海上蒸发波导PJ模型在我国海区的适应性初步研究

　　1　引言

　　蒸发波导是发生概率最高的海面大气波导,因此对于海上远程微波通信和雷达超视距探测来说,也最具利用潜力.其成因主要是由海面向上几米至几十米空气中的水汽迅速下降,使得折射率指数随着高度增加迅速减小所致.蒸发波导通常用修正折射率高度剖面描述,当修正折射率剖面确定后,蒸发波导的高度即可求出,通过电磁波传播模型和算法可以计算蒸发波导条件下,海平面任意距离点的电磁波传播因子,从而可以通过修正的雷达方程进行雷达最大探测距离的预估.

　　修正折射指数M由下式确定[1,2]:

　　式中R0=6·317×106m为平均地球半径,Z(单位:m)为地表以上的高度,N为大气折射指数,其又可表示为大气温度T(单位:K)、大气压力P(单位hPa)和水汽压e(单位hPa)的函数f(P,T,e),其关系是由下式给出[1]:

　　蒸发波导的修正折射率剖面如图1所示,dM/dz=0处为蒸发波导高度值d

　　从式(2)可以看出,只要能够获得海面上沿高度向的温度、湿度和气压值,就可以得到修正折射率剖面.一般蒸发波导高度不超过40m[3],然而,在海上测量这样一个高度范围内的折射率剖面是非常困难的,一般没有条件搭建能测量0-40m范围内折射率剖面的平台,而且也很难得到不受船体热导效应影响的折射率剖面数据.为了回避测量各个高度上的气象参数值的难题,人们想到利用一个或两个高度上测量的一组气象参数,通过模型推出所有高度上的折射率剖面,由于0-40m的范围内恰好是近地层莫宁-奥布霍夫相似理论适用的范围,对于守恒量在这个范围内都相等,H·Jesk认为位折射率也是守恒量,提出了Jeske模型[4],后经大量实验和R.A.Paulus[5]等人的修正基本被学者们认可并装入美海军IREPS系统,得到很好的应用.目前常用的基于相似理论估测蒸发波导方法还有MODEA以及伪折射率模型,但还在进一步完善中.

　　由于蒸发波导出现概率高,意味着雷达对海面目标的探测距离起伏不定的概率很高,因此,要掌握雷达对海面目标的探测性能,必须解决海上实际使用条件下通过模型或其它手段获得蒸发波导修正折射率剖面的问题.而我国在海上蒸发波导模型的实验验证工作基本上是空白.因此,本文的目的是通过我国部分海区实验获得的蒸发波导高度数据与通过PJ模型计算得到的高度数据进行对比,验证PJ模型在我国部分海区的适应性,并研究其适用条件.

　　2　PJ模型简介

　　PJ模型用的是海面6m高度上的气温、相对湿度、风速和海水表面温度作为输入,它假定海面大气压是常数1000hPa.通过计算海面和6m处的位折射指数Np,饱和水汽压es(hPa)(Kiefer 1941)和6m处水汽压e表达式为[4]: