懸空波導(dǎo)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大氣懸空波導(dǎo)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，涉及專利分類號(hào)GOl測(cè)量；測(cè)試 GOlS無線電定向；無線電導(dǎo)航；采用無線電波測(cè)距或測(cè)速；采用無線電波的反射或再輻射 的定位或存在檢測(cè)；采用其他波的類似裝置G01S13/00使用無線電波的反射或再輻射的系 統(tǒng)，例如雷達(dá)系統(tǒng)；利用波的性質(zhì)或波長(zhǎng)是無關(guān)的或未指明的波的反射或再輻射的類似系 統(tǒng)GO IS13/88專適用于特定應(yīng)用的雷達(dá)或類似系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 正常大氣垂直結(jié)構(gòu)從地面到對(duì)流層每個(gè)高度層氣溫是按每上升100米降低1°C遞 減。如果是在飽和水汽條件下，如云中每上升100米降低6°c，這就是正常大氣垂直結(jié)構(gòu)，也 叫標(biāo)準(zhǔn)大氣結(jié)構(gòu)。
[0003] 如果在大氣垂直結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了逆溫層，如每上升100米氣層溫度不但沒有遞減， 相反增溫現(xiàn)象出現(xiàn)就是逆溫層。
[0004] 由于地球是一個(gè)圓球體結(jié)構(gòu)，而這個(gè)逆溫層在水平方向上有一定范圍，因此在大 氣層內(nèi)如海面，水平發(fā)射電磁波，由于地球曲率效應(yīng)遲早會(huì)與這個(gè)逆溫層以一個(gè)比較小角 度相接觸。由于逆混層內(nèi)氣層溫度高于下層空氣氣溫，而不同溫度氣層對(duì)電磁議傳播速度 有直接作用，因此這兩個(gè)層對(duì)同一個(gè)電磁波波束而言傳播速度是不同的，所以對(duì)電磁波傳 播而言形成了一個(gè)介質(zhì)面，如同光波從空氣射向水中一樣，當(dāng)入射光波射線與水面夾角很 小時(shí)，光波就會(huì)被全反射回空氣中。
[0005] 同樣當(dāng)電磁波束與逆溫層界面夾角很小的接觸時(shí)，電磁波就會(huì)被反射回海面，從 而電磁波就克服丁地球曲率的影響，探測(cè)到地球曲率以外目標(biāo)。形成了超視距探測(cè)。再由 于海面是平滑介質(zhì)面，電磁波在海面再次反射，彈回空氣中，再次被逆溫層破獲反M因海面 從而形成了波導(dǎo)管超視距傳播。這就是太氣波導(dǎo)效應(yīng)。
[0006] 按高度劃分，大氣波導(dǎo)可分為貼海表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)兩類。其中沿海面的蒸發(fā) 波導(dǎo)與表面波導(dǎo)為一類。另一類大氣波導(dǎo)是懸在對(duì)流層空中形成的波導(dǎo)，也叫大氣懸空波 導(dǎo)。
[0007] 懸空波導(dǎo)主要形成機(jī)理分為兩種：一種是大氣垂直運(yùn)動(dòng)如高壓區(qū)的上空下沉氣流 補(bǔ)償作用。由于大氣動(dòng)力強(qiáng)迫下沉過程中，在某個(gè)高度層動(dòng)力強(qiáng)迫下沉使該氣層絕執(zhí)增溫， 按每下沉100米絕熱增溫rc計(jì)算，動(dòng)力強(qiáng)迫下層打破大氣垂直溫度結(jié)構(gòu)，從而使某一高度 層上出現(xiàn)逆溫層，形成了大氣懸空波導(dǎo)現(xiàn)象。
[0008] 這個(gè)很薄的逆溫層氣溫高于下層空氣氣溫，從而使該氣層空氣密度發(fā)生突變，產(chǎn) 生的與下層大氣形成的過渡面。當(dāng)水平發(fā)射電磁波以一定的小角度入射到這個(gè)過渡帶時(shí)就 會(huì)產(chǎn)生反射至地面現(xiàn)象形成懸空波導(dǎo)效應(yīng)。這種懸空波導(dǎo)高度，我們通過多年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從 幾百米到3000米不等都出現(xiàn)過，但在1000米至2500米居多。這要根據(jù)天氣形勢(shì)來決定。 這種懸空波導(dǎo)有時(shí)很強(qiáng)，也很穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間也很長(zhǎng)，有時(shí)能連續(xù)存在兒天。而電磁波回波 信號(hào)也很穩(wěn)定，無閃爍，顫動(dòng)現(xiàn)象。這種被導(dǎo)在陸地上可使雷達(dá)探測(cè)到山后面移動(dòng)的目標(biāo)， 真正實(shí)現(xiàn)了超視距能力。
