陳文廣，李 偉，孫 健

（中國白城兵器試驗中心，吉林 白城137001）

目前我國現(xiàn)行的炮兵標準氣象條件是借用“蘇聯(lián)”標準，該標準的基礎氣象數(shù)據(jù)無論在獲取時間上還是地理位置上都與我國實際情況相差甚遠，已不適應我國外彈道發(fā)展的需要。從上世紀80年代開始，不斷有文獻提出修訂意見［1－3］，但由于以往我國氣象探空站點少，積累的氣象資料相對匱乏，修訂方法一直沒有確定，影響了我國火炮實際射擊精度，也不滿足最大彈道高度的需求。近些年我國探空站進行了整體布局，獲取了豐富的30km以下的氣象數(shù)據(jù)，具備了修訂我國炮兵標準氣象條件所必需的基礎數(shù)據(jù)。

1 我國現(xiàn)行炮兵標準氣象條件的局限性

1.1 我國炮兵標準氣象條件

我國炮兵標準氣象條件分為地面標準值及隨高度變化的標準分布規(guī)律［3］，標準分布規(guī)律將30km以下的大氣分成3層，對流層、亞同溫層和同溫層［2－4］。該標準考慮空氣中含有水蒸汽，引入虛溫τ的概念，并用它代替氣溫T［5］。氣壓采用等溫大氣模型，即某一氣壓層的溫度假定不隨高度變化。而對于30km以上的大氣，一般使用國際標準氣象條件。目前我國各軍兵種還沒有統(tǒng)一的標準氣象條件，這不利于外彈道設計、氣動力計算等方面的理論的嚴密性和數(shù)據(jù)的準確性，更不利于多兵種協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展的需要。

1.2 氣壓模型不符合實際大氣

大氣氣壓和溫度具有相關性，溫度隨高度線性遞減的大氣，稱為多元大氣。溫度的垂直遞減率為

式中：Tb和Hb分別是相應大氣層的溫度和高度下限值，帶下標b的量是與相應大氣層下限有關的特性值。在多元大氣中，氣壓隨高度變化與溫度的垂直遞減率有關，溫度隨高度遞減得快，氣壓隨高度遞減得也快，令H－Hb＝Hz，依據(jù)大氣靜力學方程和理想氣體定律，氣壓公式為

式中：R為空氣的氣體常數(shù)。因氣溫和氣壓都是高度的函數(shù)，對式（3）的Hz進行求導，可以得到：

如果當γ＝0時，某一大氣層氣溫不隨高度變化，則這一大氣層被稱為等溫大氣，假定大氣平衡遵循靜力學方程，等溫大氣氣壓隨高度按指數(shù)遞減，則多元大氣壓高式（3）簡化為等溫大氣壓高公式：

然而，實際大氣不存在γ＝0，所以上式中T是上下層溫度的平均值。氣壓是高度的函數(shù)，對式（5）的Hz進行求導，可以得到：

對比式（4）和式（6），變化同樣的高度，多元大氣模型的氣壓和等溫大氣模型的氣壓變化是不同的，尤其在低空段比較明顯。通過對青藏高原高空探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，采用多元大氣模型計算結果和實際探測統(tǒng)計結果相差非常小。而氣壓以100m厚度分層，基點pb隨高度的增加而變化，等溫大氣和多元大氣模型下的氣壓計算結果差別甚至可達100Pa左右。如果pb不變，分層厚度不斷增加，氣壓誤差會更大。

1.3 未考慮高空標準風場模型

由《GJB5601－2006中國參考大氣》統(tǒng)計表明，我國高空風隨高度變化很大，到60km左右的高空，部分地區(qū)風速可達到90m／s，而我國現(xiàn)用炮兵標準氣象條件規(guī)定風速為0。這對于精度要求很高的常規(guī)遠程彈箭來說，若假定高空平均風速為0，將會導致較大的修正誤差，這有違人們建立標準大氣的初衷［6］。

