2018, Vol. 39
2. 91469部队, 北京 100841;
3. 75839部队, 广东 广州 510510;
4. 国防科技大学 信息通信学院, 湖北 武汉 430010
2. The 91469 Unit of PLA, Beijing 100841, China;
3. The 75839 Unit of PLA, Guangzhou 510510, China;
4. College of Information and Communication, National University of Defense Technology, Wuhan 430010, China
印度洋西部的亚丁湾是位于也门和索马里之间一条东西走向的狭长海湾，是海上丝绸之路的交通要道。亚丁湾海域纬度较低、气温较高、阳光照射强度大、海水蒸发明显、上层空气干燥，空气湿度随高度增加而迅速递减，极易形成蒸发波导，是全球蒸发波导平均发生概率较高的海域之一。同时，由于该海区受到亚非干燥性大陆气候的影响，当暖且干燥的气团从亚非大陆平移至相对冷且湿的海面时，波导层厚度不断增加且大气修正折射率负梯度线性形式愈发显著，导致波导层对电磁波的束缚能力进一步增强，雷达出现超视距探测，超短波通信出现超视距传播的概率进一步提高。由于蒸发波导的形成与其内风、气温、相对湿度、气压、海表温度等要素的分布息息相关，而上述气象水文要素在亚丁湾海域又呈现出典型的季节分布特点。因此，研究亚丁湾海域蒸发波导季节变化及其对电磁波传播的影响，对了解船载雷达、通信等设备在该海域的性能发挥具有重要的意义。
当前，研究区域性气象水文要素季节变化主要是利用对关注区域内长期的观测数据来加以分析，但由于架设条件、架设环境等因素的影响，在亚丁湾进行与蒸发波导相关的风、气温、相对湿度、气压、海表温度要素的实时观测难以实现。近年来，随着大气再分析技术的不断发展，人们可以根据分布在不规则观测点上的气象观测资料得到规则网格点上的大气变量分析值。再分析数据一般在时间上长达数十年，水平空间上覆盖全球，垂直空间上从地表一直延伸到平流层。依据数据所属机构、采用的同化方法、水平分辨率和时间跨度，再分析数据可分为很多种类。目前，国外主要有欧洲中期数值预报中心(ECMWF)、美国国家环境预报中心(NCEP)等单位提供全球大气再分析资料。公开文献中报道了研究人员利用浮标等设备对多种再分析数据中辐射、风速等数据准确性进行检验的分析，但未见与蒸发波导相关的风、气温、相对湿度、气压、海表温度等数据在亚丁湾海域联合准确性的检验。
对蒸发波导环境下电子辐射源传输能力的影响评估主要是利用蒸发波导模型和电磁波传播模型相结合的方式进行研究。蒸发波导模型通过近海面层高度上单层气象数据计算出蒸发波导高度、强度、廓线等特征信息。电磁波传播模型接收到蒸发波导模型计算的波导特征信息后，通过自身含有的绕射、大气折射、海表反射、大气吸收等模块计算出电磁波传播路径上的损耗等分布结果，最终分析出蒸发波导对电磁波传播的影响情况。
近年来的相关文献表明国内蒸发波导研究人员受试验条件、试验设备等限制，对蒸发波导规律及电磁波受蒸发波导影响分析的区域重点聚焦在西北太平洋、东印度洋等海域[1-3]。例如，史阳等利用在广东某海域进行的试验分析了非均匀状态的蒸发波导对电磁波传播的影响情况[4]；丁菊丽等利用铁塔观测资料研究了南海、东海蒸发波导出现的规律[5]；赵小峰等利用船测数据对南海及东印度洋大气波导进行了统计分析[6]。此外，杨坤德等利用NCEP提供的0.313°×0.312°再分析数据资料分析了世界海域蒸发波导高度的时空分布特征[7]，其中，对NCEP再分析数据的检验是通过部分太平洋浮标数据来完成，也未曾对亚丁湾海域蒸发波导进行季节性分析；张琪等同样利用NCEP提供的0.313°×0.312°再分析数据资料研究了亚丁湾蒸发波导的时空分布特性[8]，其中，对NCEP再分析数据的检验由于缺乏亚丁湾浮标数据，因而用阿拉伯海上的浮标数据来代替。
目前，美国等国家在蒸发波导及其对电磁波传播影响方面的研究方法多样、研究成果丰富，聚焦区域覆盖全球热点海域。例如，Brian D.McKeon研究南海蒸发波导气候特征，对该海域季节性变化进行了深入分析[9]；Raptis分析了爱琴海气象因素对电磁波波导传播的影响情况[10]；Brooks等学者利用机载和船载测量设备采集的数据分析了波斯湾海域不同类型大气波导的情况[11]。
