北極地區海霧數值模擬及其電波衰減研究

張玉生 郭相明 郝曉靜 趙強 張蕊

(電波環境特性及?；夹g重點實驗室, 中國電波傳播研究所, 山東 青島 266107)

0 引言

海霧是海上一種常見的天氣現象, 由于海霧降低了海上能見度, 會使航行的船只迷失方向或造成擱淺、碰撞等重大事故, 因此即使是在現代先進航海技術條件下, 在海霧中航行仍要百倍警惕[1]。海霧內濕度大, 在海霧頂以上區域濕度隨高度迅速減小, 并且在海霧頂部易形成逆溫結構,易形成大氣波導結構, 易引發超短波、微波頻段大氣波導超視距傳播或者盲區現象[2-4]; 海霧內液滴對于30 GHz 以上的毫米波頻段以及紅外等波段的傳播會產生嚴重的衰減效應。

國內外對海霧進行了不少觀測、機理、特征和預報研究, 例如彭邦安[5]對南極麥克韋爾灣的海霧分析, 楊清華等[6]對南極長城站海霧的特征分析等。對海霧的預報方法主要有天氣學方法、統計方法和數值預報方法, 例如許淙等[7]利用南極長城站1985—2006 年的氣象水文觀測資料和美國國家環境預報中心(NCEP)再分析數據, 對南極長城站附近海霧的氣象特征進行了統計分析,基于數據生成了500 hPa 氣象要素場和海平面氣象要素場, 初步建立了長城站夏季海霧預報系統,預報有霧或無霧結果; 林曉能[8]基于馬爾柯夫鏈原理建立了南海海霧的短期預報方法, 并得到了很好的應用; 楊棋等[9]將洋山海域不同范圍的氣溫、相對濕度、氣溫與海溫之差、風向、風速等因子進行組合, 建立了統計預報方程, 實現了海霧客觀預報方法。數值預報方法也先后經歷了一維數值、二維數值和三維數值等階段, 隨著各種尺度大氣數值模式的發展, 海霧的數值模擬精度也隨之提高[10-11]。

北美洲、歐洲北部和亞洲北部國家之間交通往來直線距離最短的路徑需穿越北極地區, 因此北極地區戰略位置重要。北極地區是全球氣候變化的敏感地區, 氣候惡劣, 基本上處于多冰雪、多霧、極寒低溫狀態, 暴風雪多發, 在北極圈內有極晝極夜現象。北極上空臭氧含量最多, 對于擴散到對流層的臭氧不僅能吸收地-氣系統的長波輻射而加熱大氣, 還可以參與大氣光化學反應, 進而改變其他溫室氣體的含量和分布, 影響地-氣系統的輻射平衡。北極處于高緯度地區, 在研究大氣中尺度運動時, 考慮的柯氏力等受力也不一樣。海冰的存在也阻礙了海洋與大氣之間的直接動量和熱量交換, 使其成為氣候系統中除大氣、海洋、陸地之外的又一重要組成部分, 海冰、融池、冰間水道、淺薄積雪等特征增加了北極地表復雜性, 也增加了冰雪下墊面物理參數表述的復雜性, 并且由于極區的下墊面覆蓋大量冰雪, 太陽能量的反照率和吸收率明顯與中低緯度不同。近年來人們持續研究北極地區的海、氣、冰等的能量交換關系, 陳立奇等[12]利用聯合冰站觀測數據, 模擬了北冰洋夏季大氣邊界層結構和下墊面能量平衡的變化特征, 定量得出了北冰洋夏季海/氣和冰/氣之間湍流通量和邊界層參數的差異。

由于北極特殊地理環境和惡劣氣候多變, 目前北極地區氣象觀測和研究投入不足, 只有有限的氣象觀測站, 無法有效獲取更大區域的北極低層大氣精細結構和海霧液滴數據。由于缺乏足夠的數據和機理分析, 很難建立準確描述北極地區實際狀況的氣象方案, 因此北極海霧的生消機理、數值模擬和預報還有待進一步研究。在極區的海霧研究主要集中在特征分析以及基于統計意義上的客觀預報, 預報主要是定性預報, 三維數值模擬主要集中在南海、黃海海域的海霧模擬和預報[13], 北極地區的海霧數值模擬(預報)研究很少。

