Spatial Range of GNSS-R Detection of Evaporation Duct in the Coastal Waters of China

LI Fu; SUN Yueqiang; XIA Junming; WANG Xianyi; DU Qifei; BAI Weihua; LIANG Hong; LUO Jin

doi:10.13203/j.whugis20240330

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Spatial Range of GNSS-R Detection of Evaporation Duct in the Coastal Waters of China

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-11-05

- Spatial Range of GNSS-R Detection of Evaporation Duct in the Coastal Waters of China
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 50, Issue 12, Pages: 2428-2439(2025)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院国家空间科学中心,北京，100190
  2.中国科学院大学，北京，100049
  3.天基空间环境探测北京市重点实验室，北京，100190
  4.中国气象局气象探测中心，北京，100081
  5.云南省大气探测技术保障中心，云南昆明，650034
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240330
  CLC： P237
- Received：29 November 2024，
  
  Published：05 December 2025
- 稿件说明：
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李福,孙越强,夏俊明，等.中国近海岸基GNSS-R探测蒸发波导的空间范围研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(12):2428-2439.

LI Fu,SUN Yueqiang,XIA Junming,et al.Spatial Range of GNSS-R Detection of Evaporation Duct in the Coastal Waters of China[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(12):2428-2439.
李福,孙越强,夏俊明，等.中国近海岸基GNSS-R探测蒸发波导的空间范围研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(12):2428-2439. DOI：10.13203/j.whugis20240330

LI Fu,SUN Yueqiang,XIA Junming,et al.Spatial Range of GNSS-R Detection of Evaporation Duct in the Coastal Waters of China[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(12):2428-2439. DOI：10.13203/j.whugis20240330

摘要

蒸发波导由于其折射效应对雷达、通信具有显著影响。全球导航卫星系统反射信号遥感技术（global navigation satellite system reflectometry

GNSS-R）全天候、被动接收的特点使其具有探测蒸发波导的应用潜力，然而岸基GNSS-R探测的空间范围与蒸发波导高度密切相关，在中国近海复杂的蒸发波导环境下是否具备实用价值仍有待研究。因此，基于沿海气象观测站实测数据以及欧洲中期天气预报中心发布的海水表面温度数据，采用蒸发波导预测模型与GNSS-R蒸发波导探测范围模型，系统分析了GNSS-R探测蒸发波导的空间范围的时空分布特征。结果表明，基于中国沿海气象数据得到的GNSS-R探测蒸发波导的空间范围在UTC时间5时至7时达到峰值，至夜间逐渐降低并趋于稳定；季节变化方面，夏秋季平均探测范围最大，冬季最小，在蒸发波导的高发期和平静期，GNSS-R探测蒸发波导的空间范围的平均值分别为145 km和103 km；此外，地域地形差异对探测范围也有影响，辽东半岛以及海南岛西侧探测范围平均值均大于东侧，而台湾海峡作为蒸发波导的高发区域，其GNSS-R探测蒸发波导的空间范围明显大于周边海域。研究结果将扩展气象数据的应用领域，提高相关区域雷达探测效能，并且为通信提供干扰预警信息。

Abstract

Objectives

The evaporation duct has a significant impact on shore based radar

shipborne radar

and 5G communication due to its refractive effect. Global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) has the application potential of detecting evaporation duct due to the characteristics of all weather

passive reception and high spatial and temporal resolution. However

spatial range of GNSS-R detection of evaporation duct is closely related to the evaporation duct height

and whether it has practical value in complex evaporation duct environment near the coast of China still needs to be studied.

Methods

Thus

meteorological data measured from coastal meteorological observation stations and sea surface temperature released by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts are used to obtain the spatiotemporal distribution pattern of the spatial range of GNSS-R detection of evaporation duct

with the evaporation duct model and GNSS-R evaporation duct detection range model.

