一次伴隨雷達異常地物回波的超視距探測成因分析與數值模擬研究

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, 南京 210016；2. 國防科技大學氣象海洋學院, 長沙 410003；3. 中國人民解放軍94816部隊, 福州 350002；4. 中國人民解放軍96746 部隊, 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.

大氣波導作為一種可以實現超短波、微波超視距探測的特殊大氣折射結構，具有重要的研究價值[5]，目前國內外相關學者在大氣波導探測方法、形成變化機理、實時監測與診斷、數值模擬與預報、傳播評估與應用等領域開展了大量基礎性和前沿性的研究. 但相關成果仍遠不能滿足信息系統的實際應用需求[5]，這與大氣波導傳播應用研究的復雜性和學科交叉性有關，很大程度上也與缺少海上大氣折射環境和電磁波傳播同步觀測試驗的數據支撐有關.

目前，從氣象學角度研究大氣波導的環境特性，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]和格點再分析資料[16-17,27-31]. 這三類觀測資料各有其優缺點：高垂直分辨率探空資料雖然可以精細刻畫大氣溫濕壓垂直廓線，進而得到較為精細的大氣修正折射率垂直廓線和大氣波導特征量，但成本較高，難以同時快速大范圍開展觀測；遙感探測反演資料雖可以實現快速的區域反演探測，但是反演精度仍需進一步提升，特別是低空和有云出現時；格點再分析資料同化了地面、船舶、無線電探空、飛機報、衛星等氣象觀測資料，可以提供最長時間序列的全球格點再分析數據，是目前研究大氣波導氣候分布的最佳數據來源，也為大氣波導數值模擬和預報研究提供背景場，但是再分析資料的水平和垂直分布率仍不足以準確分辨大氣波導的水平和垂直結構.

因此，利用中尺度模式開展大氣波導形成機理、數值模擬和預報應用研究，仍然具有不可替代的應用前景. 近年來，為改進大氣波導的數值模擬精度，相關學者從改善初邊界條件出發，引入了多種資料同化方案[6-10,12]、動力初始化方案等[15]；從數值模式自身出發，引入了集合預報[13]、湍流參數不確定性擾動[32]、可考慮氣溶膠-云-輻射效應的WRF-Chem 模式[18]等. 以上研究為開拓大氣波導數值模擬思路、提高模擬效果，提供了很好的經驗借鑒.

然而，目前大氣波導氣象學研究仍存在一定的局限性，主要表現為大氣波導氣象環境與雷達電磁波傳播應用的脫節，缺少將兩者同步的實測個例積累，也較少將數值模擬結果用于異常電磁波傳播現象的解釋和評估. 2020 年4 月，一次發生在臺灣海峽地區伴隨雷達異常地物回波的超視距探測現象具有重要研究價值，本文將針對該個例開展成因分析以及數值模擬研究，以期為后續有針對性地開展臺灣海峽地區大氣波導條件下的地物回波消除和雷達有效超視距探測提供參考.

1 觀測試驗及天氣形勢分析

如圖1 所示，根據葵花衛星紅外云圖和民航飛機 報 可 知，2020 年4 月29 日20 時 至5 月1 日2 時(北京時間，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 時開始，我國東南沿海多部氣象雷達出現大范圍“虛假”降水回波和地物回波，如圖2所示為不同時刻廈門站氣象雷達基本反射率回波圖. 其中氣象雷達的工作模式為降水測量，仰角0.5°，隨后沿圖2(c)中黃色實線所示的傳播路徑提取非均勻M廓線開展傳播評估. 是否是大氣波導傳播造成此次氣象雷達電磁波異常傳播現象值得進一步深入研究.

圖1 葵花衛星紅外云圖Fig. 1 Himawari satellite infrared cloud images

圖2 廈門站氣象雷達基本反射率回波圖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(黑色實線，單位：dagpm)、相對濕度(填色，單位：%)、溫度(紅色實線，單位：℃)、風場合成圖，臺灣海峽基本上位于500 hPa 高空槽后，有利于下沉運動，而下沉運動會伴隨增溫減濕作用，因此850 hPa 臺灣海峽區域存在明顯的干區，加之1 000 hPa 受暖脊控制，很容易在低層形成逆溫層結.

進一步利用ERA5 再分析資料，以4 月29 日18 時為代表，選取平潭、泉州、廈門、東山當面海區及澎湖列島附近的格點數據繪制溫、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逆溫層結的存在. 逆溫層的存在進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與逆溫層以上的干區形成強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論. 因此，臺灣海峽區域逆溫和濕度隨高度銳減兩個有利于大氣波導出現的條件均成立. 由圖4(c)中大氣修正折射率廓線可以看出，4 月29 日18 時泉州、廈門、東山當面海區及澎湖列島均出現了表面波導.

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

圖4 2020 年4 月29 日18 時平潭、泉州、廈門、澎湖列島、東山單點廓線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)，且本次個例最初是雷達超視距探測到的異常地物回波現象，沒有更多高時空分布率實測資料進行更細致的分析驗證. 因此利用WRF 模式，從氣象學角度對此次伴隨雷達異常地物回波的超視距探測現象進行更為細致的數值模擬研究，揭示此次大氣波導過程的水平分布范圍和時空演變特征.

