中國近海大氣波導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)特征分析及演變機(jī)理的數(shù)值研究.pdf

1、大氣波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)探測(cè)和無線電通訊有重要影響,是世界各國國防關(guān)注的熱點(diǎn)之一。近年來,我國對(duì)大氣波導(dǎo)的關(guān)注和投入與日俱增。然而,廣闊海洋上觀測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏與長(zhǎng)期連續(xù)的大范圍觀測(cè)難以實(shí)施等現(xiàn)狀,嚴(yán)重制約了大氣波導(dǎo)的理論研究?，F(xiàn)有針對(duì)我國近海大氣波導(dǎo)分布特征的統(tǒng)計(jì)研究由于時(shí)間和空間分辨率較低,與實(shí)際應(yīng)用還存在較大差距。對(duì)于大氣波導(dǎo)的演變機(jī)理,國內(nèi)研究主要從電波傳播理論分析和天氣形勢(shì)診斷角度進(jìn)行研究,而對(duì)大氣波導(dǎo)的熱力和動(dòng)力特征演變機(jī)理的深入研究相

2、當(dāng)少。隨著大氣數(shù)值模式的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用,高時(shí)空分辨率的數(shù)值模擬已逐漸成為研究大氣波導(dǎo)的重要手段。本文旨在利用大氣再分析數(shù)據(jù)與大氣數(shù)值模擬結(jié)果,統(tǒng)計(jì)分析中國近海大氣波導(dǎo)的發(fā)生規(guī)律和分布特征,并在此基礎(chǔ)上借助數(shù)值模擬詳細(xì)研究典型天氣過程中大氣波導(dǎo)的演變機(jī)理。本文首先利用2006-2007年NCEP-FNL大氣再分析數(shù)據(jù)對(duì)中國近海大氣波導(dǎo)的時(shí)空分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,探討了其氣候?qū)W成因,對(duì)我國近海大氣波導(dǎo)特征有了較為全面的了解;接著基于大

3、氣模式MM5,對(duì)2007年全年中國近海大氣波導(dǎo)進(jìn)行了高時(shí)空分辨率的數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果,采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解方法研究了影響我國東部局部海域低空波導(dǎo)形成的天氣學(xué)特征;同時(shí)還利用模擬結(jié)果進(jìn)行了蒸發(fā)波導(dǎo)的直接診斷,分析了蒸發(fā)波導(dǎo)的季節(jié)變化與海洋環(huán)流和海面氣象條件的相關(guān)關(guān)系;然后,利用MM5模擬研究了一次黃海海霧過程中大氣波導(dǎo)的發(fā)生規(guī)律;之后,選用比MM5更先進(jìn)的WRF模式及其三維變分系統(tǒng)(3DVAR),利用盡可能豐富的特性層探空觀

4、測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),進(jìn)行了一系列的數(shù)據(jù)同化對(duì)比試驗(yàn),找到了對(duì)于大氣波導(dǎo)模擬最佳的同化方案,在此基礎(chǔ)之上模擬并研究了我國東部和東南沿海海陸風(fēng)過程中大氣波導(dǎo)的演變機(jī)理;論文最后討論了各種大氣數(shù)值模式在大氣波導(dǎo)研究中的優(yōu)勢(shì),對(duì)大氣波導(dǎo)問題進(jìn)行了展望。借鑒氣象上成熟的研究方法,本文對(duì)于大氣波導(dǎo)的研究手段有所創(chuàng)新:(1)將EOF方法引入大氣波導(dǎo)研究中。本文中依據(jù)大氣數(shù)值模擬結(jié)果確定東南海域的低空波導(dǎo)樣本,利用EOF方法找出有利于該局部海域波導(dǎo)產(chǎn)

5、生的主要天氣形勢(shì)。此方法可有效應(yīng)用于其他局部海域。(2)利用成熟的中尺度大氣模式,通過合理精細(xì)化近海面垂直分層,直接進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)的模擬,而不必依賴于蒸發(fā)波導(dǎo)模型,避免了對(duì)于氣象要素輸入的敏感性和局地經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選擇的局限性。本文的主要結(jié)論有:(1)中國近海大氣波導(dǎo)出現(xiàn)概率及波導(dǎo)類型的變化與東亞季風(fēng)活動(dòng)緊密關(guān)聯(lián),季風(fēng)是其氣候?qū)W成因;夏季時(shí)渤、黃、東海沿岸海域大氣波導(dǎo)明顯增多,與海陸風(fēng)局地環(huán)流有關(guān)。(2)對(duì)于中國東部局部海域,當(dāng)位于冷高壓偏南側(cè)

6、、或熱帶低壓的西北側(cè)、或南部高壓與北部低壓之間時(shí),依次對(duì)應(yīng)著有利于產(chǎn)生低空大氣波導(dǎo)的三種主要天氣形勢(shì):第一種形勢(shì)(約占41％)下的波導(dǎo)高度較高(約1300-1500m),第二種形勢(shì)(約占7%)下的波導(dǎo)強(qiáng)度較大(約17M),它們的共同點(diǎn)是輻散下沉形成穩(wěn)定逆溫層且大氣低層較強(qiáng)的水汽平流造成較大的水汽垂直梯度;第三種形勢(shì)(約占4%)下,平流過程是形成大氣波導(dǎo)的主要原因。(3)蒸發(fā)波導(dǎo)的空間分布受中國近海海洋環(huán)流的強(qiáng)烈影響,存在一個(gè)與黑潮區(qū)域相

7、一致的帶狀波導(dǎo)高出現(xiàn)概率區(qū)域,臺(tái)灣暖流、黃海暖流和對(duì)馬暖流使得在某些季節(jié)相應(yīng)海域蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率高于其周圍海域。(4)大氣波導(dǎo)與海霧過程有著緊密聯(lián)系,對(duì)于黃海平流海霧,霧頂水汽垂直梯度可達(dá)到50%/100m,而導(dǎo)致大氣波導(dǎo)發(fā)生在霧頂100～200m的高度內(nèi);同時(shí)霧體的輻射冷卻作用使大氣層結(jié)穩(wěn)定度增強(qiáng),波導(dǎo)層強(qiáng)增大;大氣波導(dǎo)比海霧對(duì)水汽條件更敏感,一旦發(fā)生水汽的垂直混合便迅速消失。(5)受海陸風(fēng)影響,我國東部和東南沿海大氣波導(dǎo)地出現(xiàn)具有顯