CN105158823B - 悬空波导监测预报系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬空波导监测预报系统，具有：区域临界值特征数据库，存储海区的历史气象数据；历史气象数据至少包括：历年各月份出现悬空波导的天数、月内出现悬空波导的高度区间、出现悬空波导时，地面气压临界值以及该月份出现悬空波导的概率；检测单元，检测当前海区海面的实际气压P以及计算单元；工作时，计算单元调取所述区域临界特征数据库中存储的当前海往年相同月份的历史气象数据，得出所述往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P月临界值，所述的月临界气压P月临界值为当月出现悬空波导时的最低气压值；比较当前海区的实际气压P和所述的月临界气压P月临界值；若实际气压P≥月临界气压P月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导。

Description

悬空波导监测预报系统和方法

技术领域

本发明涉及一种大气悬空波导监测和预报系统，涉及专利分类号G01测量；测试G01S无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置G01S13/00使用无线电波的反射或再辐射的系统，例如雷达系统；利用波的性质或波长是无关的或未指明的波的反射或再辐射的类似系统G01S13/88专适用于特定应用的雷达或类似系统。

背景技术

正常大气垂直结构从地面到对流层每个高度层气温是按每上升100米降低1℃递减。如果是在饱和水汽条件下，如云中每上升100米降低6℃，这就是正常大气垂直结构，也叫标准大气结构。

如果在大气垂直结构中出现了逆温层，如每上升100米气层温度不但没有递减，相反增温现象出现就是逆温层。

由于地球是一个圆球体结构，而这个逆温层在水平方向上有一定范围，因此在大气层内如海面，水平发射电磁波，由于地球曲率效应迟早会与这个逆温层以一个比较小角度相接触。由于逆混层内气层温度高于下层空气气温，而不同温度气层对电磁议传播速度有直接作用，因此这两个层对同一个电磁波波束而言传播速度是不同的，所以对电磁波传播而言形成了一个介质面，如同光波从空气射向水中一样，当入射光波射线与水面夹角很小时，光波就会被全反射回空气中。

同样当电磁波束与逆温层界面夹角很小的接触时，电磁波就会被反射回海面，从而电磁波就克服丁地球曲率的影响，探测到地球曲率以外目标。形成了超视距探测。再由于海面是平滑介质面，电磁波在海面再次反射，弹回空气中，再次被逆温层破获反M因海面从而形成了波导管超视距传播。这就是太气波导效应。

按高度划分，大气波导可分为贴海表面波导和悬空波导两类。其中沿海面的蒸发波导与表面波导为一类。另一类大气波导是悬在对流层空中形成的波导，也叫大气悬空波导。

悬空波导主要形成机理分为两种：一种是大气垂直运动如高压区的上空下沉气流补偿作用。由于大气动力强迫下沉过程中，在某个高度层动力强迫下沉使该气层绝执增温，按每下沉100米绝热增温1℃计算，动力强迫下层打破大气垂直温度结构，从而使某一高度层上出现逆温层，形成了大气悬空波导现象。

这个很薄的逆温层气温高于下层空气气温，从而使该气层空气密度发生突变，产生的与下层大气形成的过渡面。当水平发射电磁波以一定的小角度入射到这个过渡带时就会产生反射至地面现象形成悬空波导效应。这种悬空波导高度，我们通过多年试验发现从几百米到3000米不等都出现过，但在1000米至2500米居多。这要根据天气形势来决定。这种悬空波导有时很强，也很稳定，持续时间也很长，有时能连续存在儿天。而电磁波回波信号也很稳定，无闪烁，颤动现象。这种被导在陆地上可使雷达探测到山后面移动的目标，真正实现了超视距能力。

而另一种机理是有云的条件下，由于水汽凝结会产生热量，加热云层温度，使云层面度变小，托住云层中所含有水的重量。当云层水滴足够多时，气层单位空间含水重量加大时，云层的水汽凝结就会加大，云层温度会升高，从而使云层空气密度减少达到与云层含水重量平衡。这时云层空气密度小于下方空气密度，形成了标准空气密度过渡面，从而对一定角度如沙的电磁波有很好的反射作用。所以该层温度高于云层下方的空气气温形成逆温层，形成了大气悬空波导现象。判断云层能否形成波导，主要取决于云层含水量，云层含水量达到一定程度就会产生波导效应。所以在有降水天气过程中，常出现雷达超视距现象，就是这个道理。在热带和低纬地区，由于对流云出现概率大，因此在形成对流云底即对流凝结高度处，易形成云波导，波导高度就是云底高度。

这两种机理形成的大气波导现象，研究较少，更没有相关应用产品和计算方法。这两种波导至今都应用探空气球加密数据来监测出有否波导及波导高度。

由于在海上实施探空气球难度较大，更不利于保密。所以急需一种简便易行的方法来监测悬空波导是否出现以及出现后可能对雷达最大超视距探测距离范围给予预报。

1983年美国太平洋导弹试验中心的Helvey和Rosenthal提出了一个天气折射关系模式预报大气波导，如下图5所示：

该模式只适用于开阔的北太平洋海域，对于我国近海的悬空波导预报还需进一步研究。

现有的关于大气悬空波导现仅有检测手段方法是利用气象探空气球或利用小火箭，把设备带入空中，逐层测得温度随高度变化曲线，当有逆温层出现时，即定义为悬空波导存在，并且所在高度为悬空波导高度层。这种方法直接而准确，也是验证有否大气悬空波导存在的主要手段。

但该方法存在明显应用不方便之处：

A.气象探空气球或小火箭不能实时探测，受条件制约，特别是船用气象探空气球施放难度很大，由于有制氢气过程，安全没有保障。而美国海军发展的小火箭技术，造价不菲，使用费用较高，不利于我国实际使用。

B.由于大气是运动变化的，要想实时监测、全过程保障，任何手段都难以做到。为了解决应用，本发明利用传播气象仪实时和历史监测的海面气压临界值方法，从而为雷达等电子设备提供了该环境有否超视距能力，以及可能超视距最大探测范围环境支持手段。

C.本方法也可利用气象传真图和天气预报手段来判断和预报未来该海域是否存在大气悬空波导存在，以及出现概率等。

D.本方法所预报的悬空波导出现准确度一般都能达到80％以上。

我们通过全球几十年的探空数据发现，当出现悬空波导时，对应底面(或海面)气压值都偏高，并高过某一临界值，而该临界值是随季节和地理位置不同而不同。因此我们建立了区域临界值特征数据库，当底面(或海面)气压p≥P_临时上空一定有逆温层出现，从而形成悬空波导效应。对于不同海区逆温层高度也是不同的，但对某个海区该高度在一定范围。

发明内容

本发明针对以上问题，提出的一种悬空波导监测预报系统，具有：

区域临界值特征数据库，存储海区的历史气象数据；历史气象数据至少包括：历年各月份出现悬空波导的天数、月内出现悬空波导的高度区间、出现悬空波导时，地面气压临界值以及该月份出现悬空波导的概率；

检测单元，检测当前海区海面的实际气压P以及

计算单元；

工作时，计算单元调取所述区域临界特征数据库中存储的当前海区往年相同月份的历史气象数据，得出所述往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P_月临界值，所述的月临界气压P_月临界值为当月出现悬空波导时的最低气压值；

比较当前海区的实际气压P和所述的月临界气压P_月临界值；

若实际气压P≥月临界气压P_月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导，当前海区悬空波导出现概率为所述区域临界值特征数据库记载的往年该月份出现悬空波导的概率，悬空波导的高度区间为所述的特征数据库记载的该月份出现悬空波导的高度区间。