综上所述，国内外均重视蒸发波导及其对电磁波传播的影响分析，利用再分析数据对亚丁湾海域蒸发波导时空分布特征进行了初步研究。由于缺乏在该海域的实测数据，因此形成的蒸发波导季节性分布结论有待商榷，同时也未曾分析蒸发波导的季节性对电磁波传播的影响情况。本文利用船测数据对欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的高水平分辨再分析数据进行了检验，在此基础上分析了亚丁湾海域蒸发波导季节变化规律。基于上述规律，利用克服“不理想跃变”的PJ蒸发波导诊断模型、抛物方程电磁波传播模型分析了蒸发波导的季节性变化对电磁波传播的影响情况。
1 ECMWF再分析数据及其适用性检验 1.1 ECMWF-Interim数据集ECMWF第3代再分析数据集ERA-Interim可以提供自1979年以来的全球大气再分析资料，并实时更新。相比第2代产品ERA-40再分析数据集，ERA-Interim采用了四维变分分析、改进的湿度分析、卫星数据误差校正等技术，数据集的再分析资料的质量有所提升。ERA-Interim提供每天四个时次的全球再分析数据，本文选取采用水平分辨率为0.125°×0.125°的再分析数据来分析亚丁湾蒸发波导季节变化等相关研究，使用的ECMWF-interim原始再分析数据具体内容如表 1所示。
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表 1 ECMWF-Interim原始再分析数据 Table 1 Reanalysis variables from reanalysis variables that were used in this paper |
为了检验ECMWF-Interim再分析数据集在亚丁湾海域的适用性，本文使用船测数据进行检验。由于船载气象传感器架设的高度与再分析数据高度不一致，本文通过近地层相似定理将船载传感器高度的实际采集数据折算到再分析数据高度上便于比对。同时考虑到再分析数据每天发布四个时次(0 :00UTC、6 :00UTC、12 :00UTC、18 :00UTC)，船测数据的测量时间并非与再分析数据发布时间完全一致，因此在量化分析过程中船测数据选择发布时间与其在3 h内的再分析数据进行比较。四个时次所对应的船测数据量所占百分比分别是：0 :00UTC为27.91%，6 :00UTC为34.88%，12 :00UTC为2.33%，18 :00UTC为34.88%。
再分析数据发布时刻所对应的船测数据量所占百分比如图 1所示，数据显示12 :00UTC时次的数据量较少，6 :00UTC和18 :00UTC时次的数据量基本一致，0 :00UTC时次的数据量多于12 :00UTC时次，但略少于6 :00UTC和18 :00UTC时次。
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| 图 1 数据数量占比图 Fig. 1 The proportion of the number of data | |
计算出的各时间段中折算至再分析数据高度的气压、气温、海表温、相对湿度、风速与再分析数据的偏差均值与标准差分析结果如下，如图 2~5。
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| 图 2 0 :00UTC时次分析结果 Fig. 2 The results at 0 :00UTC | |
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| 图 3 6 :00UTC时次分析结果 Fig. 3 The results at 6 :00UTC | |
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| 图 4 12 :00UTC时次分析结果 Fig. 4 The results at 12 :00UTC | |
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| 图 5 18 :00UTC时次分析结果 Fig. 5 The results at 18 :00UTC | |
1) 0 :00UTC时次对应数据分析。