2 有關修訂我國炮兵標準氣象條件的研究現(xiàn)狀

關于修訂我國炮兵標準氣象條件方案的文獻很多，李臣明等建議在30km以下仍然采用原炮兵標準氣象條件，30km以上采用國際標準氣象條件［7］；王軍波等建議把現(xiàn)用炮兵標準氣象條件的溫度解析函數(shù)第一拐點設在16km，第二拐點設在19km［3］；王中原等分析并建議了建立我國炮兵高空標準氣象條件的方法［8］；趙建斌論證了高空氣象條件及其對彈箭彈道特性的影響分析［9］。以上所有的論證或研究僅僅是關于某一區(qū)域氣象條件的論述，還沒有系統(tǒng)研究全國氣象要素隨高度的變化規(guī)律，而且大部分是引用標準，統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)少，溫度解析函數(shù)拐點選擇混亂，對流層頂高度變化的地域或季節(jié)特點沒有被考慮，氣壓仍然沿用等溫大氣模型，和實際大氣差異較大。

基于我國現(xiàn)行炮兵標準氣象條件的局限性及有關單位對其修訂的研究現(xiàn)狀，本文提出了以下修訂方法并進行了應用驗證。

3 我國炮兵標準氣象條件的修訂方法

3.1 區(qū)域及站點的選擇

我國南北跨緯度近50°、東西跨經(jīng)度60°以上。南北溫差季節(jié)明顯、東西海拔高度差大。根據(jù)中國國家地理可以把中國分為北方、南方、西北和青藏4大區(qū)域，每個區(qū)域的氣候影響因素都不一樣。在我國地域內制定單一炮兵標準氣象條件，不利于實際射擊、外彈道研究和射表編擬的需要，為了各個軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)，以及彈箭飛行特性比較需要，需要制定出統(tǒng)一的、具有地域代表性的標準氣象條件，所以應根據(jù)我國多樣化需求修訂炮兵標準氣象條件。

目前我國共有地面氣象觀測站2 500個左右，高空氣象探測站124個左右，東部密集，西部稀疏，疏密相差懸殊。因此，必須考慮各個氣象站代表面積的“權重”問題，尤其是研究青藏高原炮兵標準氣象條件的時候，高空氣象探測站僅有26個，地面站卻多達156個，站點從海拔高度1km到4km以上都有分布。那么，在修訂炮兵標準氣象條件時，地面氣象觀測站選擇要合理，否則地面與高空氣象探測站的數(shù)據(jù)對接時，繪制的數(shù)據(jù)曲線可能出現(xiàn)不規(guī)則形狀，無法正確反映實際氣象條件變化規(guī)律。

3.2 地面標準值的計算

由于近地面層氣溫的日變化較大，需要在固定時間多次測量取平均值才具有代表性。目前我國氣象臺站一日進行24時次或4時次（8、14、20、2時）觀測地面氣溫。用地面平均氣溫來代替高空探測（12、24時）的地面氣溫的平均值，可以避免采用兩次高空探測的地面溫度給求取溫度垂直遞減率帶來偏差。

各地面氣象觀測站點海拔高度不同，為了便于統(tǒng)計和比較，通常是把各站的地面氣溫、氣壓修正到某一位勢高度上的氣溫和氣壓?？紤]海拔高度變化對氣溫存在影響，對不同的氣象站修正時選取同一溫度垂直遞減率［1］，其遞減率可以先選擇6.328×10－3，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計后，計算出統(tǒng)計地域的溫度垂直遞減率，再進行回歸統(tǒng)計，就會得到比較準確的地面值。

以往的研究都是依據(jù)大氣靜力平衡條件下的壓高公式，把各氣象探測站的地面氣壓值修正為海平面氣壓［1－5］。而我國東西海拔高度差大，如果把青藏高原氣壓修正到海平面氣壓，不考慮溫度垂直遞減率的變化，必定會帶來較大的誤差。所以，地面標準氣象條件的制定不一定非要修訂到同一海平面，可以根據(jù)實際需要，修訂到某一海拔高度的地面值。

