对流层

对流层，源自英语中“Troposphere”的字首，其词根源于希腊语的“Tropos”，意为“旋转”或“混合”。这一层是大气层中湍流最为频繁的一层，同时也是唯一一层会出现天气现象的层次。为了保障飞行安全，喷射客机大多会选择穿越这一层，避开可能影响飞行安全的气流。

概述部分，我们了解到对流层中气温随高度升高而降低，每上升100米，气温大约降低0.65℃。由于地表的影响，气象要素如气温、湿度等在水平分布上表现出不均匀的特点。这一层次中的空气既有规则的垂直运动，也有无规则的乱流混合，上下层之间发生着水气、尘埃、热量的交换混合。因为90%以上的水气集中在对流层，所以云、雾、雨、雪等众多的天气现象都发生在这里。

在对流层中，从地面到1至2千米的层次受到地面起伏、干湿、冷暖的强烈影响，被称为摩擦层或大气边界层。摩擦层以上受地面状况影响较小，被称为自由大气。对流层与其上的平流层之间存在一个过渡层，称为对流层顶，厚度约为几百米到2千米。对流层顶附近的气温随高度变化的特点是对垂直运动有强烈的阻挡作用。

关于对流层的压力结构，随着高度的增加，压力会下降。这是因为位于地表上的空气被其之上的所有空气压着，而在高处，空气被较少的空气压着，因此气压随之递减。气温方面，在对流层中，高度每上升1公里，气温平均下降摄氏6.49度。这种气温递减是由于绝热冷却的出现。当空气上升时，气压下降，空气随之扩张，导致气温下降。

对流层顶是对流层与平流层的边界，其高度会随季节和纬度有所变化。在赤道附近高度较高，约17公里；而在极地附近则较低，约9公里；平均高度大约离地11公里左右。长途客机通常在这个高度飞行。

在大气环流方面，大规模的气流运动基本结构保持稳定。地球上的风带和湍流由三个对流环流推动：哈得莱（低纬度）环流、费雷尔（中纬度）环流以及极地环流。这三个对流环流带动盛行风，并将热能从赤道传递到极地。

由于对流运动显著且富含水汽和杂质，对流层的天气现象复杂多变。如雾、雨、雪等与水相变有关的天气现象都集中在这一层。

在物质组成方面，对流层包含氮（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）、氢氧根（OH-）等成分。

关于对流层的传播方式，主要包括大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射等。这些传播方式在气象学和通信领域中都具有重要的意义。对流层是大气层中最为活跃和复杂的层次，充满了变幻莫测的天气现象，也正是这些现象让我们的生活更加丰富多彩。对流层传播，涵盖了多种传播方式和频段。从传播范围来看，视距传播、超视距传播以及地空传播等各具特色。其中，地空传播可纳入视距传播的范畴。而无论是哪种传播方式，都受到对流层和地面复杂因素的影响。超短波和微波等频段的无线电波，既可以进行视距传播，也能实现超视距传播。而对流层传播的研究与通信技术的发展紧密相连。

二战后，随着通信需求的日益增长，尤其是多路通信的需求，对流层散射传播机制逐渐被揭示。这一发现不仅催生了对流层散射通信，还引领了电离层散射通信和流星余迹通信的发展。卫星通信的兴起及其后续发展，更是推动了地空传播在高频段的研究进展。值得一提的是，对流层传播与其特性息息相关，二者的研究相互促进。例如，对流层探测技术的不断进步，为对流层传播研究提供了有力支持。雷达系统，尤其是精密雷达，广泛采用对流层传播，特别是视距传播。微波和毫米波遥感技术也融入对流层传播的研究之中。

毫米波因其显著的技术优势在实际应用中备受瞩目，对流层传播的研究正逐渐向毫米波领域扩展。对流层散射传播不仅是对流层散射通信的技术基石，也是实现超视距传输的关键。其适中的传输容量、性能及可靠度，特别是其强大的抗核爆能力，使对流层散射传输系统在众多传输系统中占据不可替代的位置。

回溯我国的发展历程，早在20世纪50年代就开始了对流层散射传播机理的研究。张明高院士在这一领域做出了突出贡献。基于他的理论研究成果，我国成功研制了对流层散射通信系统。张明高院士全面分析了国内外对流层散射传播的理论和实验结果，提出了广义散射截面理论模型，并基于此模型系统地研究了各种传播特性。他提出的传输损耗统计预测模式被广泛应用于国内的对流层散射通信系统设计，并被国际无线电咨询委员会（现ITU R）采纳。进入80年代，张明高院士进一步深入研究，提出了全球适用的对流层散射传输损耗统计预测方法，这一方法得到全球同行的公认，并替代了国际上沿用了20多年的美国NBS方法。他的贡献为我国的对流层散射通信发展奠定了坚实的基础。

对流层传播的研究不仅是科技进步的推动力，也是通信领域持续发展的重要支撑。随着技术的不断进步和研究的深入，对流层传播的应用将更加广泛，其在通信领域的作用将更加凸显。