春季黄海海雾中的激光衰减特性研究

陈凯诺，邵利民，艾　阳，戴仁威，吴克亮

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连116018；2.东海舰队水文气象中心参谋部37分队，浙江 宁波315122；3.海军舟山水警区司令部气象台，浙江 舟山 316000）

春季黄海海雾中的激光衰减特性研究

陈凯诺1，邵利民1，艾阳2，戴仁威3，吴克亮3

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连116018；2.东海舰队水文气象中心参谋部37分队，浙江 宁波315122；3.海军舟山水警区司令部气象台，浙江 舟山 316000）

海雾严重影响舰艇航行，而且在雾中舰载激光武器和激光雷达的工作效能受到制约。因此，研究激光在雾中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。基于WRF中尺度气象研究模式，对2015年3月28日-4月1日的海雾过程进行模拟分析，发现使得海雾维持的是黄海南部输送来的暖湿气流，随后一个很强的冷高压使得风向转北，干冷平流切断了水汽输送，破坏了逆温层结构，海雾消散。考虑到春季黄海海雾产生和消散的天气形势，在海雾刚产生时，下风区的激光衰减系数小；海雾维持过程中，海雾雾区的外围衰减系数小；海雾快要消散时上风区衰减系数小。研究发现，海雾可以使得10.6 μm红外激光的探测距离大大减小，在浓雾情况下，探测距离仅为正常情况下的2%。

黄海海雾；云水混合比；数值模拟；激光衰减系数；探测距离

海雾是悬浮在海洋大气边界层中的大量水滴使得海上大气水平能见度小于1 km的一种天气现象［1］。黄海海域是我国沿海海雾频发的海域之一。海雾往往能造成能见度急剧降低，给海上交通带来不便，一些海上交通事故譬如两船相撞、触礁等多半源于海雾，而海雾对于军事行动也有重要影响，严重影响舰艇的航线，而且舰载激光武器和激光雷达的工作效能也受到天气现象（如雨、雪、海雾、大风等）的制约，因此，研究激光在雾中的衰减特性对军事行动具有重要的科学意义。

激光是由激光器所发射的光，是处于激发状态的原子（或离子、分子）受激辐射产生的，它可以是可见光，也可以是红外或紫外光。但与普通光相比，具有相干性好、方向性强、亮度高和单色性好等特点。因此，在军事侦察领域，激光具有广泛的应用价值。

王海先等［2］采用激光测距仪对实际目标测距的方法进行检验，通过实际测距，证明用经验公式计算的测距能力与真实测距能力接近。而透过率法由于需要确定的气象参数较多，计算较为复杂，因此，建议在近红外波段，采用经验公式法确定大气衰减系数。孙超等［3］基于gamma雾滴分布模型以及辐射雾和平流雾粒径分布与能见度的经验关系不同波长激光在两种雾中传输时，波长较长激光的衰减率都比波长较短激光的衰减率低；10.6 μm激光在平流雾中衰减率大于在辐射雾中的衰减率；对不同波长激光在两种雾中传输透射率比较发现，波长较短激光在平流雾中的透射性能较好，波长较长激光在辐射雾中的透射性能较好。魏海亮等［4］通过与其他经验模型的比较分析，说明了Mie衰减模型更可靠、有效，并仿真了衰减系数随波长、能见度及温度的变化，通过分析发现，衰减系数随着波长变大而振荡变化；能见度对衰减系数的影响最大，二者成反比关系；相对波长、能见度，温度对衰减特性的影响相对较小。

王亚民等［5］根据辐射雾和平流雾中含水量和能见度的经验关系，分析了雾天气对激光大气传输衰减的计算公式，并对3种常用的雾衰减经验模型进行Matlab数值仿真，得出了激光衰减系数和雾中能见度的关系并且通过Mie散射理论提出了一种包含测量距离、接收器视场角等信息的新的经验公式。

然而，之前的研究都是脱离天气形势对激光衰减特性进行分析，往往一些典型的天气形势才会带来温度、相对湿度、风场、云水混合比等物理量的变化。由于WRF模式支持更高的网格分辨率（1～10 km），采用比其他模式更好的地形数据，并且在更长的时间步长下也能保证计算的稳定性，所以，本文先基于WRF中尺度气象研究模式对2015年3月28日-31日持续4天的春季平流雾海雾过程进行模拟分析，并分析10.6 μm远红外波段的激光在春季平流雾中的衰减特性。（注：本文所说时间均为北京时）

