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對流層,是英語里的對流層一字「Troposphere」的字首,是由希臘語的「Tropos」(意即「旋轉」或「混合」)引伸而來。正因對流層是大氣層中湍流最多的一層,而同它亦是唯一一層會出現天氣現象。固此,噴射客機大多會飛越此層用以避開影響飛行安全的氣流。

1 對流層 -概述

對流層對流層雷達

對流層中,氣溫隨高度升高而降低,平均每上升100米,氣溫約降低0.65℃。由於受地表影響較大,氣象要素(氣溫、濕度等)的水平分佈不均勻。空氣有規則的垂直運動和無規則的亂流混合都相當強烈。上下層水氣、塵埃、熱量發生交換混合。由於90%以上的水氣集中在對流層中,所以雲、霧、雨、雪等眾多天氣現象都發生在對流層。

對流層中從地面到 1~2 千米的一層受地面起伏、乾濕、冷暖的影響很大,稱為摩擦層(或大氣邊界層)。摩擦層以上受地面狀況影響較小,稱為自由大氣。對流層與其上的平流層之間存在一過渡層,稱為對流層頂,厚度約幾百米到2千米 。 對流層頂附近氣溫隨高度升高變 化的幅度發生突變,或隨高度增加溫度降低幅度變小,或隨高度增加溫度保持不變,或隨高度增加溫度略有增高。對垂直運動有很強的阻擋作用。

2 對流層 -壓力及氣溫結構

對流層對流層

壓力
大氣層的壓力會隨高度升高而下降。這是因為位於地表上的空氣會被其之上的所有空氣壓著,反之在高的地方,空氣被少一點的空氣壓著,故之氣壓亦隨之遞減。氣壓隨高度而改變是可以根據下列的流動動力學程式所計算:

對流層(圖)對流層

這裡:

g = 重力加速度
ρ = 密度
h = 高度
p = 壓力
R = 氣體常數
T = 溫度
假設一個常溫,壓力會隨高度以指數方式而下降:

氣溫
在對流層,高度每上升1公里,氣溫會平均下降攝氏6.49度。這種氣溫遞減是因為絕熱冷卻的出現。當空氣上升時,氣壓會下降而空氣隨之擴張。為了使空氣擴張,需要有一定的功施予四周,故此氣溫會下降。(因熱力學第一定律)

在中緯度地區氣溫會由海平面的大約+17℃下降至對流層頂的大約-52℃。而在極地(高緯度地區),由於對流層相對地薄,所以氣溫只會下降至-45℃,相反赤道地區(低緯度地區)氣溫可以下降到-75℃。

正因為對流層的上部冷下部熱,所以對流運動特別顯著。這正是中文「對流層」的名稱由來。

對流層頂
對流層與其之上的平流層的邊界,約離地面11公里附近的位置,稱為對流層頂。但這個邊界的高度會隨季節及緯度而有所變化。一般來說,在赤道地區附近高17公里,而在極地附近則約高9公里,而平均高度則大概離地11公里左右。長途客機大多會在這個邊界飛行。

要計算在對流層的氣溫因高度而轉變,就需要認識平流層,因平流層界定了對流層的位置。在對流層,氣溫隨高度而下降,反之在平流層,氣溫會隨高度而上升。當氣溫遞減率由正數(對流層)轉到負數(平流層)的現象出現時,那正好表示了那裡是對流層頂的區域了。

3 對流層 -大氣環流

大規模的大氣環流,其基本結構大致上都維持不變。地球上的風帶和湍流由三個對流環流(三圈環流)所推動:哈得萊(低緯度)環流、費雷爾(中緯度)環流、以及極地環流。這三個對流環流帶領盛行風及由赤道傳遞熱能到極地方向。

因為對流運動顯著,而且富含水汽和雜質,所以天氣現象複雜多變。如霧、雨、雪等與水的相變有關的都集中在本層。

4 對流層 -物質組成

對流層蘊含以下成份:
氮 (N2)
氧 (O2)
二氧化碳 (CO2)
甲烷 (CH4)
一氧化二氮 (N2O)
一氧化碳 (CO)
臭氧 (O3)
硫酸 (SO4)
二氧化氮 (NO2)
氫氧根 (OH-)