Results

The spatial range of GNSS-R detection of evaporation duct based on Chinese coastal meteorological data first increases and then decreases during the day. It reaches the maximum value from 5:00 to 7:00 UTC

and then gradually decreases and stabilizes at night. In terms of seasonal changes

the highest value is in summer and autumn

and the lowest value is in winter. The detection range of the Bohai Sea and the Yellow Sea are greatly affected by seasons

while the detection range of the East China Sea and the South China Sea is large and remains relatively stable throughout the year. Especially in the South China Sea

it can maintain a detection range of about 130 km throughout the year. Further analysis shows that during the high incidence period and the quiet period of the evaporation duct

the average spatial range of GNSS-R detection of the evaporation duct is 145 km and 103 km

respectively. In addition

regional differences have an influence on the detection range. For example

the average spatial range of GNSS-R detection of evaporation duct on the western side of Liaodong Peninsula and Hainan Island is greater than that on the eastern side. As a high incidence area for evaporation duct

the Taiwan Strait has a larger spatial range of GNSS-R detection of evaporation ducts than the surrounding waters.

Conclusions

The analysis results can expand the application areas of meteorological data

improve radar detection efficiency in relevant areas

and provide the warning information for communication.

关键词

Keywords

references

康士峰，张玉生，王红光 . 对流层大气波导［M］. 北京：科学出版社， 2014 ： 2 - 82 .

KANG Shifeng ， ZHANG Yusheng ， WANG Hongguang . Atmospheric Duct in Troposphere Environment ［M］. Beijing ： Science Press ， 2014 ： 2 - 82 .

焦林，张永刚 . 大气波导条件下雷达电磁盲区的研究［J］. 西安电子科技大学学报， 2004 ， 31 （ 5 ）： 815 - 820 .

JIAO Lin ， ZHANG Yonggang . Study of the Shadow Zone of the Radar in the Atmospheric Duct ［J］. Journal of Xidian University ， 2004 ， 31 （ 5 ）： 815 - 820 .

任朔 . 蒸发波导环境下的舰船雷达性能评估系统设计与实现［D］. 新乡：河南师范大学， 2022 .

REN Shuo . Design and Implementation of the Shipborne Radar Performance Evaluation System in the Evaporation Duct ［D］. Xinxiang ： Henan Normal University ， 2022 .

章晗，王红光，李建儒 . 一次大气波导过程天气雷达超视距海面回波分析［J］. 电波科学学报， 2022 ， 37 （ 3 ）： 505 - 511 .

ZHANG Han ， WANG Hongguang ， LI Jianru . Analysis on Trans-Horizon Sea Echoes of Weather Radar Within an Atmospheric Duct Process ［J］. Chinese Journal of Radio Science ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 505 - 511 .

YU H X ， LIAO C ， FENG J ， et al . Analysis of Radar Target Scattering Echo with Surface Ducting in Large-Scale Environments Based on the PE-MoM Hybrid Method ［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters ， 2023 ， 22 （ 9 ）： 2295 - 2299 .

ZHOU T ， SUN T Y ， HU H L ， et al . Analysis and Prediction of 100 km-Scale Atmospheric Duct Interference in TD-LTE Networks ［J］. Journal of Communications and Information Networks ， 2017 ， 2 （ 1 ）： 66 - 80 .

YANG C ， GUO L X . Inferring the Atmospheric Duct from Radar Sea Clutter Using the Improved Artificial Bee Colony Algorithm ［J］. International Journal of Microwave and Wireless Technologies ， 2018 ， 10 （ 4 ）： 437 - 445 .

WANG Y Z ， CHEN Y ， ZHOU T ， et al . A Traceable Approach to Remote Interference Management for New Radio ［C］// IEEE International Conference on Communications Workshops ， Shanghai， China ， 2019 .

LIU F F ， PAN J X ， ZHOU X W ， et al . Atmospheric Ducting Effect in Wireless Communications： Challenges and Opportunities ［J］. Journal of Communications and Information Networks ， 2021 ， 6 （ 2 ）： 101 - 109 .

WEI M S ， XIE W L ， ZHANG G H . Research Based on Remote Interference Management ［C］// International Wireless Communications and Mobile Computing ， Harbin， China ， 2021 .

赵飞龙 . 5G大气波导干扰形成条件及其规避方法研究［J］. 电波科学学报， 2021 ， 36 （ 1 ）： 109 - 115 .