3.3 溫度解析函數(shù)拐點的選擇

大部分文獻都說明了原蘇聯(lián)炮兵標準氣象條件中對流層頂高度不符合我國實際氣候環(huán)境。仍以青藏高原為例，統(tǒng)計資料表明，其對流層頂高度在夏季時高，冬季低，夏季在17km左右，冬季存在雙對流層頂現(xiàn)象，第一對流層頂在12km左右，第二對流層頂在17km左右［10］，根據(jù)累年實際溫度統(tǒng)計的結果，在12～20km高空形成一個過渡帶，所以在研究30km以下的青藏高原炮兵標準氣象條件時，溫度曲線擬合拐點應該分別設定在12km和20km左右是比較合理的。

3.4 氣壓模型的選擇

文獻［11］論證了由計算氣壓偏差而產(chǎn)生的射擊諸元誤差是不容忽視的。前文已經(jīng)說明了采用等溫大氣模型所帶來的誤差，尤其在低空段等溫大氣模型計算的氣壓和實際統(tǒng)計結果差異比較大，所以炮兵標準氣象條件應采用多元大氣模型，不僅要考慮溫度的垂直變化率，還要考慮氣壓基點的變化，弱化溫度和氣壓的相關性，由低向高逐層計算求得氣壓。

3.5 虛溫代替溫度

我國現(xiàn)用炮兵標準氣象條件假定空氣是不干潔的，國際上通用的標準大氣，假定空氣是干潔的，所以用虛溫代替溫度存在一些爭議。文獻［5］建議我國采用國際通用大氣標準，而由實際探空資料表明虛溫訂正值近地面一般最大，隨著高度增加而減小，同時也有文獻［11］研究證明在高溫、高濕的季節(jié)，濕度對射擊諸元的精度影響是比較大的，那么在修訂我國炮兵標準氣象條件時，尤其在近地面虛溫訂正值不能忽略，仍要采用虛溫代替溫度。

3.6 高空標準風場模型的統(tǒng)計方法

風向、風速是對風的一種描述，是具有相關性的同一體，不可分別獨立統(tǒng)計。應根據(jù)風向，把風分解成2個互相垂直的分量，對這兩個分量分別進行單獨統(tǒng)計。統(tǒng)計完成后再合成風速，計算出風向。

以我國海拔高度在1～3km的喀什、和田、芒崖等十幾個高空探測站為例，對它們2008年～2012年的L波段雷達的探空數(shù)據(jù)進行累年歷月統(tǒng)計，結果如圖1和圖2所示。圖中繪出了高度2～30km的風向D、風速vw的變化曲線，每一條曲線代表一個月份，共12個月?？梢钥闯?，風向風速在離開地面幾km后，呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。風的形成和風速大小、溫度梯度密切相關，影響因素多，因果關系復雜，很難從理論研究方面確立風場分布的數(shù)學模型，而采用統(tǒng)計學方法，對探測的不同時間、地域的氣象資料進行歸納分析，可以獲得風場數(shù)學模型。

圖1 風向隨高度變化圖

圖2 風速隨高度變化圖

3.7 30～80km數(shù)據(jù)獲取方法

《GJB366.1－87航空與航天用參考大氣》和《GJB5601－2006中國參考大氣》都統(tǒng)計了我國80km以下大氣特性參數(shù)隨緯度和季節(jié)的變化規(guī)律，但是用于炮兵標準氣象條件計算還是過于粗糙。我國在30～80km高度內溫度、濕度、氣壓、風和空氣密度的探空數(shù)據(jù)比較少，可供參考的有衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)、中國靶場參考大氣、北半球標準大氣、美國標準大氣、蘇聯(lián)標準大氣。對30～80km炮兵標準氣象條件制定，參考這些資料同時也要收集我國探空火箭和下投式探空儀的數(shù)據(jù)。雖然參考數(shù)據(jù)少，但是30km以上的大氣趨于平穩(wěn)，具有一定的規(guī)律性，可以以一定模型進行高度外推，求取30km以上氣象要素變化規(guī)律。

