空波導(dǎo)高度均方根誤差為500～800 m,強度均方根誤差為10～20 M,預(yù)報波導(dǎo)高度和強度的均方根誤差較大,說明MM5V3模式對波導(dǎo)參數(shù)預(yù)報準確度較差.

更具體地說，基于本研究的數(shù)據(jù)和分析，針對在英留學(xué)生提出了四個相當(dāng)重要和有用的建議，忽略了復(fù)雜的交易過程和復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)知識。

通過利用4天的FNL數(shù)據(jù)對MM5V3模式預(yù)報的蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)果進行了驗證. 驗證結(jié)果表明:因為選用的區(qū)域為蒸發(fā)波導(dǎo)高發(fā)區(qū),且根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,驗證時間段驗證區(qū)域蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率都為80%以上,所以模式預(yù)報和FNL數(shù)據(jù)基本都出現(xiàn)了蒸發(fā)波導(dǎo),因此,初步得出MM5V3對蒸發(fā)波導(dǎo)高發(fā)區(qū)內(nèi)的波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)報．

4 結(jié) 論

通過以上結(jié)果分析可得出以下結(jié)論:MM5V3 數(shù)值模式能夠?qū)姸葟姷谋砻婧蛻铱詹▽?dǎo)做出預(yù)報,但對強度較弱的波導(dǎo)預(yù)報效果較差;預(yù)報虛警率低說明當(dāng)預(yù)報出現(xiàn)波導(dǎo)時,實際存在波導(dǎo)的概率較高;但在預(yù)報準確度方面效果不好,有待提高;亞丁灣關(guān)注區(qū)因為選取的站點在陸地上,而東海關(guān)注區(qū)和南海關(guān)注區(qū)站點在島嶼上,相對島嶼上陸地的下墊面不均勻性增強,進而通過背景場進一步影響預(yù)報結(jié)果,是可能導(dǎo)致亞丁灣關(guān)注區(qū)預(yù)報可靠度相對較低的原因. 而且,對于不同的區(qū)域,適用的模式也不一樣,以上是可能導(dǎo)致亞丁灣關(guān)注區(qū)預(yù)報可靠度和準確度低的原因.對于蒸發(fā)波導(dǎo),MM5V3對蒸發(fā)波導(dǎo)高發(fā)區(qū)波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)報,但因使用的數(shù)據(jù)有限,因此MM5V3對蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)報性能還需要進一步詳細驗證．

目前,中尺度數(shù)值預(yù)報模式是國內(nèi)外實現(xiàn)大氣波導(dǎo)預(yù)報行之有效的方法途徑. 但是通過上述分析,模式對大氣波導(dǎo)預(yù)報可靠性和準確度上還需要很大的改進. 主要考慮以下幾方面:

1) 優(yōu)化初始場. 中尺度氣象模式的初始場是使用全球預(yù)報模式場和觀測數(shù)據(jù)同化形成的,而全球模式網(wǎng)格粗,海上觀測數(shù)據(jù)少,不能很好地描述海上大氣邊界層和中尺度模式的初始溫度場與濕度場,可通過同化更多的海上觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)改進海上初始場. 尤其在目前海上觀測數(shù)據(jù)嚴重缺乏的情況下,同化衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)到海上初始場,是改進海上初始場最可行的途徑.

2) 中尺度模式的物理機制和參數(shù)化方案有待改進. 中尺度模式海洋大氣邊界層參數(shù)化方案需要準確地描述真實海洋大氣邊界層結(jié)構(gòu)并預(yù)報大氣折射條件.

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