气球探空数据确定河内大气电波传播条件研究

==∞−∞可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）611www.elsevier.com/locate/icte利用气球无线电探空资料确定河内大气中的无线电波传播条件Chi Cong Phama， Chuan Anh Nguyenb，ca越南电子、信息学和自动化研究所，越南河内b越南科学技术学院地球物理研究所，越南河内c越南河内越南科学技术学院科学技术研究生院接收日期：2021年6月27日;接收日期：2021年9月17日;接受日期：2022年6月28日2022年6月30日在线提供摘要本文利用河内气球探空资料，确定无线电折射率和电波在大气中传播的条件。2016-2018年三年的研究结果显示，平均无线电活动最高，年度之间的无线电活动差异最大。其次，利用无线电探空资料对全球ITU模式的精度进行了评估，结果表明，在较低的大气层高度上，ITU-R模式的射电辐射活动与探空观测值的误差可达60 N单位。最后，建议在研究大气中的电波传播条件时，使用无线电版权所有2022作者。出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：探空数据;折射率;波传播条件;折射率梯度;k因子1. 介绍根据Snell波射线向折射率较高的一侧弯曲，速度较慢[1]。传播条件取决于折射率随海拔的变化，从而改变大气压力、温度和湿度[2，3]。有效地球半径系数（称为k因子）是影响无线电信号传播方向的大气状态。然而，系数k主要取决于折射率G的垂直梯度，而不是折射率的绝对值[4，5]。其结果是折射率随海拔高度的变化而变化，从而改变了波射线穿过大气层不同层时当考虑无线电在大气中的传播条件时，首先要确定无线电折射率n，这是进一步研究无线电在大气中的传播所需的主要参数*通讯作者。电子邮件地址： phamchicong@iddtech.vn（C.C. Pham）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.06.008研究，以及无线电折射率的空间分布。其次是确定大气的系数k（或G），这个参数将表明大气的状态如何影响波的轨迹时变因子k导致不同大气条件下的波传播当k>1时，波射线有一个向下的凹面，称为正折射，当k为<1时，波射线有一个向上的凹面，称为负折射，当k为1时，不发生折射时，波射线为直线。不同的系数k引起的无线电波的弯曲如[1]所示。系数k（或G）也用于将对流层中的折射条件分类为正常折射或标准大气、亚折射、超折射和管道[6，7]。也就是说，当k 4/3时，无线电波在正常折射或标准大气条件下传播，以小于地球半径的曲率向下朝着地球<<<表面传播;当k 4/3为0时，发生亚折射，这意味着无线电波异常地远离地球表面传播，甚至向上传播，k 1，G >0; >k>4/3，发生超折射，向下朝地球表面折射<<2405-9595/© 2022作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611612====±±+±± −±=电子邮件埃莱= −+CUP比地球的曲率更大的弯曲当k= ∞（G= −157 N单位/km）时，射线（或自由空间）c0到介质中的波传播速度c的公式[1]：平行于地球超越地平线[8]。nc0C（一）ITU-R已经表明，k因子通常在0.42和4/3之间 [4]。在0.4 k> 1，传播理想，无表层有雾天气，地形干燥，多山，无雾; 1>k> 2/3，传播一般，天气不合格，有轻雾，地形平坦，温带，有雾; 2/3>k> 0.5，传播困难，表层内、地面有雾天气，地形沿海; 0.5> k> 0.4，传播不良，雾湿内、水上天气，地形沿海水域，热带。文献[9]的结果还表明，当系数k为4/3时，覆盖距离最大，k 0.45具有最小覆盖距离，其他k个系数在0.45ke的范围>0.5时，传输距离与系数ke成正比。其中ke定义为k的值，其在99.99%的时间内超过。无线电探空仪数据允许通过压力、温度和湿度参数确定无线电折射率的空间结构。一些通过气象参数确定无线电折射率的实验研究在[12，13]中找到，或者在[14]中使用无线电探空仪数据确定表面管道条件。虽然它的局限性不如无线电折射仪直接测量准确[3，15]，但我们认为，用无线电探空仪数据评估折射率应比使用当量（4）对于平均条件和N的微小变化，可以表示为公式：N=a基于ICAO大气并假设相对湿度为60%的常数a、 b和c的典型值可在[3，15]中表示为高度的函数。