本文根據全球再分析數據, 基于適合于極區的中尺度大氣數值模式, 模擬了2010 年7 月27日北冰洋的濃霧發展過程, 并基于模擬的海霧液態含水量和大氣參數進行了相應的電波傳播評估,進一步評估了海霧對毫米波和遠紅外波段上的單位距離衰減值。通過北極海霧的數值模擬及其電波傳播特性研究, 研究其發生區域、強度和時空變化, 對航海氣象安全以及遠距離導航、通訊和探測、編隊間的通訊和探測保障都有重大意義。

1 極區中尺度大氣數值模式介紹

數值預報模式是目前研究天氣過程和模擬電波環境的重要方法, 海霧屬于中小尺度對象, 因此預報北極海霧采用中尺度數值模式比較合適。由于中尺度數值模式既考慮了大尺度天氣系統對所預報區域大氣的整體影響, 也考慮了大氣邊界層、積云等小微系統對所預報區域大氣特別是低層大氣的局部影響, 因此, 對于海霧的伴隨逆溫、液水密度等氣象環境參數會有很好的數值模擬和預報[14-16]。

數值預報的歷史很短, 真正意義上的數值預報開始于20 世紀初期, 隨著計算機技術的不斷發展, 后期數值預報的時效性和準確率也不斷提高,先后成功研制了 Mesoscale Model(MM)系列、Advanced Regional Prediction System(ARPS)、Regional Atmospheric Modeling System(RAMS)、Weather Research and Forecasting Model(WRF)等中尺度數值預報模式。隨著資料同化效果的改善以及計算性能的提高, 中尺度數值模擬結果越來越準確, 中尺度數值模擬逐漸成為氣象環境、電波環境模擬和預報技術發展的重要方向[17-19], 它的優勢在于可以獲取相對較高精度的隨時間和空間變化的網格數據。

WRF 模式是基于業務預報和天氣研究需要所發展的新一代中尺度數值天氣預報模式, 該模式是在MM5 基礎上發展起來的。WRF 適用于幾米到數千千米尺度大氣現象的研究, 可應用在參數化模型研究、數據同化研究、業務預報研究、耦合模式應用和教學等領域, 因此也適合于海霧的數值模擬、機理分析和預報[17]。但由于普通型WRF 模式中的各種氣象方案極少考慮到極區這種氣候、地理環境極端的地區, 一般只應用于中低緯度的數值模擬。目前針對極地區域大氣環流的數值模擬已取得很大進展, 如先后研制了Polar MM5、Polar WRF(PWRF)等適合極區大氣數值模擬的模式, 這些模式具有多個可供選擇的物理過程參數化方案, 已經成功應用于南極和格陵蘭島大氣研究, 并為美國南極科學考察提供氣象服務。

在極區大氣數值模式中對參數化方案的改進主要表現為以下幾個方面: 改善冰相微物理過程的顯式方案, 修改云輻射相互作用, 優化湍流參數化, 增加海冰下墊面類型并改變通過雪蓋/冰面熱量輸送過程的處理方法。在利用普通型中尺度大氣數值模式過程中, 研究發現由于模擬過多向下的長波輻射通量而導致冬季南極冰蓋區地面溫度存在偏高的問題, 對于南極[20-21]和美國大陸[22]也存在模擬云量過多的問題, 這是因為原模式中采取的云量、云水路徑分別是相對濕度、溫度的簡單函數處理方法。為了改善模式在極區的適用性, 在Reisner 顯式微物理參數化中, 采用了考慮冰核濃度的Meyers 等[23]方案代替Fletcher[24]的相應處理方法, 并采用云水和冰混合比方法計算云量以改進大氣傳輸的長波和短波輻射, 通過這個改進減小了過大云水路徑, 避免過大的云水路徑在冬季南極冰蓋區導致過多的向下的長波輻射通量而導致的地面溫度偏高。

極地海冰帶是海-氣交界面具有熱力絕緣效應的區域, 在海-氣相互作用方面, 因為海冰的反照率反饋、熱力屏障等一系列作用和影響而區別于其他的無冰區域。因此, 與普通型大氣數值模式中使用的13 類地表分類相比, 極區大氣數值模式中增加了第14 類地表特征, 以刻畫極地的海冰地表特征。在極區大氣數值模式初始化中,根據海水格點處海水表面溫度計算該處海冰分布, 且其分布特征在模式積分過程中不再發生改變。此外, 分別對海冰、開闊水域和陸地點處的通量和地表溫度進行處理, 然后再使其與大氣相互作用[25]。

2 北極海霧數值模擬研究

2010 年7 月27 日我國第四次北極科學考察隊搭乘“雪龍”號極地科學考察船進行海洋綜合調查時, 在72°N、153°W 附近的北冰洋海域遇到了霧鎖北冰洋的景觀。雖然限于條件無法搜集到行駛途中“雪龍”號船載觀測數據的準確能見度數據, 但鑒于從當時新華網隨船記者張建松7 月28 日電報道[26]: “乘坐‘雪龍’號極地科學考察船來到了《幽靈船》的故事發生地北冰洋, 遭遇到影片中那樣的彌天大霧, 周圍景象看上去甚至更為詭異?！?7 日, 考察隊乘坐‘雪龍’號來到北緯72 度18 分、西經152 度34 分的加拿大海盆深水站位, 進行8 個小時的海洋綜合調查……午后時分, 突然飄來一陣濃霧, 霎時間天色變得陰暗昏沉。冒著濃濃海霧, ……無邊的霧氣緊緊籠罩著‘雪龍’號, 似乎已不知身在何處, 路在何方, 那感覺甚是奇妙?！灰? ‘雪龍’號以每小時三四海里的航速, 在冰海濃霧中緩緩前行, 終于順利抵達了北緯72 度42 分、西經153 度29 分的海洋調查站位……”的描述可看出當時“雪龍”號極地科學考察船遇到的是一場嚴重影響航行的濃霧, 當時能見度很小, 已嚴重影響航速。

在北極進行海霧的數值模擬和預報必須考慮和采用符合北極地區的優化湍流參數的邊界層、輻射等氣象方案和極地海冰等特征地表。為了研究北極海霧的特性, 數值模擬和再現這次北極典型海霧, 本文根據該時段全球再分析數據, 采用了考慮諸多極區因素的極區數值模式PWRF, 通過改進 Noah 陸面過程方案、長波輻射方案RRTMG 方案等設置, 以及特征高度、積分步長的優化, 數值模擬(預報)了2010 年7 月27 日“雪龍”號在北冰洋遇見的濃霧液態含水量和其他氣象參數, 并模擬(預報)了其發展過程。此外, 選擇時間段為2014 年12 月29 日世界00 時至30 日世界00 時, 采用基于全球再分析數據的背景數據及相同的模式水平分辨率、各類氣象方案、特征高度、積分步長等參數, 對163°W—100°W, 60°N—88°N 的包含美國阿拉斯加、波弗特海及北冰洋的廣大區域的液態含水量和其他氣象參數進行了模擬, 以側面驗證對“雪龍”號所經霧區的模擬情況。

在兩例大氣數值模式中采用的各類方案如下。

(1)模擬區域: 第 1 例(海霧)為 120°W—180°W, 65°N—90°N; 第 2 例(云)為 100°W—163°W, 60°N—88°N。

(2)模式水平分辨率: 30 km。

(3)垂直分層: 38 η, 分別為1.000、0.999、0.9983、0.998、0.997、0.9965、0.996、0.9955、0.995、0.9945、0.994、0.993、0.9922、0.991、0.989、0.987、0.978、0.960、0.950、0.935、0.924、0.914、0.904、0.880、0.848、0.800、0.747、0.700、0.646、0.545、0.444、0.343、0.242、0.141、0.091、0.061、0.020、0.000。