作为优选的实施方式，还具有风压监测单元，该单元获取当前海面风速，得出当前的风压值；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值-△P_风；

b.P_风＝5—10mbar；

c.风速大于8m/s。

作为优选的实施方式，还具有变压监测单元，获取12小时内的变压；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_变压；

b.△P_变压＞8mbar，其中p为海面大气气压，t＝12h；

c.风速大于8m/s。

作为优选的实施方式，还具有获取当前海面风速的风压监测单元和获取12小时内变压的变压监测单元；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_风—△P_变压；

b.风速大于8m/s；

c.△P_风＝5mbar—10mbar；

d.△P_变压＞8mbar，其中p为海面大气气压，t＝12h。

更进一步的，作为优选的实施方式，系统还具有云层观测单元，该云层观测单元获取当前位置天空的图像，分析当前云层的颜色，当云层的颜色深度超过阈值时，向所述的计算单元发送信息；计算单元根据气象雷达获取到的当前云层高度，判定当前云波导的高度。

一种悬空波导监测预报方法，包括如下步骤：

—采集特定海区的气象历史数据，历史数据至少包含：各海区历年各月份出现悬空波导的天数、月内出现悬空波导的高度区间、出现悬空波导时，地面气压的临界值以及该月份出现悬空波导的概率；

—采集当前海区海面的实际气压P；

—通过读取当前海域历史数据，得出该海区往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P_月临界值；

—比较当前实际气压P和月临界气压P_月临界值；

—若实际气压P≥月临界气压P_月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导，当前海区悬空波导出现概率为所述区域临界值特征数据库记载的往年该月份出现悬空波导的概率，悬空波导的高度区间为所述的特征数据库记载的该月份出现悬空波导的高度区间。

作为优选的实施方式，当海面有风存在时，获取当前海面风速，得出当前的风压值；

根据如下条件判定是否存在悬空波导，若满足下列条件之一，则判定当前海域存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值-△P_风；

b.P_风＝5—10mbar；

c.风速大于8m/s。

作为优选的实施方式，获取12小时内的变压；

判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_变压；

b.△P_变压＞8mbar，其中p为海面大气气压，t＝12h；

c.风速大于8m/s。

作为优选的实施方式，获取当前海面风速的风压监测单元和获取12小时内变压；

判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_风—△P_变压；

b.风速大于8m/s；

c.△P_风＝5mbar—10mbar；

d.△P_变压＞8mbar，其中p为海面大气气压，t＝12h。

更进一步的，还包括步骤：观测云层，获取当前位置天空的图像，分析当前云层的颜色，当云层的颜色深度超过阈值时，根据气象雷达获取到的当前云层高度，判定当前云波导的高度。

由于采用了上述技术方案，本发明公开的一种大气悬空波导监测预报系统和方法，通过获取目标海区的历史数据，建立区域临界值特征数据库，通过比对实时气象数据与临界值特征数据库的数据，得出当前海区是否存在悬空波导的概率。具有预报准确率高，准确率超过80％，相比现有发射探空气球和探空火箭的探测方式，成本低廉，而且不需要船舶搭载额外的气象设备，十分适于在现有船舶中推广使用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1悬空波导高度取1200米时，雷达电磁波在悬空波导条件下的传播损耗示意图；

图2为为本发明实施例1悬空波导高度取1200米时，雷达电磁波在悬空波导条件下的探测概率分布示意图；

图3为本发明实施例1悬空波导高度取500米时，雷达电磁波在悬空波导条件下的传播损耗示意图；

图4为为本发明实施例1悬空波导高度取1500米时，雷达电磁波在悬空波导条件下的探测概率分布示意图；

图5为背景技术中天气折射关系模式预报大气波导模式图；

图6为本发明的系统模块图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-6所示：一种悬空波导监测预报系统，该系统可以依托具体的硬件设备实现，也可由计算机或单片机等进行虚拟实现，此时，本质与方法一致。系统主要包括：