该次黄海海雾过程与其他黄海春季海雾过程基本类似，均为“东高西低”的地面天气系统（图略），雾区范围大，持续时间很长，使得海雾维持的也是南方或东南方输送来的暖湿气流，随后一个很强的冷高压使得风向转北，干冷平流切断了水汽输送，破坏了逆温层结构，海雾消散。

1　数值模拟结果分析与检验

1.1WRF模式主要参数设置

本文选用的资料有：美国国家环境预报中心（NCEP）提供的1°×1°FNL客观再分析资料，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的日平均SST数据和站点能见度数据，日本高知大学红外气象卫星云图。

网格设置为子母网格比率为3，在水平方向上：粗网格的分辨率30 km，细网格的分辨率10 km，垂直方向分为44层，采用η坐标系，中心位置为38.63°N、122.90°E。微物理过程方案采用WSM3类简单冰方案，辐射方案采用rrtm长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案。近地面层方案采用Monin-Obukhov方案，陆面过程方案采用热量扩散方案，边界层方案采用YSU方案，积云参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch（new Eta）方案，初始边界条件使用的是2015年3月28日00时-31日24时FNL客观再分析资料，积分时长为96 h。

与此同时，在选用扰动边界层和陆面物理过程时（sf_sfclay_physics=1）考虑了地面热量和水汽通量，辐射光学厚度中考虑了云的影响（仅当ra_sw_physics=1和ra_lw_physics=1时有效）。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的日平均SST数据作为海表温度下垫面数据。

浅对流Kain-Fritsch（new Eta）方案利用了一个简单的云模式伴随水汽的上升和下沉，同时包括了卷入和卷出，以及相对粗糙的微物理过程的作用；YSU是MRF边界层方案的第二代。对于MRF增加了处理边界层顶部夹卷层的方法。因此选择以上的参数化方案。

1.2雾区结果检验

将日本高知大学的实时红外云图和模拟出来的雾区进行对比，如图1（a）和图1（b），发现两张图的雾区基本吻合，可见本次模拟较好地再现了此次海雾的时空分布和强度特征。

图1　实时红外云图与模似雾区图对比

1.3能见度模拟计算结果

Koschmieder从能见度的角度定义了可见光消光系数β（km-1），表达式为：

式中：Vis为水平能见度（m）；C为阈值亮度对比度，取值0.02。于是得到：

式中：β为云消光系数，β=144.7Ccw0.88；CCW表示含有云水的空气密度（单位g/cm3）。

根据式（1）～式（3）计算得到的值和测站能见度资料几乎相同，可见本文选取的参数化方案是极其恰当的。

2　激光在平流雾中衰减系数的计算

式中：nr和ni分别为复折射率的实部和虚部，其中颗粒尺寸参数；r为粒子半径；λ为激光波长。对于波长λ=10.6 μm，对应的水负折射率：m=1.178-i×0.071。雾滴半径一般在1～13 μm，颗粒尺寸参数＞1，上述公式完全适用。

同时由于雾滴尺寸通常用微米（μm）表示，得到雾滴粒子半径以微米表示的雾滴尺寸分布（单位为m-3μm-1）:

平流雾：

由于在低能见度条件下，雾对激光的散射就不是单纯的单次散射，而是要考虑多次散射效应，所以应用前向散射修正后的衰减公式，这个公式考虑了视场角θ的信息。

Deepak［7］等人对多次散射和前向散射的问题做研究，证明在多次散射影响下，光束的前向几度范围内存在一个比较大的峰值，这种前向峰值效应使得光衰减大大降低。Adarsh Deepak和O H Vanghan［8］提出一个前向散射修正系数R的近似公式：

式中：α为尺度参数；θ为散射角；J0（αθ）和J1（αθ）分别为零阶和一阶贝赛尔函数。

修正后的衰减效率因子：

因此修正后的衰减计算公式（单位dB/km）:

式中：r1和r2分别为1 μm和13 μm。

3　10.6 μm激光在春季平流雾中衰减特性研究

大气对激光的散射和吸收效应引起激光的衰减。激光在大气介质中传输时的衰减取决于大气的消光系数。雾是由水滴组成的，对激光除有散射作用外，吸收作用也不可忽视，而且雾滴对激光的衰减远远大于分子对激光的吸收和散射。1969年，激光测距技术被应用到军事上，测量范围从几百米到几十千米，相应的精度要求从几十厘米到几十米。文中分析的10.6 μm波长的激光目前作为军用脉冲激光测距仪即CO2脉冲激光器的工作波长。脉冲式激光测距仪由3个基本部分组成，即激光发射装置、接收装置和信息处理装置。激光发射装置的任务是发射峰值功率高、光束发散角小的激光脉冲，使其经发射光学系统进一步准直后，射向被测目标。接收装置是接收从被测目标反射回来的微弱脉冲信号，经接收光学系统聚焦或缩小光束截面后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号变为电信号。信息处理装置是测量脉冲从测距仪到被测目标往返一次的时间，并显示出准确的距离。