3.8 數(shù)據(jù)處理與對接方法

對于溫度、濕度、氣壓、風、空氣密度等要素，在相同的位勢高度上，采用歷年月統(tǒng)計、歷年年統(tǒng)計、累年月統(tǒng)計、累年年統(tǒng)計等多種統(tǒng)計方法，按高度繪制變化曲線，進行趨勢的分析及比較。對于統(tǒng)計結果的分布規(guī)律研究，可以通過函數(shù)逼近的方法來解決。根據(jù)求取的溫度、濕度、氣壓、風和空氣密度的平均數(shù)據(jù)，作為繪圖數(shù)據(jù)樣本點，基于繪圖曲線判斷出曲線拐點，通過最小二乘法等擬合方法，就可以擬合到有效的解析函數(shù)。

以目前的數(shù)據(jù)來看，地面到30km左右高度為實測數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)量多，而30km以上的數(shù)據(jù)多為反演、平滑和內插的數(shù)據(jù)。所以要保證在30km附近炮兵標準氣象條件中的兩種不同數(shù)據(jù)平滑連續(xù)，就要在20～30km形成過渡帶。根據(jù)經(jīng)驗，采用線性變化或加權平均等方法，可以使氣象要素曲線連續(xù)平滑。

4 修訂方法應用

4.1 說明

由于篇幅限制，本文僅以30km以下大氣層的高原氣象資料為例，應用以上方法，以海拔高度1～3km，3～5km為起始點，統(tǒng)計了高原溫度的變化規(guī)律。氣壓采用多元大氣模型，其溫度垂直遞減率采用統(tǒng)計的溫度隨高度變化規(guī)律的一次項系數(shù)近似求得。

4.2 地面海拔高度1～3km的氣象要素變化規(guī)律

1）地面值。τ＝19.42℃，pon＝794.09hPa，τ＝292.57K，ρon＝978.551g／m3，無風。

2）溫度τ隨海拔高度y（地面海拔高度1km以上）的分布規(guī)律。

當y≤11.8km時，有：

當11.8km≤y≤22km時，有：

當22km≤y≤30km時，有：

4.3 地面海拔高度3～5km的氣象要素變化規(guī)律

1）地面值。τ＝9.72℃，pon＝641.84hPa，τ＝282.87K，ρon＝813.0g／m3，無風。

2）溫度τ隨海拔高度y（地面海拔高度3km以上）的分布規(guī)律。

當y≤11.8km時，有：

當11.8km≤y≤22km時，有：

當22km≤y≤30km時，有：

5 結論

將某研究所以青藏高原標準層和特性層氣象資料為樣本而統(tǒng)計的溫度變化規(guī)律、前蘇聯(lián)炮兵標準氣象條件、實際統(tǒng)計溫度變化規(guī)律和本文擬合的溫度變化規(guī)律進行對比分析，如圖3和圖4所示。

從圖可以看出，通過本文提出的修訂方法得出的溫度變化曲線不僅平滑，與我國高原實際統(tǒng)計的溫度變化規(guī)律基本一致，也與某研究所統(tǒng)計的最新高原氣象要素變化規(guī)律有較高相似度，所以本文提出的修訂方法更具有科學性。由于氣壓和溫度具有相關性，通過多元大氣模型，以及溫度垂直遞減率即可計算氣壓變化規(guī)律，在此不再贅述。

圖3 地面海拔高度1～3km溫度變化對比分析圖

圖4 地面海拔高度3～5km溫度變化對比分析圖

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