2 數值模擬研究

2.1 模擬設置

本文采用WRF4.2 模式進行模擬. 模式采取三層嵌套，由外到內水平分辨率分別是30 km、10 km、3.33 km，格點數分別為269×206，433×433，628×628，模擬區域如圖5 所示. 三層嵌套中最外層包含了東亞、南亞、東南亞的大部分區域；第二層主要包含了東亞地區；最內層包含了我國的中東部以及黃海、東海、南海北部地區. 每層嵌套的垂直分層均取60 層(其中2 000 m 高度以下進行了加密設置，共占38 層；根據eta 設置：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積云參數化方案和WSM6 微物理方案. 模擬時段為2020 年4 月29 日2 時 至5 月1 日2 時 共48 h. 初始、邊界條件由美國國家環境預報中心(National Centers for Environment Prediction, NCEP)再 分 析 數據(NCEP-FNL， 1°×1°， 6 h 一次)得到.

圖5 模擬區域網格設定Fig. 5 Simulation domains setting

2.2 波導類型以及特征量分布的模擬分析

4 月29 日2 時至5 月1 日2 時的數值模擬結果如圖6 所示，可以看出，臺灣海峽確實持續存在顯著的大氣波導現象. 模擬前期臺灣海峽和廣東沿海主要以弱懸空波導和多層波導為主，其中弱懸空波導的頂高位于700～1 300 m，且隨著遠離大陸沿岸而逐漸抬升，這與以往研究結果一致[13]；多層波導的頂高普遍較低，以400～600 m 為主. 4 月30 日2 時臺灣海峽中南部開始出現頂高500 m 左右的表面波導，4 月30 日14 時至5 月1 日2 時臺灣海峽幾乎被頂高200～600 m 的表面波導所覆蓋，這一演變過程同時伴隨波導強度的持續增強. 4 月30 日14 時臺灣海峽的表面波導整體增強至15 M 單位以上，局部達到40 M 單位上；而5 月1 日2 時臺灣海峽內的表面波導整體強度均達到了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存在較強的懸空波導，其穩定存在的成因與850 hPa高壓反氣旋系統伴隨的干空氣團覆蓋在濕的海洋大氣邊界層上有關，如圖6 所示.

圖6 模擬波導類型、波導強度及波導頂高Fig. 6 Simulated duct type, duct strength and duct top height

3 傳播評估驗證

上述分析研究已表明，此次臺灣海峽附近發生的雷達異常傳播現象，確實對應有持續存在的大氣波導過程. 當大氣環境中存在大氣波導時，大氣波導能否將電磁波捕獲在波導內形成雷達超視距探測，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)電磁波發射源位于大氣波導層內(懸空波導存在特殊)；3)電磁波的發射仰角必須小于臨界仰角[4].

下面結合5 月1 日1 時廈門站的氣象雷達參數、實測雷達回波和模式模擬預報的非均勻大氣波導結構，進行波導條件下的電波傳播評估驗證. 如圖2(c)所示，廈門當面海區出現較大范圍的云雨回波，從回波強度上看，廈門站正南偏東約12°的局部海域有中到大雨，而臨近時刻(圖1(d))的紅外云圖只顯示臺灣海峽中北部有云覆蓋. 進一步分析該時刻的ERA5 再分析資料提供的逐小時累積降水量分布(圖7)可知，廈門當面海區內并無降水，由此說明，廈門站出現的是“虛假”降水回波，很可能與大氣波導條件下的異常地物回波有關.

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

從WRF 模式模擬預報的三維大氣修正折射率結構中提取廈門站5 月1 日1 時氣象雷達傳播路徑上(沿圖2(c)黃色實線)的大氣波導非均勻M廓線，結果如圖8 所示，紅色點對應的高度為波導頂高. 可以看出，該時刻傳播路徑上以陷獲層懸空的強表面波導為主，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果. 根據模式模擬預報結果沿圖2(c)黃色實線提取的非均勻M廓線分布評估的廈門站氣象雷達在非均勻大氣波導條件下的探測概率如圖9 所示，其中垂直波束寬度0.95°，白色區域為地形. 可以看出，電磁波信號因強表面波導的陷獲折射，在距站點140～230 km 內折向地面產生異常地物回波，與圖2(c)中廈門站氣象雷達實測回波圖吻合，只是模式預報距站點100 km 附近的跳躍盲區在實測回波圖上仍存在5～10 dB 的弱回波信號.

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

4 結 論

本文利用ECMWF ERA5 再分析資料、葵花衛星云圖，借助WRF4.2 模式高時空分辨率模擬數據和電磁傳播模型，證實東南沿海多部氣象雷達出現異常地物回波與臺灣海峽內持續存在顯著的大氣波導過程有關.

大氣波導出現的成因主要是由于臺灣海峽位于500 hPa 高空槽后，下沉運動伴隨的增溫減濕使得850 hPa 存在明顯的干區，加之低層1 000 hPa 受暖脊控制，形成逆溫層結. 逆溫層阻止海面附近的水汽上傳，形成強烈的濕度隨高度銳減層，進而使得4 月30 日14 時至5 月1 日2 時臺灣海峽幾乎被頂高200～600 m 的表面波導覆蓋，且波導強度持續增強.

進一步利用WRF 模式模擬預報的氣象雷達傳播路徑上的非均勻大氣波導結構，輸入電磁波傳播模型，得到的電磁波傳播特征與雷達實測回波的主體結構吻合，這一結果為后續大氣波導氣象環境與雷達電磁波傳播應用相結合的研究提供了重要參考.