3.1黄海春季平流雾中衰减系数分布

图2　模拟得到的衰减系数分布图（单位：dB/Km）

3月28日14时的时候（图2a），激光被衰减的区域呈一个条形，跟雾区对应，雾区边缘衰减系数为5 dB/km左右，雾区中心的衰减系数可达到55 dB/km；28日22时 （图2b）黄海北部能见度减小到250 m，对应的衰减系数高达1 200 dB/km，地面对应大雾，而且结合风场来看，多为西南风，海雾发展的时候上风区由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比较大，所以衰减系数在雾区里自西南向东北方向递减，陆地上即使有雾，衰减系数也为200 dB/km以下，31日01时（图2c），风向转为东南风，有的地面能见度接近100 m，衰减系数高达1 300 dB/km以上 ，而且衰减系数自东南向西北方向递减，4月1日04时（图2d）在冷空气南下的作用下黄海北部沿岸以及海上的能见度均大于5 km，天气转为晴好，激光衰减系数高值区开始南移，黄海北部和中部衰减系数接近0，只有大气中的分子衰减作用，可忽略不计，风场为偏北风时，上风区水汽输送渠道被切断，云水混合比和比湿急剧下降，因此上风区的衰减系数低，而下风区的衰减系数高。

由于10.6 μm激光波长对大气穿透能力优于1.06 μm，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作，而且能与8～12 μm波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；因此目前仍具有无法取代的独特优点，装备量已扩大到陆、海、空三军，目前仍有广泛的军事应用。将激光衰减率降低到最小是目前需要解决的问题。考虑到海雾产生和消散的天气形势，在海雾刚产生时，要占据下风区；海雾维持过程中，要占据海雾雾区的外围；海雾快要消散时，占据上风区，这样才能把衰减率降低，提高探测距离。

3.210.6 μm激光在春季平流雾中探测距离研究

对于不同的红外武器系统，加上系统的修正因子K，同时考虑各种因素的影响，其作用距离一般可写成如下形式［9］：

式中：Jλ1-λ2为波段范围λ1-λ2内的辐射强度值；为波段范围内的大气透过率；τ0为光学系统的光谱透过率；D*为敏感元件在波段区间内的平均光谱探测度；ω为系统的瞬时视场；Δf为电路等效噪声带宽；为系统的信噪比；K为系统的修正因子［10］；D0（NA）为光学系统的有效入射孔径的面积；NEFD为噪声等效通量密度。

由式（12）可知，当系统稳定、目标参数一定时，红外系统作用距离与大气透过率有如下关系：

式中：K0为式（12）中各已知参数的计算值。

对于衰减率分布不均匀的海雾场，若已知海雾衰减率的分布，便可利用式（13）求出探测距离。设a（dB/km）为海雾衰减率，A（dB）为至距离d处的衰减度，则：

Φ（d）是一个单调增函数，在探测距离以内，其值小于K0，即d＜Dmax时，Φ（d）＜K0；d＞Dmax时，Φ（d）＞K0。设某型红外探测装备晴天下对某特定目标的最大探测距离为14 km，测得此时大气透过率为0.92，可估算出K0=14.596；K0的值也可以根据系统参数由式（12）计算得到。本文由式（11）计算了2015年3月31日17时黄海大雾时10.6 μm红外波的衰减率分布，设定红外探测器经纬度，由式（17）和式（18）求得每个方向（间隔1度）的探测距离，得到红外系统探测距离评估图象，如图3所示。

图3　10.6 μm红外系统探测距离评估图

图3中间的十字交叉点表示红外探测器的位置，外圈表示在正常情况下的探测距离，内圈表示在不同浓度海雾情况下各个方向的探测距离。由图3可知，在海雾条件下，即使传输性能较好的10.6 μm波仍然受到严重的衰减，在云水混合比不到0.02 g/kg（能见度约700 m）的情况下探测距离可损失55%以上；云水混合比为0.05 g/kg左右时（能见度约400 m）探测距离仅为正常情况下的10%；而在浓雾情况下（云水混合比约0.25 g/kg，能见度约50 m）探测距离仅为正常情况下的2%。图3的探测距离评估图象中也可以将中间的点设为目标，则图3中的内圈表示为对目标在各个方位的探测距离。