0 :00UTC时次对应的气压偏差均值为1.29 hPa，偏差标准差为1.59 hPa；气温偏差均值为0.75 ℃，偏差标准差为0.85 ℃；海表温偏差均值为0.15 ℃，偏差标准差为0.72 ℃；相对湿度偏差均值为3.75%，偏差标准差为5.81%；风速偏差均值为0.37 ms-1，偏差标准差为2.57 ms-1。
2) 6 :00UTC对应数据分析。
6 :00UTC时次对应的气压偏差均值为2.04 hPa，偏差标准差为1.79 hPa；气温偏差均值为1.27 ℃，偏差标准差为1.34 ℃；海表温偏差均值为0.21 ℃，偏差标准差为0.57 ℃；相对湿度偏差均值为1.45%，偏差标准差为5.7%；风速偏差均值为0.1 ms-1，偏差标准差为1.85 ms-1。
3) 12 :00UTC对应数据分析。
12 :00UTC时次对应的气压偏差均值为-0.22 hPa，偏差标准差为3.07 hPa；气温偏差均值为-1.11 ℃，偏差标准差3.05 ℃；海表温偏差均值为-0.7 ℃，偏差标准差为1.34 ℃；相对湿度偏差均值为8.52%，偏差标准差为9.79%；风速偏差均值为-3.73 ms-1，偏差标准差为2.66 ms-1。
4) 18 :00UTC对应数据分析。
18 :00UTC时次对应的气压偏差均值为1.74 hPa，偏差标准差为1.36 hPa；气温偏差均值0.31 ℃，偏差标准差为0.52 ℃；海表温偏差均值0.14 ℃，偏差标准差为0.63 ℃；相对湿度偏差均值5.76%，偏差标准差为4.71%；风速偏差均值-0.01 ms-1，偏差标准差为1.86 ms-1。
综合上述分析数据可以看出，气压方面，由于PJ模型将气压设定为1 000 hPa，因而无须输入气压信息，因此，各时次的再分析气压数据虽然与实测结果略有不同，但不会对PJ模型计算结果产生影响。气温方面，18 :00UTC时次的偏差结果要好于其他时次；海表温方面，18 :00UTC和6 :00UTC时次的偏差结果要好于其他时次；相对湿度方面，6 :00UTC时次的偏差结果要好于其他时次；风速方面，18 :00UTC时次的偏差结果要好于其他时次。根据上述分析，同时考虑到6 :00UTC时次的气温偏差要大于18 :00UTC，导致气海温差的偏差也将大于18 :00UTC。鉴于此，本文选用18 :00UTC时次的再分析数据进行后续研究。为了分析18 :00UTC时次的数据偏差对PJ模型计算结果的影响情况，将ECMWF-Interim再分析数据集18 :00UTC时次得到的气海温差以及实际测量得到的气海温差进行对比分析，如图 6所示。同时，将上述气海温差对应的风速以及相对湿度数据展现在图 7中。
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| 图 6 18 :00UTC时次气海温差分析结果 Fig. 6 The ASTD(air-sea temperature difference)results at 18 :00UTC | |
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| 图 7 18 :00UTC时次风速、相对湿度结果 Fig. 7 The wind speed and relative humidity data at 18 :00UTC | |
结合PJ模型结果的输出特性以及图 6、7中的数据可以得到，当两类气海温差均在-1 ℃以上时，PJ模型计算的结果会出现“恒值”情况，即利用再分析数据计算的蒸发波导结果与使用实测气象水文数据计算的波导结果一致；当两类气海温差并不均在-1 ℃以上时，虽然使用再分析数据计算的PJ模型结果与通过实测气象水文数据计算的结果不完全一致，但两者相差不大。
综上所述，ECMWF-Interim再分析数据集18 :00UTC时次的数据较其他时次更接近实测数据。同时，虽然18 :00UTC时次的数据与实测数据也存在一定差别，特别是相对湿度，但对于使用的PJ模型来说，两者计算的结果基本一致。因此，在后续分析中使用18 :00UTC时次的ECMWF-Interim再分析数据来计算。