文[3]中的结果表明，在假设N方程没有误差的情况下（3）、气象误差无线电探空气球的测量值随着温度的增加而增加，1.73N-units（50摄氏度）14.19 N单位（40℃）压力误差（ 2毫巴）、温度（1℃）、相对湿度（5%）。蒸汽压e（hPa）可以通过相对湿度H（%）和饱和蒸汽压es(hPa)通过公式：国际电联全球模式[16]。基于上述，本文的主要目的是H100EES（六）调查ITU模型折射率的准确性河内与现场无线电探空仪测量的比较。研究区域是河内市（越南首都），位于北纬21.01度，东经105.80度，根据ITU-R建议[16]，饱和蒸汽压es（hPa）根据下式取决于温度t（℃）：（b−t/ d）t以热带季风气候为特征，分为四个一年四季：春、夏、秋、冬。2019 -05 - 2501：01：02（（t+c））（7）本文使用2016年、2017年、2018年三年的实际测量结果，利用气球数据确定无线电波在河内大气中传播的条件2. 理论背景无线电折射率n被定义为电磁波在真空中的传播速度C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611613--EF = 1 + 10 −4 [7. 2+ P（0. 0320+ 5. 9 10−6t2）]（8）有常量：a 6。1121，b 18。678，c257. 第234章.5.可用于计算地球表面处的折射率Ns值Ns=N0<$exp（−hs/ h0）（9）C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611614=-≈正+ +DH=用：hs（km）表示地球表面海拔高度（km）。 N0和 h0（km）可以根据不同的气候统计确定，通常取N0 315，h07. 35公里。根据[3，17]，当穿过大气对流层时，由于折射率随高度的变化，光线会弯曲在垂直平面中，波射线曲线由以下公式描述k只取决于G，而不取决于射电活度N的绝对值。因此，像波射线的曲率1/ρ和有效地球半径的曲率1/Re一样，系数k也取决于射电活动随高度的变化。G和k的对应值通常用于指代彼此为G= 314（k= 0.33）、157（0.5）、0（1）、1 cosdn= −（十）−157（∞），−314（−1）。否则，k和G值将彭德赫k=1（G=0），4/3（−39），2（−79），∞（−157），1（>0），式中：光线路径的曲率半径ρ，大气折射率n，折射率的垂直梯度dn/ dh，离地球表面的高度h当大气折射率随高度（dn/ dh<0）减小时，波射线的曲率1/ρ为正值，称为正折射，波射线的轨迹向下凹波射线的曲率为负值，称为负折射，在相反的情况下（dn/dh>0），波射线轨迹具有向上的凹面。如果路径近似水平，则λ接近于零。然而，由于n非常接近1 Eq. （10）简化如下：分别由于大气中的压力和水汽量随高度迅速下降，而温度随高度缓慢下降，因此无线电活动取决于高度，通常随高度增加而下降。在研究管道折射[1，14，16]时，修正的折射率，称为折射模量，是一个参数，它取决于平坦地球模型中的N（N单位）和高度h根据公式[3]确定折射模量：M（h）=N（h）+157h（M-单位）（15）那么，活度系数随高度的变化为：1个月ρ=−dh（ 11）因此，如果垂直梯度dn/ dh是恒定的，则这些线是圆的弧。考虑大气折射的影响，常用的方法是考虑直线传播的光线在等效半径Re的假想球面上的轨迹。用直射线和等效地球代替真实射线和真实地球，必须满足真实地球和真实射线之间的相对曲率必须等于等效地球和直射线之间的相对曲率的条件这意味着满足以下等式[3]：1111a−ρ=Re−∞（ 12）有效地球半径系数k（k-因子），通常用于对大气折射条件进行分类，其值为k=Re/a。公式（12）变为：11DN1ka=a+dh=Re（ 13）因此，（11）和（13）表明，当波通过地球对流层时，射线的曲率1/ρ以及有效地球半径的曲率1/Re取决于大气折射率随高度的变化速度，而不管其绝对值如何。有效地球半径系数k通常用于对折射条件进行分类。取地球的曲率半径a6370 km，系数k由公式[4，8]近似：DH G+157（16）折射模量是计算机射线追踪软件中用于分析管道折射现象的参数[1]。在无线电气象学[3]中，不仅使用参数M，而且还使用由N计算的A、B。3. 材料和方法无线电探空气球是一种携带设备的气球 根据海拔高度测量气象参数，如气压、温度、湿度、风（方向和速度）和地理位置（纬度/经度）。根据天气情况，气球可以达到25-35公里或更高的高度，根据风速，范围可以达到数百公里。