ZHAO Feilong . Forming Interference of Atmospheric Duct in 5G and Avoid Method ［J］. Chinese Journal of Radio Science ， 2021 ， 36 （ 1 ）： 109 - 115 .

董浩，宋亮，化存卿，等 . 海上通信技术发展与研究综述［J］. 电信科学， 2022 ， 38 （ 5 ）： 1 - 17 .

DONG Hao ， SONG Liang ， HUA Cunqing ， et al . Survey of the Research and Development on the Maritime Communication Technology ［J］. Telecommunications Science ， 2022 ， 38 （ 5 ）： 1 - 17 .

张玉生，郭相明，赵强，等 . 大气波导的研究现状与思考［J］. 电波科学学报， 2020 ， 35 （ 6 ）： 813 - 831 .

ZHANG Yusheng ， GUO Xiangming ， ZHAO Qiang ， et al . Research Status and Thinking of Atmospheric Duct ［J］. Chinese Journal of Radio Science ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 813 - 831 .

FOUNTOULAKIS V ， EARLS C . Duct Heights Inferred from Radar Sea Clutter Using Proper Orthogonal Bases ［J］. Radio Science ， 2016 ， 51 （ 10 ）： 1614 - 1626 .

JI H J ， YIN B ， ZHANG J P ， et al . Joint Inversion of Evaporation Duct Based on Radar Sea Clutter and Target Echo Using Deep Learning ［J］. Electronics ， 2022 ， 11 （ 14 ）： 2157 .

JESKE H . State and Limits of Prediction Methods of Radar Wave Propagation Conditions over Sea ［C］// Modern Topics in Microwave Propagation and Air-Sea Interaction ， Dordrecht， Netherlands ， 1973 .

PAULUS R A . Practical Application of an Evaporation Duct Model ［J］. Radio Science ， 1985 ， 20 （ 4 ）： 887 - 896 .

MUSSON-GENON L ， GAUTHIER S ， BRUTH E . A Simple Method to Determine Evaporation Duct Height in the Sea Surface Boundary Layer ［J］. Radio Science ， 1992 ， 27 （ 05 ）： 635 - 644 .

BABIN S M ， YOUNG G S ， CARTON J A . A New Model of the Oceanic Evaporation Duct ［J］. Journal of Applied Meteorology ， 1997 ， 36 （ 3 ）： 193 - 204 .

FREDERICKSON P ， DAVIDSON K ， GOROCH A . Operational Bulk Evaporation Duct Model for MORIAH Version 1.2 ［R］. Monterey， USA ： Naval Postgraduate School ， 2000 .

FAIRALL C W ， BRADLEY E F ， HARE J E ， et al . Bulk Parameterization of Air–Sea Fluxes： Updates and Verification for the COARE Algorithm ［J］. Journal of Climate ， 2003 ， 16 （ 4 ）： 571 - 591 .

刘成国，黄际英，江长荫，等 . 用伪折射率和相似理论计算海上蒸发波导剖面［J］. 电子学报， 2001 ， 29 （ 7 ）： 970 - 972 .

LIU Chengguo ， HUANG Jiying ， JIANG Changyin ， et al . Modeling Evaporation Duct over Sea with Pseudo-Refractivity and Similarity Theory ［J］. Acta Electronica Sinica ， 2001 ， 29 （ 7 ）： 970 - 972 .

杨坤德，史阳，马远良，等 . 近海面蒸发波导理论模型与特性［M］. 北京：电子工业出版社， 2022 ： 31 - 96 .

YANG Kunde ， SHI Yang ， MA Yuanliang ， et al . Theoretical Model and Characteristics of Evaporation Waveguide near the Sea Surface ［M］. Beijing ： Publishing House of Electronics Industry ， 2022 ： 31 - 96 .

陈莉 . 中国近海大气波导的统计特征分析及演变机理的数值研究［D］. 青岛：中国海洋大学， 2010 .

CHEN Li . Statistical Characteristics Analysis of Atmospheric Ducts over China Seas and Numerical Modeling Study on Their Evolution Mechanism ［D］. Qingdao ： Ocean University of China ， 2010 .