2 蒸发波导季节变化及其对电磁波传播的影响 2.1 蒸发波导季节变化分析对于气象因素的季节变化研究来说，通常以3~5月为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季、12月~2月为冬季。本文根据国内外研究的习惯，选择1月为冬季代表月份，4月为春季代表月份，7月夏季代表月份，10月为秋季代表月份。将下载的近十年亚丁湾海域1、4、7、10月份18 :00UTC时次的ECMWF-Interim再分析数据进行月平均后代入PJ蒸发波导模型中，得到的该海域蒸发波导季节分布如图 8所示。结果显示亚丁湾海域蒸发波导呈现显著的季节变化特征，其中，夏季由亚丁湾中部向两侧逐渐形成强蒸发波导分布区域，该区域的蒸发波导高度值较其他季节不仅大而且分布范围广；该海域在夏季生成的强蒸发波导分布在秋季逐渐消失，湾内仍然存在较高的蒸发波导分布区域，但湾外的蒸发波导高度迅速下降，与湾内形成一个高度差；冬季亚丁湾海域整体的蒸发波导高度较高，湾内的波导高度略高于湾外，从而也呈现出非均匀分布形式；春季亚丁湾海域虽然会出现非均匀蒸发波导的分布形式，但较其他季节非均匀性弱。
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| 图 8 亚丁湾海域蒸发波导季节分布图 Fig. 8 The spatial and temporal variation of evaporation duct height in the Gulf of Aden in a year | |
虽然蒸发波导能够有效束缚电磁波形成超视距传播，但不是只要出现蒸发波导就能够使在其内的任何频段电磁波形成超视距传播，需要满足一定的条件，其中电磁波频率必须高于最低陷获频率。John E.Freehafer给出了蒸发波导所能捕获的最低陷获频率经验公式：
| $ {f_{\min }} = 360.33{d^{ - 1.5}} $ | (1) |
式中：d为蒸发波导高度, m; fmin为最低陷获频率，GHz。利用式(1)和图 8蒸发波导季节分布结果得到最低陷获频率季节变化分布结果如图 9所示。
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| 图 9 亚丁湾海域最低陷获频率季节变化图 Fig. 9 Seasonal variation in minimum trapping frequency in the Gulf of Aden | |
图 9的数据显示由于冬季亚丁湾海域出现非均匀蒸发波导的分布形式，因此最低陷获频率也呈现非均匀分布状态，不过由于蒸发波导非均匀程度较弱，使得该海域最低陷获频率的非均匀程度也不强，湾内局部最低陷获频率可以达到S频段；春季最低陷获频率分布非均匀分布程度提升，亚丁湾中部陷获能力较强，最低陷获频率在C频段，湾外最低陷获频率逐渐增加，索科特拉岛以东海域最低陷获频率更是提升到X频段以上。另外，在也门和阿曼部分海域也存在X频段以上的最低陷获频率区域；夏季亚丁湾海域由于存在很强的蒸发波导分布导致该海域具有很强的陷获能力，湾内最低陷获频率低至L频段，湾外最低陷获频率也在S频段附近，但在索科特拉岛以南区域最低陷获频率提高到C频段，在阿曼和索马里半岛局部区域则更增加到X频段附近；秋季亚丁湾最低陷获频率非均匀分布程度最强，湾外要明显高于湾内，湾内区域最低陷获频率在S频段，而湾外则达到X频段，阿曼和索马里半岛东部局部海域的最低陷获频率更是达到12 GHz以上。上述结果表明秋季湾内的蒸发波导能够更容易陷获电磁波，而湾外要形成电磁波超视距传播需要提高电磁波的频率。
2.2.2 对电磁波传播损耗分布的影响为了分析亚丁湾海域蒸发波导季节变化对电磁波传播损耗分布的影响，这里采用“PJ+PEM”的方法进行仿真研究。利用PJ蒸发波导模型以及前面章节使用的代表四季的1、4、7、10月份18 :00UTC时次平均ECMWF-Interim再分析数据获得研究路径按照再分析网格间隔步进的蒸发波导修正折射率廓线数据，将该廓线数据代入到PEM中，同时设定电磁辐射源参数(频率分别取L、S、C、X波段，天线架高分别取10、30 m)，最终得到用于分析影响的电磁波传输损耗分布结果。此外，由于亚丁湾海域范围大，为了研究方便且具有代表性，本文选择亚丁湾中部的路径开展相关研究，路径取值为：A点(46°E，12.5°N)至B点(50°E，12.5°N)，四季对应的蒸发波导高度分布结果如图 10所示。
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| 图 10 四季路径上对应的蒸发波导高度分布图 Fig. 10 Evaporation duct heights along the path in four seasons | |