[0009] 而另一種機(jī)理是有云的條件下，由于水汽凝結(jié)會(huì)產(chǎn)生熱量，加熱云層溫度，使云層 面度變小，托住云層中所含有水的重量。當(dāng)云層水滴足夠多時(shí)，氣層單位空間含水重量加 大時(shí)，云層的水汽凝結(jié)就會(huì)加大，云層溫度會(huì)升高，從而使云層空氣密度減少達(dá)到與云層含 水重量平衡。這時(shí)云層空氣密度小于下方空氣密度，形成了標(biāo)準(zhǔn)空氣密度過渡面，從而對(duì)一 定角度如沙的電磁波有很好的反射作用。所以該層溫度高于云層下方的空氣氣溫形成逆溫 層，形成了大氣懸空波導(dǎo)現(xiàn)象。判斷云層能否形成波導(dǎo)，主要取決于云層含水量，云層含水 量達(dá)到一定程度就會(huì)產(chǎn)生波導(dǎo)效應(yīng)。所以在有降水天氣過程中，常出現(xiàn)雷達(dá)超視距現(xiàn)象，就 是這個(gè)道理。在熱帶和低煒地區(qū)，由于對(duì)流云出現(xiàn)概率大，因此在形成對(duì)流云底即對(duì)流凝結(jié) 高度處，易形成云波導(dǎo)，波導(dǎo)高度就是云底高度。
[0010] 這兩種機(jī)理形成的大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，研究較少，更沒有相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品和計(jì)算方法。這 兩種波導(dǎo)至今都應(yīng)用探空氣球加密數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)出有否波導(dǎo)及波導(dǎo)高度。
[0011] 由于在海上實(shí)施探空氣球難度較大，更不利于保密。所以急需一種簡(jiǎn)便易行的方 法來監(jiān)測(cè)懸空波導(dǎo)是否出現(xiàn)以及出現(xiàn)后可能對(duì)雷達(dá)最大超視距探測(cè)距離范圍給予預(yù)報(bào)。
[0012] 1983年美國(guó)太平洋導(dǎo)彈試驗(yàn)中心的Helvey和Rosenthal提出了一個(gè)天氣折射關(guān) 系模式預(yù)報(bào)大氣波導(dǎo)，如下圖5所示：
[0013] 該模式只適用于開闊的北太平洋海域，對(duì)于我國(guó)近海的懸空波導(dǎo)預(yù)報(bào)還需進(jìn)一步 研究。
[0014] 現(xiàn)有的關(guān)于大氣懸空波導(dǎo)現(xiàn)僅有檢測(cè)手段方法是利用氣象探空氣球或利用小火 箭，把設(shè)備帶入空中，逐層測(cè)得溫度隨高度變化曲線，當(dāng)有逆溫層出現(xiàn)時(shí)，即定義為懸空波 導(dǎo)存在，并且所在高度為懸空波導(dǎo)高度層。這種方法直接而準(zhǔn)確，也是驗(yàn)證有否大氣懸空波 導(dǎo)存在的主要手段。
[0015] 但該方法存在明顯應(yīng)用不方便之處：
[0016] A.氣象探空氣球或小火箭不能實(shí)時(shí)探測(cè)，受條件制約，特別是船用氣象探空氣球 施放難度很大，由于有制氫氣過程，安全沒有保障。而美國(guó)海軍發(fā)展的小火箭技術(shù)，造價(jià)不 菲，使用費(fèi)用較高，不利于我國(guó)實(shí)際使用。
[0017] B.由于大氣是運(yùn)動(dòng)變化的，要想實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、全過程保障，任何手段都難以做到。為 了解決應(yīng)用，本發(fā)明利用傳播氣象儀實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)測(cè)的海面氣壓臨界值方法，從而為雷達(dá) 等電子設(shè)備提供了該環(huán)境有否超視距能力，以及可能超視距最大探測(cè)范圍環(huán)境支持手段。