YANG K D ， ZHANG Q ， SHI Y ， et al . On Analy-zing Space-Time Distribution of Evaporation Duct Height over the Global Ocean ［J］. Acta Oceanologica Sinica ， 2016 ， 35 （ 7 ）： 20 - 29 .

YANG S B ， LI X F ， WU C ， et al . Application of the PJ and NPS Evaporation Duct Models over the South China Sea （SCS） in Winter ［J］. PLoS One ， 2017 ， 12 （ 3 ）： e0172284 .

GUO X M ， ZHAO D L ， ZHANG L J ， et al . A Comparison Study of Sensitivity on PJ and NPS Models in China Seas ［J］. Journal of Ocean University of China ， 2019 ， 18 （ 5 ）： 1022 - 1030 .

吴学睿，宋少辉，马文骁，等 . 典型水循环参数星载GNSS-R/SoOP-R遥感探测的研究现状［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 1 - 14 .

WU Xuerui ， SONG Shaohui ， MA Wenxiao ， et al . A Review of GNSS-R/SoOP-R for Essential Hydrological Climate Variables Detection ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 1 - 14 .

王峰，李建强，杨东凯，等 . “吉林一号”宽幅01B卫星GNSS-R数据风速反演研究［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 56 - 67 .

WANG Feng ， LI Jianqiang ， YANG Dongkai ， et al . Wind Speed Retrieval Using GNSS-R Data from “Jilin-1” Kuanfu-01B Satellite ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 56 - 67 .

贾燕，金双根，肖智宇，等 . 全球导航卫星系统反射测量土壤水分遥感：现状与机遇［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2023 ， 48 （ 11 ）： 1784 - 1799 .

JIA Yan ， JIN Shuanggen ， XIAO Zhiyu ， et al . Soil Moisture Remote Sensing Using Global Navigation Satellite System-Reflectometry： Current Status and Opportunity ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2023 ， 48 （ 11 ）： 1784 - 1799 .

郑南山，何佳星，丁锐，等 . 基于轨迹聚类的GNSS-IR多系统组合土壤湿度估计方法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 37 - 46 .

ZHENG Nanshan ， HE Jiaxing ， DING Rui ， et al . A GNSS-IR Multi-system Combination Soil Moisture Estimation Method Based on Track Clustering ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 37 - 46 .

张双成，郭沁雨，马中民，等 . 星载GNSS-R反演土壤湿度研究进展与思考［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 15 - 26 .

ZHANG Shuangcheng ， GUO Qinyu ， MA Zhongmin ， et al . Research Advances and some Thoughts on Soil Moisture Retrieval by Space-Borne GNSS-R ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 15 - 26 .

刘善伟，梁承佳，万玮，等 . 一种考虑地形影响的GNSS-IR冻土冻融形变监测方法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 77 - 89 .

LIU Shanwei ， LIANG Chengjia ， WAN Wei ， et al . A New GNSS-IR Method to Monitor Permafrost Freeze-Thaw Deformation Considering the Terrain Effect ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 77 - 89 .

魏涛，韩磊 . 星载GNSS-R技术在地表冻融判别中的应用［J］. 北京测绘， 2025 ， 39 （ 11 ）： 1688 - 1694 .

WEI Tao ， HAN Lei . Application of Spaceborne GNSS-R Technology in Surface Freeze-Thaw Identification ［J］. Beijing Surveying and Mapping ， 2025 ， 39 （ 11 ）： 1688 - 1694 .

叶世榕，罗歆琪，南阳，等 . 一种改进的星载GNSS-R卷积神经网络海冰检测方法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 90 - 99 .

YE Shirong ， LUO Xinqi ， NAN Yang ， et al . An Improved Sea Ice Detection Method Based on Spaceborne GNSS-R Using CNN ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 90 - 99 .

曾棋，张胜凯，龚力，等 . 基于GNSS-IR技术的南极海冰积雪深度反演研究［J］. 测绘地理信息， 2024 ， 49 （ 3 ）： 14 - 18 .

ZENG Qi ， ZHANG Shengkai ， GONG Li ， et al . Research on Inversion of Antarctic Sea Ice Snow Depth Based on GNSS-IR Technology ［J］. Journal of Geomatics ， 2024 ， 49 （ 3 ）： 14 - 18 .

