基于WRF气象数据模式的区域非均匀大气波导雷达海杂波传播与参数反演

论文摘要

海洋表面上空9-20公里的对流层大气层结是风、雨、雾等天气现象发生的主要区域,该层气象环境变化剧烈,且海陆交界处易受到陆地干暖气流影响,常引起海面上空一定高度内的折射率高度方向上异常变化,形成可陷获电磁波传播的大气波导结构。异常折射率梯度使得电磁波传播轨迹弯向地球表面,从而陷获在大气波导层结内传播,实现对流层地波超视距传播。大气波导效应严重干扰了海洋环境中的雷达探测、无线电通信、电子对抗等系统的性能,研究其对电波传播的影响有助于弥补系统缺陷,降低气象等不可控因素带来的影响。当前大气数值预报模式飞速发展,结合气象数值模拟技术预测、模拟海上大气物理参量,可以实现一定区域内海上大气波导结构的预报。因此,本文对海上对流层波导的折射率参数变化的预测与反演具有重要意义。本文首先研究了大气波导环境中的电磁波传播特性,在此基础上对大气波导环境的水平非均匀性进行建模,使用雷达海杂波对单个方位向的修正折射率剖面进行反演,进而计算了反演得到的剖面参数的不确定性统计估计,使用中尺度数值模式WRF对我国不同海域的蒸发波导高度进行计算。主要工作内容如下:1、使用抛物方程模型计算了电磁波在波导环境中的传播特性和在特定高度下传输损耗随距离的变化、特定距离下传输损耗随高度的变化趋势,分别计算了蒸发波导和表面波导中不同极化的电磁波在不同雷达工作频率下的传播特性。分别使用NRL模型与GIT模型计算了HH极化及VV极化的海面均值散射系数,进而计算了不同工作频率及不同散射系数下的雷达回波功率。2、使用核主分量分析（KPCA）方法替代主分量分析方法（PCA）,更精确的处理修正折射率剖面与雷达回波之间的病态非线性关系。并且使用2014年青岛气象雷达站实测的雷达回波功率对修正折射率剖面进行了反演。3、介绍了蒸发波导四参数模型,使用马尔科夫-蒙特卡洛（MCMC）方法对蒸发波导四参数模型进行采样,计算各个参数的后验概率分布,得到参数反演结果的后验概率密度分布。4、使用中尺度WRF数值模拟我国部分不同海域（东海、黄海及南海）中对大气波导效应影响较大的气象物理参量,并且在此基础上使用P-J单参数模型对不同海域的蒸发波导进行计算,得到区域非均匀性的蒸发波导高度,同时计算了东海、黄海及南海的区域修正折射率分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外发展现状
•     1.2.1 海洋大气环境参数测量及海洋环境参数数据库
•     1.2.2 对流层波导环境中的抛物方程研究概况
•     1.2.3 对流层波导雷达回波反演问题研究概况
•   1.3 论文结构与内容安排
• 第二章 海上非均匀对流层波导特性及抛物方程模型
•   2.1 对流层大气中的折射率特性概述
•   2.2 对流层波导形成的气象条件及不同类型波导剖面参数化建模
•     2.2.1 对流层波导形成的气象条件简介
•     2.2.2 形成对流层波导传播的条件
•     2.2.3 对流层波导的修正折射率剖面参数化模型
•   2.3 对流层海洋大气环境中波导高度的非均匀性建模
•     2.3.1 蒸发波导的水平非均匀剖面建模
•     2.3.2 核主成分分析法（KPCA）对水平不均匀变化特性的特征提取
•   2.4 电波传播抛物方程算法
•     2.4.2 抛物方程模型的离散混合傅里叶变换求解算法
•     2.4.3 非均匀对流层波导中的传播损耗计算
•     2.4.4 不同极化情况及雷达工作频率下的传输损耗对比
•   2.5 中尺度数值模式简介
•     2.5.1 WRF模式的组成与介绍
•     2.5.2 欧洲中尺度数值模式介绍
•   2.6 本章小结
• 第三章 基于WRF模式的不同海域蒸发波导区域非均匀模拟
•   3.1 中尺度WRF模式数值模拟介绍实例及运行方式
•     3.1.1 WRF数值模式中的双层嵌套模式
•     3.1.2 WRF模式配置文件参数简介
•     3.1.3 WRF同化模块简介
•   3.2 蒸发波导高度模拟方法及WRF模式准确性比较
•     3.2.1 海上蒸发波导高度的模拟原理
•     3.2.2 WRF中尺度数值模式实例
•   3.3 不同海域蒸发波导高度模拟
•   3.4 本章小结
• 第四章 大气波导中的雷达回波功率计算及折射率剖面反演
•   4.1 海面上空对流层波导中的雷达海杂波计算
•   4.2 雷达海杂波反演对流层波导剖面
•     4.2.1 对流层波导反演原理
•     4.2.2 雷达海杂波反演大气波导剖面原理
•     4.2.3 模拟退火（SA）算法
•   4.3 水平非均匀反演实例分析
•     4.3.2 气象雷达反射率因子与回波功率之间的关系
•     4.3.3 反演实例分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 大气波导剖面参数的不确定性统计及PE软件介绍
•   5.1 对流层波导参数的贝叶斯概率模型建模
•   5.2 马尔科夫-蒙特卡洛算法
•   5.3 MCMC采样中的空间坐标旋转
•     5.3.1 采样样本的初始值选取
•     5.3.2 各个参数维度之间相关性的消除
•   5.4 对蒸发波导单参数模型级四参数模型的采样
•     5.4.1 对蒸发波导单参数模型的采样
•     5.4.2 表面波导参数不确定性统计估计
•     5.4.3 蒸发波导四参数模型介绍
•     5.4.4 对蒸发波导四参数的采样
•   5.5 PE软件介绍及AREPS结果对比
•     5.5.1 大气波导抛物方程计算软件（PE）框架及应用介绍
•     5.5.2 抛物方程计算程序及AREPS结果对比
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵海峰

导师: 吴振森

关键词: 对流层波导,雷达海杂波,模式,模拟退火,区域非均匀

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,气象学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: TN011;P412.25

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001985

总页数: 110

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