气球中的测量结果通过无线电波传回。气球放飞时间、大气观测参数数量、数据共享遵循世界气象组织（WMO）规定。本文使用的气球数据是Noibai机场的观测数据（代码为VVNB）。气球每天释放两次00 Z（7 GMT）和12 Z（7GMT）。可以在[18]中找到。收集气球数据可以由在后台运行的程序执行，连续运行，每次检测到新数据时自动获取数据，并将其保存到本地内存。数据是从1990年到现在（2021年）收集的。每天的数据是两个文件保存11+（d N）/157=[1+G]−1157（十四）以CSV格式对应于上述两个时间。日数据存储在每月的文件夹中，月数据存储在每年的文件夹收集的数据参差不齐，从式中G d N/ dh为放射性活度随海拔高度或垂直梯度，从（14），系数1994年至1998年，没有数据，2016年至2018年，数据非常完整（表1）。KC.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611615表1收集的无线电探空仪数据。年文件年文件年文件年文件199035819980200630201428199114219994652007412015321992218200014820084120166981993544200147200934201769719940200239201035201867819950200325201131201942019960200422201235202065519970200524201333表2过去5年的平均无线电活动距离射电折射率（N单位）20162017201820192020最小值（高海拔）40.7140.8338.0540.6840.90最大值（低海拔）368.49369.19368.89365.84366.23在数据文件中，有不同海拔高度的气象参数值。无线电探空气球的最大高度约为20 km计算2016-2020年最近五年的平均射电望远镜活动2019年和2020年的数据不完整（2019年6月和8月没有数据，2020年缺少多日数据）。在本文的内容中，使用了2016-2018年的数据。其步骤为：在采集探空数据后，确定各高度的射电活度N，得到射电活度的空间结构，进而确定射电活度的垂直梯度G和有效地球半径系数k。基于具有k，G将确定河内大气中的无线电波传播条件4. 结果计算2016-2018年各月的射电辐射活动分布如图所示。1.一、图2中实线（上图）所示的无线电活动随高度的变化是无线电探空气球测量的结果，虚线（下图）是根据ITU-R参考模型公式（9）得出的值。计算了观测值与ITU-R模型值之间的差异如等式（十七）、结果显示了与参考值的差异，如图所示。3 .第三章。N=Nh−Ns（N-单位）（17）式中：Nh（N单位）为使用无线电探空气球在h（km）高度观测到的电离层活动，Ns（N单位）为图1.一、2 0 1 6 年、2017年、2018年的无线电活动分布。根据ITU-R参考模型公式（9）计算的放射性活度。C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611616图二. 2016、2017、2018年的平均无线电活动。实线代表观察到的活性。虚线是标准值，ITU-R模型。图3.第三章。2 0 1 6 年、2017年和2018年ITU-R模型的无线电活动差异。图四、2 0 1 6 年、2017 年、2018 年各月的无线电活动值范围。图五、2 0 1 6 年、2017年、2018年大气活动随海拔高度的变化。C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611617−−∞图第六章 有效地球半径系数k在2016、2017、2018年随高度变化。一年内每个月的最低及最高无线电活动值的范围 见图4。计算放射性活度随高度的变化（放射性活度梯度），结果如图10所示。 五、利用有效地球半径系数k（k因子）来确定大气中的传播特性，计算结果如图所示。第六章5. 讨论表2显示，在2016-2020年期间，无线电活动在38-370 N单位的范围内。年与年之间的最大差值不超过4 N单位，最小差值小于3 N单位。从2016年到2018年，无线电活动值的年际差异很小。具体地，最大放射性活度值的最大差不大于1N单位。图图1所示为南极活动按月份的分布，最高海拔通常约为17公里，仅在2018年1月，气象气球的最大高度就接近20公里。曲线表明，随着海拔高度的增加，放射性活度逐渐降低。图图2显示了每年的射电活动，实线代表观测到的射电活动，虚线是根据ITU模型计算的值。