区域临界值特征数据库，该数据库主要用于存储海区的历史气象数据，以便于与实时采集的气象数据进行比对。

所述的历史气象数据至少包括：

一、目标海区的历年每个月份中出现悬空波导的天数统计数据。

二、月内出现悬空波导时，悬空波导存在的高度区间。

三、出现悬空波导时，该海区地面气压的临界值以及该月份出现悬空波导的概率。该概率为该月份出现悬空波导的天数与月总天数的比值。

还包括检测单元和计算单元，检测单元主要用于检测当前海区海面的实际气压P。在实际情况下可使用船舶现有的气象设备。

系统工作时，计算单元调取所述区域临界特征数据库中存储的当前海区往年相同月份的历史气象数据。

通过对历史气象数据的统计，得出所述往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P_月临界值(所述的月临界气压P_月临界值为当月出现悬空波导时的最低气压值)。

同时，获取检测单元传输的实际气压P，比较当前海区的实际气压P和所述的月临界气压P_月临界值。

若实际气压P≥月临界气压P_月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导，当前海区悬空波导出现概率为所述区域临界值特征数据库记载的往年该月份出现悬空波导的概率，悬空波导的高度区间为所述的特征数据库记载的该月份出现悬空波导的高度区间。

更进一步的，考虑到当悬空波导出现时，通常都伴随有由下沉气流产生的海面风，为了更好的表征悬空波导，增加计算精度，作为优选的实施方式，系统还包括：风压监测单元，该单元获取当前海面风速，得出当前的风压值；所述的计算单元判定是否满足如下条件，若同时满足如下条件，则判定存在悬空波导。

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值P_风mbar；b.P_风＝5mbar；c.风速大于8m/s。

为了进一步的保证计算精度，还设有变压监测单元，获取12小时内的变压；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若同时满足如下条件，则判定存在悬空波导。

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值P_变压；b.P_变压＝8mbar；c.风速大于8m/s时存在悬空波导。

更进一步的，当海面同时存在风压和变压时，为了保证计算精度，作为优选的实施方式，获取当前海面风速的风压监测单元和获取12小时内变压的变压监测单元；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若同时满足如下条件，则判定存在悬空波导。

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值P_变压；b.风速大于8m/s；c.P_风＝5mbar；d.12小时变压＝8个mbar。

更进一步的，当海区天空出现云层时，可认为云层为稳定的悬空波导层，故此时，只需计算云层厚度即可。

作为优选的实施方式，系统还具有云层观测单元，该云层观测单元获取当前位置天空的图像，分析当前云层的颜色，当云层的颜色深度超过阈值时，向所述的计算单元发送信息；计算单元根据气象雷达获取到的当前云层高度，判定当前云波导的高度。

实施例1，以白翎岛海域为例。下表显示了白翎岛海域的历史气象数据，该数据即存在所述的区域临界特征数据库，数据主要包括：历年中每个月出现悬空波导时的地面气压临界值、出现的悬空波导的高度范围以及每个月出现悬空波导的概率。

其中，地面气压临界值单位mbar(毫巴)、波导高度单位为m(米)、出现概率为百分比。

白翎岛在2014年1月06时，通过数据库的历史数据，统计得到P_月临界值＝1015mbar，测得实时海面风速为10m/s，测得的实时附近海域海面实际气压P＝998mbar≥P_月临界值—△P_风＝1015mbar—20mbar＝995mbar，存在悬空波导现象，波导高度在1200～500之间。(实际经过探空气球检测，实际悬空波导高度为885米)

此时，计算取波导高度为1200米。对于实施例采用的导航雷达RM1290，利用抛物线方程模式PEM即可计算出电磁波分布和最大探测距离，波导高度取1200米时，计算出电磁波分布和最大探测距离为200km。取波导高度为500米时，导航雷达RM1290的探测距离为160km。(具体计算过程可参见《海洋声光电波导效应及应用》电子工业出版社，第九章第四小节。)

Claims (10)

1.一种悬空波导监测预报系统，其特征在于具有：

区域临界值特征数据库，存储海区的历史气象数据；历史气象数据至少包括：历年各月份出现悬空波导的天数、月内出现悬空波导的高度区间、出现悬空波导时，地面气压临界值以及该月份出现悬空波导的概率；

