海上蒸发波导的机理和预测研究

蒸发波导是海上经常发生的一种因水汽蒸发形成的大气特殊结构，电波在该湿度梯度剧减结构内传输会导致超视距传播发生。其发生机理与湍流通量密切相关，湍流通量的变化会引起近海面大气层结变化，进而引起蒸发波导发生和改变。本课题基于湍流通量理论，根据湍流涡动相关法，利用快速涨落探测，直接得到动量、感热等通量，该直接方法达较高探测精度。通过研究动量、感热、水汽通量和其他气象条件对蒸发波导的影响，采用数学统计的方法得到特征量之间的关联特性，采用物理建模的方法模拟关联它们的物理机制，阐明蒸发波导的发生、发展和消亡等机理，以及波导高度剧烈跳变机理，为建立精度较高的蒸发波导预测模型提供数据和理论基础。本课题的研究能够更好揭示湍流通量与蒸发波导内在关系，阐明蒸发波导变化机理，对蒸发波导预测和海上（沿海）电子设备（如气象雷达等）实现超视距探测、通讯有实际指导意义。同时为海上气象数值预测预报的研究和建模提供基础支撑。

蒸发波导是近海面经常出现的大气结构，不仅可以引起雷达等无线电系统的作用距离增大，也可以引起雷达盲区等，因此，蒸发波导历来成为大气波导研究的重点和热点，蒸发波导对于海上运作的雷达、通信、导航等系统超视距效能发挥具有重要意义。本课题获取了气象梯度仪和湍流设备联合实测数据，直接得到动量、感热等这些通量，分析海上湍流通量和蒸发波导的分布特征，研究蒸发波导与湍流通量及其它气象参量的关联性，完成了五种蒸发波导模型误差敏感性分析，同时基于铁塔平台实测水文气象数据计算的蒸发波导高度与不同模型预测的高度进行了比较，给出了不同大气稳定性条件下蒸发波导模型使用建议；进行了蒸发波导的统计；建立了考虑湍流影响的近海面大气折射率剖面模型，建立了大气位温和大气折射率普适函数及其蒸发波导预测改进模型，建立了蒸发波导中二维海杂波的仿真方法，基于海杂波反演蒸发波导，提出了一种基于变天线高度雷达海杂波的蒸发波导反演方法。首次利用湍流效应仿真了蒸发波导超视距信道中接收信号的时域快衰落特性和幅频特性，提出了一种新颖的超视距条件下信道的宽带信号同步测量技术，基于测试数据，统计L、S、C和X频段超视距信道的衰落幅度、深度和速率，对比分析了蒸发波导和对流层散射信道的快衰落特性。针对形成蒸发波导的海-气界面稳定层结、中性层结和不稳定层结3 种情况，利用电波传播数值算法和雷达评估模型仿真分析了蒸发波导内特定区域不同目标函数时的雷达目标检测性能，给出了雷达天线高度优化结果。课题组还进行了其他与大气波导探测、统计、模拟预报有关的研究。课题所得结果对海上蒸发波导的机理、探测、预报和电波传播评估具有一定的指导意义。