(4)微物理過程方案: WSM 3 類簡單冰方案。

(5)長波輻射方案: RRTMG 方案。

(6)短波輻射方案: Dudhia 方案。

(7)調用輻散物理方案的時間間隔: 30 min。

(8)近地面層方案: Monin-Obukhov 方案。

(9)陸面過程方案: 改進的 Noah 陸面過程方案。

(10)邊界層方案: YSU 方案。

(11)積云參數化方案采用: 淺對流 Kain-Fritsch 方案。

(12)積云參數化方案調用時間間隔: 5 min。

RRTMG 方案包含覆蓋230 nm～56 μm 的絕大部分16 個波段, 覆蓋輻射波, 重點考慮了水汽、臭氧、溫室氣體、氣溶膠以及云水和云冰等大氣成分的作用, 基于隨機云重疊的Monte Carlo Independent Column Approximation (McICA)方法,可以反映不同高度層上和次網格尺度上的云物理作用。針對北極的海冰和永久性冰川/陸地冰、雪表面等特色地貌地形, 修改了Noah LSM 中海冰和永久性冰川/陸地冰表面的地表能量平衡和熱量傳輸。例如改進海冰和冰川上的地表徑流處理,修改海冰放射率, 將雪的放射率改為0.98, 修改雪的密度, 熱容量和熱傳導率, 增加蒸發融化潛熱, 調整熱容量和擴散率分別適合海冰和陸地冰川, 修改土壤濕度通量等。使改進后的Noah 能處理可變的海冰厚度和海冰積雪厚度, 并且擁有可隨季節變化的海冰反照率, 計算表面交換系數和熱通量時, 在每個格點上對開闊水域和海冰分別進行計算, 然后再根據海冰密集度求權重平均。本文第1 個數值模擬案例從2010 年7 月27 日世界時00 時開始作為模擬(預報)起始時間, 模擬(預報)出間隔1 h 的霧區變化情況, 包含24 個時次數值模擬的153°W 處的海霧液態含水量(由液態含水量混合比表征)分布情況。液態含水量混合比是指一定體積空氣中含有的液態水與干空氣的質量比, 在云中指云液態水混合比, 在霧中則指霧液態水混合比。圖1 為從初始時間7 月27 日00 世界時后分別經過3、12、18、24 h 時刻153°W 處的海霧經向剖面區域分布, 從經向剖面區域分布可以說明海霧的高度和剖面結構分布。已有研究常用液態含水量大于0.1 g·kg-1且高度小于600 m作為判斷海霧的判據[27-28], 并用于中緯度地區例如黃海、渤海的海霧模擬中, 本研究采用了相同的條件對極區海霧進行判定。從每隔幾小時數值模擬圖(圖2)中可看出, 液態含水量較大區域液態水的高度都在200 m 以下并且接觸地海面, 液態含水量大于0.1 g·kg-1, 符合海霧的判據判定為霧區。事實上根據中國第四次北極科學考察資料可以證實為能見度較低的海霧, 如圖1 所示, 無論從強度還是時間變化, 從高度還是水平區域變化, 北極海霧的生消變化都很清楚, 隨著時間從弱到強演變發展, 與“雪龍”船遇到海霧從弱到強的實地景象吻合, 因此基于數值模擬技術獲取北極霧區的特性是可行的。

圖1 數值模擬初始時間2010 年7 月27 日00 世界時后不同時間的153°W 處的海霧經向剖面區域分布Fig.1. Regional distribution of sea fog meridional profile at 153°W at different times after 00 UTC on July 27, 2010, the initial time of numerical simulation

圖2 數值模擬2010 年7 月27 日00 世界時+24 小時海拔3 m 處的海霧區域分布Fig.2. Numerical simulation of regional distribution of sea fog at an altitude of 3 m at 00:00 UTC + 24 hour on July 27, 2010

為了說明本次海霧的水平分布區域, 本文數值模擬給出27 日00 世界時后各時刻的經緯度液態水的水平分布, 這些分布皆為海拔3 m 處的液態含水量分布, 即海拔3 m 處的海霧區域分布(如圖2 為27 日00 世界時+24 小時的液態含水量分布即海霧區域分布圖)。從圖中可以看出這次海霧水平出現區域很廣, 圖中A 站點為數值模擬時段航跡第1 站位(72°18'N、152°34'W), B 站點為第2站位(72°42'N、153°29'W), 圖中顯示這兩個站位均在霧區。從不同時刻的數值模擬看, 此次海霧區域、強度隨時間變化有所變化, 之所以選取海拔高度3 m 處, 是因為霧頂高度一般在幾十米到幾百米高度, 海拔高度3 m 處的液態水水平區域足以能夠代表海霧的覆蓋區域。