四季亚丁湾海域路径上对应的蒸发波导高度分布结果如图 10所示。冬季由A点的21.19 m先增至22.34 m，后减小至20.75 m。夏季由A点的25.49 m先增至29.02 m，后减至18.63 m。秋季由A点的20.03 m先增至20.65 m，后减至17.62 m。春季则不同于其他三季，先由A点17.41 m增加至17.63 m，而后减小至16.83 m，最后再增至17.21 m。
获得的四季路径上不同电磁波频段的传播损耗结果如图 11~18所示，结果表明：
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| 图 11 电磁波传播损耗分布图(L频段，天线架高10 m) Fig. 11 Propagation loss results (L band, antenna height 10 m) | |
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| 图 12 电磁波传播损耗分布图(L频段，天线架高30 m) Fig. 12 Propagation loss results (L band, antenna height 30 m) | |
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| 图 13 电磁波传播损耗分布图(S频段，天线架高10 m) Fig. 13 Propagation loss results (S band, antenna height 10 m) | |
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| 图 14 电磁波传播损耗分布图(S频段，天线架高30 m) Fig. 14 Propagation loss results (S band, antenna height 30 m) | |
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| 图 15 电磁波传播损耗分布图(C频段，天线架高10 m) Fig. 15 Propagation loss results (C band, antenna height 10 m) | |
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| 图 16 电磁波传播损耗分布图(C频段，天线架高30 m) Fig. 16 Propagation loss results (C band, antenna height 30 m) | |
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| 图 17 电磁波传播损耗分布图(X频段，天线架高10 m) Fig. 17 Propagation loss results (X band, antenna height 10 m) | |
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| 图 18 电磁波传播损耗分布图(X频段，天线架高30 m) Fig. 18 Propagation loss results (X band, antenna height 30 m) | |
1) 对于L频段电磁波，当天线架设高度为10 m时，由于架高较低，使得电磁辐射源均处于蒸发波导内，获得的不同季节蒸发波导高度路径分布条件下电磁波传播损耗的总体分布形式基本一致。在0~150 km附近，传播损耗呈现有规律的分层形式。150~350 km附近，传播损耗呈现剧烈的震荡分布。350~400 km，传播损耗又恢复成分层的形式。此外，图 15中的数据还显示50 km内各个季节路径分布对应的从传播衰减结果相差不大。50~150 km距离段，夏季路径分布对应的传播衰减结果与其他三季的结果略低。150~350 km距离段，四个季节路径分布的对应的传播衰减结果基本一致。350~400 km距离段，秋冬季路径分布对应的传播衰减结果差别不大，但略高于夏季路径分布的结果，略低于春季的结果；当天线架设高度为30 m时，由于架高增加使得电磁辐射源均处于蒸发波导外，计算的不同季节蒸发波导高度路径分布条件下电磁波传播损耗的总体分布形式仍然基本一致。在0~150 km附近，传播损耗同样呈现有规律的分层形式。150~350 km附近，传播损耗虽然也呈现剧烈的震荡分布，但形式与天线架设高度10 m的不同。350~400 km，传播损耗同样恢复成有规律的分层形式。另外，图 15的数据显示夏季对应的电磁波传播损耗分布整体略低于秋冬季的结果，春季路径上的传播损耗结果要略高于其他三季。