邓攀，王泽民，安家春，等 . 利用小波分解的GNSS-R雪厚反演改进算法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2021 ， 46 （ 6 ）： 863 - 870 .

DENG Pan ， WANG Zemin ， AN Jiachun ， et al . An Improved Algorithm Based on Wavelet Decomposition to Retrieve Snow Depth Using GNSS-R Signals ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2021 ， 46 （ 6 ）： 863 - 870 .

邓垦，周佩元，杜兰，等 . 多系统单频紧组合GNSS-R测高方法［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2024 ， 49 （ 1 ）： 146 - 155 .

DENG Ken ， ZHOU Peiyuan ， DU Lan ， et al . GNSS-R Altimetry Method with Multi-System Single-Frequency Tight Integration ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2024 ， 49 （ 1 ）： 146 - 155 .

刘文 . 低成本GNSS浮标数据解算方法及海面高观测精度分析［J］. 北京测绘， 2025 ， 39 （ 10 ）： 1448 - 1454 .

LIU Wen . Low-Cost GNSS Buoy Data Calculation Method and Sea Surface Height Observation Accuracy Analysis ［J］. Beijing Surveying and Mapping ， 2025 ， 39 （ 10 ）： 1448 - 1454 .

LOWRY A R ， ROCKEN C ， SOKOLOVSKIY S V ， et al . Vertical Profiling of Atmospheric Refractivity from Ground-Based GPS ［J］. Radio Science ， 2002 ， 37 （ 3 ）： 13-1- 13 - 19 .

王波 . 基于雷达杂波和GNSS的大气波导反演方法与实验［D］. 西安：西安电子科技大学， 2011 .

WANG Bo . Method and Experiment of Atmospheric Ducts Estimation Using Radar Clutter and GNSS ［D］. Xi’an ： Xidian University ， 2011 .

ZHANG J P ， WU Z S ， WANG B ， et al . Modeling Low Elevation GPS Signal Propagation in Maritime Atmospheric Ducts ［J］. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics ， 2012 ， 80 ： 12 - 20 .

祁永强，张波，杨东凯，等 . 机载GNSS海洋反射信号的建模与仿真［J］. 北京航空航天大学学报， 2017 ， 43 （ 3 ）： 567 - 572 .

QI Yongqiang ， ZHANG Bo ， YANG Dongkai ， et al . Modeling and Simulation of Airborne GNSS Ocean Reflection Signal ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， 2017 ， 43 （ 3 ）： 567 - 572 .

LI B W ， ZHANG B ， YU Y Q ， et al . A Random Model and Simulation for Generating GNSS Ocean Reflected Signals ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2019 ， 16 （ 7 ）： 1036 - 1040 .

刘黎军，夏俊明，白伟华，等 . 蒸发波导对GNSS海面反射信号有效散射区域的影响［J］. 地球物理学报， 2019 ， 62 （ 2 ）： 499 - 507 .

LIU Lijun ， XIA Junming ， BAI Weihua ， et al . Influence of Evaporation Duct on the Effective Scattering Region of GNSS Reflected Signals on the Sea Surface ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2019 ， 62 （ 2 ）： 499 - 507 .

LIU X Z ， CAO Y H ， WU Z S ， et al . Inversion for Inhomogeneous Surface Duct Without a Base Layer Based on Ocean-Scattered Low-Elevation BDS Signals ［J］. Remote Sensing ， 2021 ， 13 （ 19 ）： 3914 .

张瑜 . 电磁波空间传播［M］. 西安：西安电子科技大学出版社， 2007 ： 104 - 106 .

ZHANG Yu . Electromagnetic Wave Propagation in Space ［M］. Xi'an ： Xidian University Press ， 2007 ： 104 - 106 .

YANG N ， SONG D ， SU D B ， et al . The Influence of Sea Surface Temperature from ECMWF Reanalysis Data on the Nonuniformity of Evaporation Duct ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2024 ， 21 ： 1503805 .

BAI W H ， XIA J M ， ZHAO D Y ， et al . GREEPS： An GNSS-R End-to-End Performance Simulator ［C］// IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium ， Beijing， China ， 2016 .

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