5 對流層 -傳播方式

對流層

對流層傳播方式
不包括雲和降水的影響

對流層中主要的傳播方式或效應有:大氣折射、波導傳播、對流層散射、多徑傳播、大氣吸收,以及水汽凝結體和其他大氣微粒的吸收和散射。

對流層傳播除可按傳播方式分類外,也可按傳播範圍和頻段分類。按傳播範圍分,有視距傳播、超視距傳播和地空傳播等。地空傳播也可歸入視距傳播。視距傳播的基本方式是直射傳播,但受對流層和地面的複雜影響。超視距對流層傳播的常見方式是對流層散射,有時也可能是波導傳播。按頻段來分,有超短波傳播、微波傳播、毫米波與亞毫米波傳播和光波傳播等。超短波和較長的微波可作視距傳播,也可作超視距傳播。10吉赫以上頻段的無線電波和光波,一般都只限於視距傳播。

對流層傳播研究的發展與通信的關係十分密切。第二次世界大戰後,由於遠距離、高質量的多路通信的需要,促成了對流層散射傳播機制的發現。這一發現不僅導致了對流層散射通信的出現,而且導致了電離層散射通信和流星余跡通信的出現。衛星通信的出現及其進一步發展的需要,促進了地空傳播方面特別是在10吉赫以上頻段的研究。由於對流層傳播與對流層特性緊密相關,對流層傳播研究與對流層探測技術也互相促進。許多技術用於對流層折射率和雲霧降水的宏觀結構和微觀結構的探測,促進了對流層傳播研究;有關對流層結構與所產生的信號特性之間的聯繫方面的傳播研究結果,也為有關無線電探測手段的產生和完善提供了探測基礎。精密雷達都採用對流層傳播方式,特別是視距傳播方式。尤其在微波和更高頻段,雷達與目標之間的對流層效應是突出的傳播問題。微波和毫米波遙感也直接或間接地利用大氣吸收和雲霧衰減效應。

對流層對流層
僅包括雲和降水的影響

現代對流層傳播的研究,主要集中於10吉赫以上頻段的電波傳播問題、廣播和移動通信中的傳播問題以及多徑效應等。毫米波在實用上具有突出的優點(見10 GHz 以上電波傳播),因此對流層傳播研究正向毫米波方向擴展。

對流層散射傳播是對流層散射通信的技術基礎。利用對流層散射傳播機理設計的對流層散射傳輸系統,可以實現超視距傳輸;同時具有適中的傳輸容量、傳輸性能和可靠度,以及特彆強的抗核爆能力。對流層散射傳輸系統因為有其特別屬性,在多種多樣的傳輸系統之中,特別是在各種無線傳輸系統之中,始終佔據不可替代的特定位置。

中國在20世紀50年代開始對流層散射傳播機理研究,上世紀,60年代開始研製和應用對流層散射通信系統。60年代末到70年代初,本人在從事對流層散射傳輸系統研製中,曾經與張明高院士合作。具體地說,是根據他關於對流層散射傳播理論的研究成果,進行對流層散射傳輸系統總體設計。70年代初,張明高院士對國內外對流層散射傳播的理論研究和實驗結果進行了全面的分析和總結,提出了廣義散射截面理論模型;並在此理論基礎上,對各種傳播特性做了系統的模式研究,提出了一套比較完整的適於中國條件的傳輸損耗統計預測模式,其後,一直用於國內對流層散射通信系統設計;並且被CCIR(國際無線電諮詢委員會,現ITU R)採納於CCIR238 3報告(超視距無線電中繼系統所需傳播數據)之中。80年代,CCIR頒布全球對流層散射資料庫后,張明高院士據以進行了更為全面、深入的研究,從而提出了全球適用的對流層散射傳輸損耗統計預測方法,並得到世界各國同行專家公認,替代了國際上沿用20多年的美國NBS(國家標準局)同類方法,形成了CCIR238 6報告(地面超視距系統所需傳播數據和預測方法),並且形成了CCIR617 1建議(超視距無線電中繼系統設計所需傳播預測技術與數據)。

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