2) 对于S频段电磁波，当天线架设高度为10 m时，虽然秋冬季蒸发波导高度路径分布对应的电磁波传播损耗分布形式较为相似，随距离的变化呈现明显的分层形式，但冬季的损耗要低于同距离、同高度处的秋季结果。夏季的蒸发波导高度路径分布对应的传播衰减结果比其他三季的结果要低，表明夏季的蒸发波导高度路径分布能够有效地陷获电磁波。春季的电磁波传播损耗分布结果虽然也呈现分层形式，但同距离和同高度上的传播损耗高于其他三季的值；当天线架设高度为30 m时，天线架设高度超过了各个季节条件下的蒸发波导高度，计算的夏季电磁波传播损耗值小于其他三个季节对应的结果，秋冬季结果次之，春季的传播损耗在相同空间条件下最大。
3) 对于C频段电磁波，当天线架设高度为10 m时，在天线架设高度以下的空域均存在电磁波传播低损耗分布，表明在亚丁湾海域该频段电磁波均有产生超视距传播的能力。其中，春季蒸发波导高度路径分布对应的电磁波传播损耗分层形式较为明显。秋冬两季的传播损耗结果虽然也存在分层形式，但相同的损耗值对应的空域面积各不相同。秋季在同距离、同高度处损耗值要低于冬季的结果。夏季对应的电磁波传播损耗结果在50 km以内会有一定的分布形式，但在50~400 km没有明显的分层形式。此外，夏季对应的距离为50~400 km，高度在天线架设高度以上的空域内，电磁波传播损耗较其他三季明显偏大，且在350~400 km出现其他季节未曾出现的高损耗分布；当天线架设高度为30 m时，在天线架设高度以下的部分空域会存在电磁波的低损耗传播分布。春季依然存在较为明显的电磁波传播损耗分层形式，秋冬两季虽然也会存在传播损耗的分层分布，但较天线架设高度10 m的情况，冬季的分层形式减弱，秋季的有所增强。同时，秋季在同距离、同高度处损耗值仍然低于冬季的结果。夏季的分层形式要显著好于天线架设高度10 m的条件，在350~400 km出现了高损耗分布区域。
4) 对于X频段电磁波，当天线架设高度为10 m时，秋冬季蒸发波导高度路径分布对应的电磁波传播损耗分布具有明显的分层形式，且在150 km以外同高度、同距离上，秋季的结果要大于冬季的值。春夏两季在100 km以外的距离上电磁波传播损耗呈现剧烈的震荡分布，损耗下降程度较快，但在天线架设高度以下的距离上，仍然存在低传播损耗的区域；当天线架设高度为30 m时，秋冬季蒸发波导高度路径分布对应的电磁波传播损耗分布仍然具有明显的分层形式，且在220 km以外同高度、同距离上，秋季的结果要大于冬季的值。春季在150 km以内呈现传播损耗分层的分布形式，在150 km以外仍然存在传播损耗的震荡分布形式，损耗下降程度较大，出现了高电波损耗传播区域。夏季的传播损耗分布呈现分层的形式，同时，在天线架设高度以下的区域存在低传播损耗分布。
3 结论1) 亚丁湾海域蒸发波导呈现显著的季节性变化特征，夏季蒸发波导高度较高。此外，四季内蒸发波导均以非均匀分布的形式出现在该海域中，在秋季湾内外的蒸发波导高度差异较大。
2) 由于亚丁湾海域蒸发波导高度的季节性变化导致电磁波形成波导传播的最低陷获频率也呈现显著的季节性分布特征。其中，夏季对应的最低陷获频率最低，表明夏季该海域束缚电磁波的能力最强。此外，四季中亚丁湾外海域最低陷获频率接近或高于湾内，特别是秋季两者差异较大。
3) 冬夏两季亚丁湾内研究路径上蒸发波导的分布形式较为相似，呈现“凸”字形，随着经度的增加，蒸发波导高度先增大后减小；春季研究路径上蒸发波导高度的分布形式近似“凹”字形；秋季路径上的蒸发波导高度近似线性递减的分布。
4) L频段电磁波在四季研究路径上的电磁波传播损耗整体分布基本一致，夏季的传播损耗略低于其他三季；S频段电磁波在夏季研究路径上，天线架设高度以下的区域内有低传播损耗的分布；C和X频段电磁波则在四季均出现天线架设高度以下的低传播损耗区域。
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