结果表明，各年的射电活动十分相似，射电活动随海拔高度的增加而减小，并大于模式计算的射电活动。随着海拔高度的增加，观测到的放射性活度值接近模型值。2018年，在近20公里的高度，两个数值几乎相同。图3显示了观测到的放射性活度与ITU-R的模型值之间的差异值。结果表明，两者的差值始终为正，且在不同海拔高度上不相同，在高海拔高度上，两者的放射性活度值接近于标准模型中的数值，表现为差值较小，在低海拔高度上，差值迅速增大。在5 km以上的高度，观测值与模型值之间的差异小于20 N单位，在20 km以下的高度，差异小于10 N单位。在低层大气中，测得的放射性活度值比标准模型中的大，约为60 N单位。2018年，在近20公里的高度上，观测到的太阳活动和模型值几乎没有差异，差是0 N单位。值得一提的是，本文的方法是使用当地的现场测量数据，而不是全球的ITU模型。因此，与ITU模型相比，预期结果应该更准确图4显示了一年中每个月的射电活动范围。结果表明，在40 N-单位时，月平均放射性活度的最小值略有变化。在2018年，1月和5月的最低活动值低于其他月份，导致最低值2018年的无线电活动也低于其他年份。 月间最大放射性活度值有许多变化。结果还表明，在夏秋季、4 ~10月，温度背景值高于年平均温度，射电辐射活动的最大值在7 ~ 9月达到峰值。冬春季图5表明：与射电活动不同，射电活动的变化与海拔高度无关。总的来说，梯度活动的强度随着海拔高度的增加而增加。在低海拔地区，屈光梯度的变化幅度大于在高海拔地区。在低于3.75公里的高度，G在40 N单位/公里左右变化很大。在3.75km以上，振幅变化较小，在10-16 km高度在低于10公里的高度，无线电活动随高度变化很大，从而极大地影响射线的轨迹。2018年，G在16公里-17.5公里的高度发生了异常变化图图6表明有效地球半径系数k与海拔高度无关。总的来说，k系数随海拔高度的增加而减小系数k始终为正，即无线电波在亚折射或超折射条件下传播，不发生相应的波导折射1.0，表示理想的波传播，对应于无雾、地形干燥、多山、无雾等近地层天气，根据[9]，波射线具有凹面C.C. 范和X. A.NguyenICT Express 8（2022）611618表面朝下。2018年，在16公里的高度17.5在10-16 km和17.5 km- 20 km的高度处，k系数在1.2>k>1.0的范围内，这是理想的波传播条件，波具有向下的凹面，但是在10-16 km的高度处的传播由于G的较小变量而在17.5 km-20 km的高度处<6. 结论无线电探空气球数据是一种现场测量数据类型，是用于通过不同方法校准其他测量结果的少数数据源之一。利用气球资料确定大气中的波传播条件是一种强有力的研究工具，这种方法具有可以获得多个不同高度上的长期观测资料的优点。2016年、2017年、2018年三年的研究结果表明，由于河内具有热带季风气候的特点，无线电波在大气中传播的条件具有以下特点平均放射性活度在38- 370 N单位之间。年与年之间的最大值差不超过4N单位，最小值差小于3N单位。在4月至10月期间，射电活动的最大值在7月在一年中的其他月份，它往往会减少。射电活动的最小值稳定在40 N单位左右。系数k和G与高度无关。总体而言，地球活动的垂直梯度随海拔的升高而增大，有效地球半径系数随海拔的升高而减小。大多数情况下，有效地球半径系数为k>1，因此在亚折射条件下传播波或可能发生超折射。在10-16 km的高度范围内波射线向下弯曲，不正常地传播远离地球在低于10公里的高度，无线电活动随高度变化很大，从而极大地影响波的路径。确定对流层和部分平流层中无线电活动的空间分布和无线电波传播条件在导航、雷达和通信系统中具有重要作用。本文展示了河内大气中电波传播的特点。建议在其他任何地方使用无线电探空仪数据而不是ITU-R模型来计算折射率，因为这些数据是可用的。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作确认这项工作得到了越南社会主义共和国工业和贸易部的引用[1] M. Trevor，微波无线电传输设计指南，第二版， ArtechHouse，波士顿|Lo n do n ，2009，pp. 135比139[2] E.K.史密斯，S。张文，等.大气折射率的计算方法.北京：科学出版社，1998.[3] B.R.杨文忠，无线电气象学，国立台湾大学，1996。[4] T.J. Afullo，T. Motsoela，D.F. 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