4　结论

（1）该次黄海海雾过程与其他黄海春季海雾过程基本类似，均为“东高西低”的地面天气系统，雾区范围大，持续时间很长，使得海雾维持的也是南方或东南方输送来的暖湿气流，随后一个很强的冷高压使得风向转北，干冷平流切断了水汽输送，破坏了逆温层结构，海雾消散。

（2）春季黄海海雾发展的时候多为偏南风，上风区由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比较大，所以衰减系数自西南向东北方向递减；风场为偏北风时，上风区水汽输送渠道被切断，云水混合比和比湿急剧下降，因此上风区的衰减系数低，而下风区的衰减系数高。

（3）在海雾条件下，即使传输性能较好的10.6 μm波仍然受到严重的衰减，在轻雾（能见度约700 m）的情况下探测距离可损失55%以上；大雾时（能见度约400 m）探测距离仅为正常情况下的10%；而在浓雾情况下（云水混合比约0.25 g/kg，能见度约50 m）探测距离仅为正常情况下的2%。

［1］王彬华.海雾［M］.北京：海洋出版社，1983：10-12.

［2］王海先，叶艾.大气衰减系数对激光测距能力影响的研究［J］.舰船科学技术，2007，06：116-119.

［3］孙超，王红霞，傅关新，等.雾对激光的衰减特性研究［J］.光散射学报，2011，03：201-205.

［4］魏海亮，邵利民，李茂林.基于Mie理论的激光雾中传输衰减特性研究［J］.舰船电子工程，2014，01：148-151.

［5］王亚民，高国强.雾天环境下激光传输的衰减特性研究［J］.红外，2013，12：14-19.

［6］柯熙政，马冬冬，刘佳妮.激光在雾中传输的衰减研究［J］.光散射学报，2009，02：104-109.

［7］Adarsh Deepak，Michael A Box.Forward-scattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media.1：Monodispersions［J］.Appl Opt，1978，17（18）：2901-2908.

［8］Adarsh Deepak，Michael A Box.Forward-scattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media.2：Polydispersions［J］.Appl Opt，1978，17（19）：3169-3176.

［9］王威，李进杰，顾德均，等.红外辐射的气候环境传输特性分析［J］.激光与红外，2000，30（5）：290-292.

［10］J A Milbrandt，MK Yau.A multimoment bulk microphysics parameterization.Part I：Analysis of the role of the spectral parameter［J］.Journal ofthe atmosphere sciences，2005，62（9）：3051-3064.

Analysis on the Laser Attenuation Characteristics in the Sea Fog Over Spring in the Yellow Sea

CHEN Kai-nuo1，SHAO Li-min1，AI Yang2，DAI Ren-wei3，WU Ke-liang3
1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.The 37th Team of East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center Staff，Ningbo 315122，Zhejiang Province，China；
3.The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory，Zhoushan 316000，Zhejiang Province，China；

Sea fog can seriously affect navigating vessels，and the working efficiencies of ship-borne laser weapons and laser radars are constrained by heavy sea fog.Therefore，it is of vital importance to study the characteristics of laser attenuation in the fog.Based on the WRF mesoscale meteorological model，this paper is to analyze and simulate the process of sea fog from March 28 to April 1，2015.It is found that the warm air stream delivered from the south of the Yellow Sea made the sea fog last for a long time.And then a strong cold high pressure made the wind direction turn to north while dry and cold air advection stopped the water vapor from transporting，which had destroyed the inversion layer structure.After that the sea fog dissipated.Considering the weather conditions in spring in the Yellow Sea during the generation and dissipation of sea frog，it can be concluded that when the sea fog has just produced，the laser attenuation coefficient is low in the wind zone below.In the process of sea fog lasting，the laser attenuation coefficient is low on the edge of the fog area.And the coefficient is low in the windward area when the sea fog is about to dissipate.This study has also found that sea fog can make 10.6 μm infrared laser detection range greatly decrease.Under the condition of dense fog，the detection range becomes only 2%of the normal range.

sea fog over the Yellow Sea；cloud water mixing ratio；numerical simulation；laser attenuation coefficient；detection range

P732；P458

A

1003-2029（2016）04-0060-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.012

2016-03-29

陈凯诺（1991-），男，硕士研究生，主要从事海雾数值模拟和激光衰减特性研究。E-mail：837677852@qq.com