Propagasjonsforhold for radiofrekvensspekteret i norske havområder - klimatologi for fordampningsducthøyde og atmosfærisk stabilitet

Abstract

Kunnskap og oversikt over de atmosfæriske propagasjonsforholdene i det marine grenselaget er viktig for planlegging og gjennomføring av militære operasjoner på sjøen. Propagasjon i radiofrekvensspekteret er avhengig av de refraktive forholdene, som bestemmes av den vertikale fordelingen av lufttemperatur, mengden vanndamp og lufttrykk. Særlig interessant er fordampningsduct, som skyldes negative refraktivitetsgradienter i luftlaget fra 0–40 meter over havoverflaten. Slike fordampningsducter er alltid til stede over havet, men varierer i høyde og styrke. Fordampningsducthøyde (EDH) kan enten måles eller beregnes ved å benytte bulkmodeller. En svakhet ved slike bulkmodeller er at små variasjoner i inngangsverdiene potensielt kan gi store variasjoner i beregnet EDH under stabile atmosfæriske forhold. Stabile/ustabile atmosfæriske forhold er definert ved at lufttemperaturen er høyere/lavere enn overflate-sjøtemperaturen.

Fram til nå har det ikke eksistert noen tilstrekkelig detaljert oversikt over forventet EDH med tilhørende variasjon i norske havområder og tilstøtende farvann. For å lage en slik klimatologi for atmosfærisk stabilitet og EDH har vi i denne studien brukt re-analyser fra NORA10-arkivet til Meteorologisk institutt og bulkmodellen Naval Atmospheric Vertical Surface Layer Model (NAVSLaM).

Resultatene fra studien viser at ustabile forhold dominerer i norske havområder i vintermånedene fra november til februar, mens det i perioden april til juli er områder med stabile forhold opp mot 60 % av tiden, spesielt nær norskekysten samt i Skagerrak og Nordsjøen. I slike stabile forhold bør resultatene fra bulkmodeller brukes med større forsiktighet. og man bør vurdere å estimere EDH fra målt refraktivitetsprofil fra atmosfæriske målinger for å vurdere gyldigheten av resultatene fra NAVSLaM.

Områder med de laveste median EDH-verdiene varierer med tid og sted. I åpent hav finner vi de høyeste verdiene i desember/januar og de laveste i juli. Nær norskekysten er median EDH høyest i september. Nær kysten i sør er median EDH lavest i mars/april, mens lengst nord langs kysten er median EDH lavest i juli. I åpent hav er EDH-variasjonen størst i august/september og lavest i perioden desember til februar. Langs norskekysten og i Skagerrak er det store variasjoner i EDH fra april til september.

I rapporten ser vi også på effekten fordelingen av EDH har på beregnet radarrekkevidde for en X-båndradar. Det er valgt to posisjoner som representerer åpent hav og kystnære forhold. Beregningene viser at estimert radarrekkevidde i åpent hav lå mellom 18,4 og 21,5 km, størst rekkevidde i perioden desember til januar og lavest i perioden mai til juni, mens variasjonen innenfor hver måned var ganske lik gjennom hele året. Kystnært lå beregnet radarrekkevidde mellom 17 og 23,7 km med lavest rekkevidde i perioden februar til mars og størst i august. Til forskjell fra posisjonen i åpent hav var det store variasjoner i fordelingen av radarrekkevidde mellom mai og august. Beregnet rekkevidde lå stort sett alltid over radarrekkevidde beregnet med standard atmosfære. Resultatene fra studien bør implementeres i Sjøforsvarets taktiske publikasjon nr. 40 (STP-40) og i et eventuelt framtidig beslutningsstøtteverktøy.

Knowledge of the atmospheric propagation conditions in the marine boundary layer is essential when planning and conducting military naval operations. Propagation in the radio frequency spectrum is dependent on the refractive conditions, which are determined by the vertical distribution of water vapor, air temperature and atmospheric pressure. Of particular interest is the evaporation duct, caused by negative refractive gradients in the layer between 0 and 40 meters above the sea surface. Such evaporation ducts are always present over the ocean, but they vary in height and strength. Evaporation duct height (EDH) can either be measured or calculated by using bulk models. A weakness of such bulk models is that small variations in input values can potentially cause large variations in the calculated EDH in stable atmospheric conditions. Stable/unstable conditions are defined as the air temperature being higher/lower than the sea surface temperature.

Currently there is no statistical overview over expected EDH and its corresponding variations for Norwegian waters and surrounding areas that are sufficiently detailed. We have used hindcast data from the Norwegian Meteorological institute’s NORA10 archive to develop a climatology for atmospheric stability and EDH by combining the hindcast data with the bulk model Naval Atmospheric Vertical Layer Model (NAVSLaM). Our results show that the Norwegian waters are dominated by unstable conditions during the winter months from November to February. From April to July stable conditions are present up to 60% of the time, especially near the Norwegian coast, in Skagerrak and the North Sea. The results from bulk models should be used with caution in stable conditions, and estimation of EDH from measured refractivity profiles should be considered.

Areas with the highest median EDH values vary, depending on the season and location. In open ocean areas the highest median EDH values are found in December and January, while the lowest values are found in July. Closer to the Norwegian coast the highest median EDH values are found in September. In the coastal areas of southern Norway and Skagerrak the lowest median EDH is found in March and April, while further north along the coast the lowest values are found in July. The variation in EDH is largest in open ocean areas in August and September and lowest in the period from December to February. Along the Norwegian coast and in Skagerrak large variations in EDH are found from April to September. We have also studied the impact of the EDH distribution on computed radar detection range. We have chosen two different locations, representing open ocean and coastal conditions. At the open ocean location, our calculations showed that computed radar detection ranges were between 18.4 and 21.5 km, with greatest range in December and January and shortest from May to June. The distribution in radar detection range was more or less the same throughout the year. At the coastal location, computed radar detection ranges varied from 17 to 23.7 km, with shortest range in February and March and greatest in August. But unlike the open ocean location, we found great variations in monthly detection ranges in the period May to August. The results from this study should be implemented in the Norwegian Navy’s Tactical Publication no. 40 (STP-40) and in a future tactical decision aid.