[0018] C.本方法也可利用氣象傳真圖和天氣預(yù)報(bào)手段來判斷和預(yù)報(bào)未來該海域是否存 在大氣懸空波導(dǎo)存在，以及出現(xiàn)概率等。
[0019] D.本方法所預(yù)報(bào)的懸空波導(dǎo)出現(xiàn)準(zhǔn)確度一般都能達(dá)到80%以上。
[0020] 我們通過全球幾十年的探空數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)懸空波導(dǎo)時(shí)，對(duì)應(yīng)底面（或海面）氣 壓值都偏高，并高過某一臨界值，而該臨界值是隨季節(jié)和地理位置不同而不同。因此我們建 立了區(qū)域臨界值特征數(shù)據(jù)庫，當(dāng)?shù)酌妫ɑ蚝Ｃ妫鈮篜 時(shí)上空一定有逆溫層出現(xiàn)，從 而形成懸空波導(dǎo)效應(yīng)。對(duì)于不同海區(qū)逆溫層高度也是不同的，但對(duì)某個(gè)海區(qū)該高度在一定 范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明針對(duì)以上問題，提出的一種懸空波導(dǎo)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具有：
[0022] 區(qū)域臨界值特征數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)海區(qū)的歷史氣象數(shù)據(jù)；歷史氣象數(shù)據(jù)至少包括：歷 年各月份出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的天數(shù)、月內(nèi)出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的高度區(qū)間、出現(xiàn)懸空波導(dǎo)時(shí)，地面氣壓 臨界值以及該月份出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的概率；
[0023] 檢測(cè)單元，檢測(cè)當(dāng)前海區(qū)海面的實(shí)際氣壓P以及
[0024] 計(jì)算單元；
[0025] 工作時(shí)，計(jì)算單元調(diào)取所述區(qū)域臨界特征數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的當(dāng)前海區(qū)往年相同月份 的歷史氣象數(shù)據(jù)，得出所述往年相同月份出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的月臨界氣壓Pfl 所述的月臨 界氣壓為當(dāng)月出現(xiàn)懸空波導(dǎo)時(shí)的最低氣壓值；
[0026] 比較當(dāng)前海區(qū)的實(shí)際氣壓P和所述的月臨界氣壓;
[0027] 若實(shí)際氣壓P多月臨界氣壓，則判定當(dāng)前海區(qū)內(nèi)可能存在懸空波導(dǎo)，當(dāng)前 海區(qū)懸空波導(dǎo)出現(xiàn)概率為所述區(qū)域臨界值特征數(shù)據(jù)庫記載的往年該月份出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的 概率，懸空波導(dǎo)的高度區(qū)間為所述的特征數(shù)據(jù)庫記載的該月份出現(xiàn)懸空波導(dǎo)的高度區(qū)間。
[0028] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，還具有風(fēng)壓監(jiān)測(cè)單元，該單元獲取當(dāng)前海面風(fēng)速，得出當(dāng)前 的風(fēng)壓值；
[0029] 所述的計(jì)算單元判定是否滿足如下條件，若滿足如下條件之一，則判定存在懸空 波導(dǎo)；
[0030] a.實(shí)際氣壓P彡月臨界氣壓
[0031] b. Pm = 5 - IOmbar ；
[0032] c.風(fēng)速大于 8m/s。
[0033] 作為優(yōu)選的實(shí)施方式，還具有變壓監(jiān)測(cè)單元，獲取12小時(shí)內(nèi)的變壓；
[0034] 所述的計(jì)算單元判定是否滿足如下條件，若滿足如下條件之一，則判定存在懸空 波導(dǎo)；
[0035] a.實(shí)際氣壓P彡月臨界氣壓
[0036] b.