本文第2 個數值模擬案例如圖3 所示, 從圖中可看出, 在高空3～4 km 高度處有液態含水量較大的氣團, 離海面高。云和霧的主要區別之一是云離地/海面有一定高度, 和地/海面不相接觸,而霧則接觸地/海面。在該例數值模擬過程中, 在接觸地/海面處未見有液態含水量較大的氣團, 說明該時段在本地的天氣現象是云而非霧現象, 而在第1 個霧區模擬案例中, 液態含水量較大的氣團接觸地/海面, 是明顯霧團, 這些都從側面說明第1 個霧區模擬案例合理可信?；谒侥芤姸扰c平流霧液態含水量經驗公式, 利用模擬的平流霧液態含水量計算出水平能見度很小, 為0.076 km, 此外結合中國第四次北極科學考察資料, 證實了第1個模擬案例所在區域當時發生大霧現象, 能見度較差, 讓“雪龍”號考察船艱難航行, 現場真實場景進一步說明了第1 個霧區模擬案例合理可信。

圖3 2014 年12 月29 日00 世界時+9 小時72°N 處的液態含水量經向剖面區域分布Fig.3. Regional distribution of water content of longitude direction at 72°N at 00:00 UTC + 9 hour on December 29, 2014

3 北極海霧電波衰減研究

海霧對微波、毫米波、紅外等波段電波傳播影響很大, 在微波頻段有可能引發大氣波導超視距現象, 在毫米波、紅外等波段引起嚴重的電波衰減現象。本文根據電磁輻射與介質相互作用原理, 基于獲取的海霧液態含水量和大氣參數進行北極海霧的毫米波、紅外波段電波傳播衰減評估,海霧液滴對傳播的電磁波能量衰減主要是通過瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射等作用造成的。由于霧滴粒徑一般在1～100 μm 之間, 當霧滴的尺度與入射波的波長相當時, 需利用米氏散射理論計算霧滴的消光截面, 這時在衰減過程中霧滴散射起主要作用, 因此主要計算霧滴的散射截面。當霧滴的尺度遠小于入射波的波長時, 可使用瑞利散射近似計算霧滴的散射特性, 要比利用米氏散射理論和其他數值算法簡單方便, 其已在計算較低頻段的降雨和濃霧傳播特性和雷達氣象上得到廣泛應用[29-32]。

毫米波段兩代表頻率(頻段高低端100 GHz 和30 GHz), 對應波長為3～10 mm, 由于霧滴的尺度遠小于其入射波波長, 因此使用瑞利散射近似計算霧滴的散射特性。遠紅外波段兩代表波長的波段高低端分別為0.1 cm 和50 μm, 該波段低端入射波波長與霧滴的尺度相當, 因此使用米氏散射理論計算霧滴的散射特性; 而該波段高端入射波波長遠大于霧滴的尺度, 因此使用瑞利散射近似計算霧滴的散射特性。圖4 為毫米波段兩代表頻率(頻段高低端分別為100 GHz 和30 GHz)在不同海霧液態含水量(此處表征量為液態水密度)下的單位距離衰減值?？梢钥闯? 在30 GHz, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大逐漸增大, 但變化平緩, 均小于2 dB·km-1;在100 GHz, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大迅速增大, 從小于2 dB·km-1增大到大于10 dB·km-1。

圖4 毫米波段兩代表頻率在不同海霧液態含水量下的單位距離衰減值Fig.4. Unit distance attenuation values of two representative frequencies in millimeter wave band under different sea fog water content