检测单元，检测当前海区海面的实际气压P以及

计算单元；

工作时，计算单元调取所述区域临界值特征数据库中存储的当前海区往年相同月份的历史气象数据，得出所述往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P_月临界值，所述的月临界气压P_月临界值为当月出现悬空波导时的最低气压值；

比较当前海区的实际气压P和所述的月临界气压P_月临界值；

若实际气压P≥月临界气压P_月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导，当前海区悬空波导出现概率为所述区域临界值特征数据库记载的往年该月份出现悬空波导的概率，悬空波导的高度区间为所述的特征数据库记载的该月份出现悬空波导的高度区间。

2.根据权利要求1所述的一种悬空波导监测预报系统，其特征在于还具有风压监测单元，该单元获取当前海面风速，得出当前的风压值；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值-△P_风；

b.P_风＝5—10mbar；

c.风速大于8m/s。

3.根据权利要求1所述的一种悬空波导监测预报系统，其特征在于还具有变压监测单元，获取12小时内的变压；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_变压；

b.△P_变压＞8mbar，其中p为海面大气气压，t＝12h；

c.风速大于8m/s。

4.根据权利要求1所述的一种悬空波导监测预报系统，其特征还在于具有获取当前海面风速的风压监测单元和获取12小时内变压的变压监测单元；

所述的计算单元判定是否满足如下条件，若满足如下条件之一，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_风—△P_变压；

b.风速大于8m/s；

c.△P_风＝5mbar—10mbar；

d.△P_变压＞8mbar，其中△P_变压为p为海面大气气压，t＝12h。

5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的悬空波导监测预报系统，其特征还在于具有云层观测单元，该云层观测单元获取当前位置天空的图像，分析当前云层的颜色，当云层的颜色深度超过阈值时，向所述的计算单元发送信息；计算单元根据气象雷达获取到的当前云层高度，判定当前云波导的高度。

6.一种悬空波导监测预报方法，其特征在于具有如下步骤：

—采集特定海区的气象历史数据，历史数据至少包含：各海区历年各月份出现悬空波导的天数、月内出现悬空波导的高度区间、出现悬空波导时，地面气压的临界值以及该月份出现悬空波导的概率；

—采集当前海区海面的实际气压P；

—通过读取当前海域历史数据，得出该海区往年相同月份出现悬空波导的月临界气压P_月临界值；

—比较当前实际气压P和月临界气压P_月临界值；

—若实际气压P≥月临界气压P_月临界值，则判定当前海区内可能存在悬空波导，当前海区悬空波导出现概率为所述特定海区的气象历史数据记载的往年该月份出现悬空波导的概率，悬空波导的高度区间为所述的特征数据库记载的该月份出现悬空波导的高度区间。

7.根据权利要求6所述的一种悬空波导监测预报方法，当海面有风存在时，获取当前海面风速，得出当前的风压值；

根据如下条件判定是否存在悬空波导，若满足下列条件之一，则判定当前海域存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值-△P_风；

b.P_风＝5—10mbar；

c.风速大于8m/s。

8.根据权利要求6所述的一种悬空波导监测预报方法，其特征在于还在于获取12小时内的变压；

判定是否满足如下条件，若同时满足如下条件，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_变压；

b.△P_变压＞8mbar，其中△P_变压为p为海面大气气压，t＝12h；

c.风速大于8m/s。

9.根据权利要求6所述的一种悬空波导监测预报方法，其特征还在于具有获取当前海面风速的风压监测单元和获取12小时内变压；

判定是否满足如下条件，若同时满足如下条件，则判定存在悬空波导；

a.实际气压P≥月临界气压P_月临界值—△P_风—△P_变压；

b.风速大于8m/s；

c.△P_风＝5mbar—10mbar；

d.△P_变压＞8mbar，其中△P_变压为p为海面大气气压，t＝12h。

10.根据权利要求6-9任意一项权利要求所述的悬空波导监测预报方法，其特征还在于具有步骤：

观测云层，获取当前位置天空的图像，分析当前云层的颜色，当云层的颜色深度超过阈值时，根据气象雷达获取到的当前云层高度，判定当前云波导的高度。