圖5 為遠紅外波段兩代表波長(波段高低端分別為0.1 cm 和50 μm)在不同海霧含水量下的單位距離衰減值?？梢钥闯? 在0.1 cm 波長上, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大逐漸增大, 但變化平緩; 在50 μm 波長上, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大而迅速增大, 可達700 dB·km-1; 兩波長的衰減值相差很大。從圖4、圖5 可看出, 在相同液態含水量的情況下, 遠紅外波的單位距離衰減值遠遠大于毫米波, 從2010 年7 月27 日數值模擬的北極海霧案例可知, 海霧區域中液態水含量混合比最大為0.5 g·kg-1左右, 換算成液態水密度為0.6151 g·m-3, 毫米波單位距離衰減值根據毫米波頻率上下限(30～100 GHz)計算大概在0.8～3.5 dB·km-1左右, 遠紅外波段最低端(波長50 μm)單位距離衰減值約為270 dB·km-1, 而其最高端(波長 0.1 cm)單位距離衰減值僅僅在幾dB·km-1, 兩者相差甚大。在傳播距離較長的情況下(如10 km、100 km 等), 單位距離衰減值較大的其總傳播衰減值就特別大, 所以在北極地區的海霧狀態下, 對所使用的電波無線傳輸系統的頻段(波段)方面有很高的要求。

圖5 遠紅外波段兩代表波長在不同海霧液態含水量下的單位距離衰減值Fig.5. Attenuation value per unit distance of two representative wavelengths in far-infrared band under different water content of sea fog

綜上可知, 基于數值模擬技術可以獲取北極海霧的發生區域和變化特性。從數值模擬中可看出通過對液態水含量混合比的強度、高度變化分析及其時間、水平區域變化分析, 均能清楚地展示北極海霧的生消變化, 因此基于數值模擬技術獲取北極霧區的特性是可行的。在此基礎之上, 根據海霧特性可以進一步評估北極海霧對電波的衰減效應。

4 結論

本文針對北極地區的海霧預報可行性和特性研究, 基于考慮諸多極區因素如海冰地表類型的數值模式PWRF, 通過改進Noah 陸面過程方案、長波輻射方案(RRTMG 方案)等設置, 以及特征高度、積分步長的優化, 成功地數值模擬出了北極海霧及其演變發展過程, 和現場情況對比證明采用數值模擬獲取北極地區海霧基本信息并研究其變化機理是可行的。此外根據霧滴尺度和毫米波、遠紅外波段上波段高低端入射波波長的比較,通過米氏散射和瑞利散射理論計算了不同海霧液態含水量下的霧區電波傳播衰減特性, 評估了海霧對毫米波和遠紅外波段上的單位距離衰減值, 對于毫米波段兩代表頻率(頻段高低端分別為100 GHz和30 GHz), 在頻率30 GHz, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大逐漸增大, 但變化平緩, 衰減值均小于2 dB·km-1; 在頻率100 GHz, 單位距離衰減值隨海霧含水量增大迅速增大, 衰減值從小于2 dB·km-1增大到大于10 dB·km-1。對于紅外波段兩代表波長(波段高低端分別為0.1 cm 和50 μm), 在波長0.1 cm, 衰減值隨海霧含水量增大逐漸增大, 但變化平緩; 在波長50 μm, 衰減值隨海霧含水量增大迅速增大, 衰減值可迅速增大到700 dB·km-1, 兩波長的衰減值相差很大。對于相同液態含水量霧區, 遠紅外波的單位距離衰減值遠遠大于毫米波的單位距離衰減值, 毫米波頻段高低端和紅外波段波長最高端0.1 cm 單位距離衰減值都很小, 一般在幾十dB·km-1以下, 而紅外波段波長最低端50 μm 衰減值在幾百dB·km-1,與其他波段相比其單位距離衰減值甚大, 對于較長距離的傳播, 在整個路徑上不同頻段(波段)電波傳播衰減值差別很大, 有的衰減值特別大甚至造成該頻段(波段)電波無線傳輸系統無法使用或中斷, 所以在北極地區的海霧狀態下, 對所使用的電波無線傳輸系統的頻段(波段)方面有很大的要求, 通過數值模擬(預報)北極海霧可以評估其對電波傳播衰減以及無線電信息系統隨時間和空間變化的影響效應。