趙世軍,代中華,陶　冶

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,南京 211101;2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.中國人民解放軍 73146部隊,福建 泉州 362300)

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氣象分層對地炮彈道虛溫偏差量計算的影響

趙世軍1,2,代中華1,陶冶3

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院,南京 211101;2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.中國人民解放軍 73146部隊,福建 泉州 362300)

為了研究不同彈道氣象分層方法對地炮彈道虛溫偏差量(BVTD)計算結(jié)果的影響,論述了炮兵彈道氣象分層方法,分析了目前研究中彈道分層方法存在的問題,基于實際探空資料計算了不同分層數(shù)量下的BVTD。結(jié)果表明:隨著彈道氣象分層數(shù)量的增加,最終BVTD將逐漸趨近于一理想值,當(dāng)彈道氣象分層數(shù)量達到20層時,BVTD即可達到與高空氣象探測一致的誤差水平;增加彈道氣層分層數(shù)量,將提高地炮BVTD的計算精度,有助于提高炮兵氣象保障的水平。

地炮;彈道虛溫偏差量;彈道氣象分層;氣層權(quán)重

火炮射擊中,氣象條件對射擊精度的影響較大,必須利用實時高空氣象資料計算彈道氣象條件,對彈道進行準確修正[1-4]。在地炮氣象保障中,需要計算地面虛溫、虛溫偏差量、氣壓偏差量,以及彈道上的虛溫偏差量和彈道風(fēng)[5]。目前的炮兵氣象保障,主要照搬20世紀50年代原蘇聯(lián)炮兵標準氣象條件、彈道氣象分層和數(shù)據(jù)處理方法,該方法主要是根據(jù)手工操作的要求制定的,分層數(shù)量少、資料利用率低、計算量小,基本滿足過去火炮小射程條件下的氣象保障要求。近年來,隨著火炮射程不斷增加、“首發(fā)命中”和“首群覆蓋”對炮兵提出了新的保障需求,同時,新型氣象要素傳感器、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測風(fēng)技術(shù)[6-7]等新型高空氣象探測技術(shù)的不斷發(fā)展,探空資料的精度和垂直分辨率得到極大提高,現(xiàn)有的保障方式已經(jīng)不能完全滿足信息化作戰(zhàn)的要求。因此,有必要對原有的炮兵氣象保障方式進行研究,提出適合新技術(shù)和新需求的新型炮兵氣象保障樣式[8-9]。

本文論述了炮兵彈道氣象分層方法,分析了目前工作中彈道分層方法存在的問題,通過實際探空資料,計算了不同分層數(shù)量下的彈道虛溫偏差量(ballistic virtual temperature deviation,BVTD),給出了適合現(xiàn)有炮兵氣象保障分層和偏差量計算的改進方法。由于篇幅所限,本文主要對地炮氣象保障中BVTD的計算方法進行研究。

1　地炮彈道氣象分層方法

地炮彈丸經(jīng)過各高度層的時間是不一樣的,彈丸經(jīng)過低層的時間短而經(jīng)過高層的時間長。彈丸經(jīng)過某氣層的相對時間越長,受氣象條件影響產(chǎn)生的射擊偏差也越大,反之就越小。因此,氣象條件對地炮射擊的影響程度基本與彈丸在該氣層內(nèi)飛行的時間成正比,即彈道氣層權(quán)重可近似用彈丸在該氣層內(nèi)的飛行時間與總飛行時間之比來表示。為了計算簡便,按真空彈道計算經(jīng)過時間并計算地炮近似氣層權(quán)重[10-11],通常有等厚度分層法和等權(quán)重分層法。

1.1等權(quán)重分層法

等權(quán)重分層法也稱之為相對高度法,即在分層時,根據(jù)相等的氣層權(quán)重將彈道分成厚度不等的若干氣層。在彈丸運動過程中,彈丸的相對高度為

(1)

式中:hall為彈丸的最大彈道高度,hcur為彈丸的當(dāng)前彈道高度。

則地面至hcur高度的氣層權(quán)重為

(2)

任一氣層的權(quán)重為

(3)

式中:i為分層序號,自地面向上依次為1,2,…,n,n為分層數(shù)量。

1.2等厚度分層法

等厚度分層法也稱為相對停留時間法,將彈道氣層分成厚度相等的若干層。則當(dāng)從最下一層算起時,任一氣層i的彈道氣層權(quán)重為

(4)

另外,在計算地炮彈道風(fēng)時,需要考慮空氣密度對彈丸的作用,計算彈道風(fēng)時通常采用等權(quán)重分層加空氣密度修正法[11],由于本文主要討論BVTD,這里略過。

2　目前業(yè)務(wù)中的BVTD計算方法

2.1目前常用的彈道氣象分層方法

根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗和作業(yè)習(xí)慣,通常采用等權(quán)重分層法。在計算彈道虛溫偏差量和彈道空氣密度偏差量時,彈道高度在3 km及其以下時,統(tǒng)一分為2層,3 km以上時,統(tǒng)一分為4層,并用氣層的中央氣層權(quán)重來表示該層的相對高度,彈道氣象分層高度采用幾何高度。

地炮彈道各氣層的權(quán)重對應(yīng)相對高度關(guān)系如表1所示。

表1　地炮彈道各層氣層權(quán)重對應(yīng)相對高度

表1中,以分2層為例,采用等權(quán)重分層法時,第1層和第2層的權(quán)重分別為0.5。對第1層,取氣層的中央氣層權(quán)重,則q1=0.25,代入式(2)或式(3),得R1=0.437 5;對第2層,取氣層的中央氣層權(quán)重,則q2=0.75,代入式(3),得R2=0.937 5。

2.2目前常用的BVTD計算方法

BVTD是指在彈道范圍內(nèi)各高度上實際虛溫與標準虛溫差值的加權(quán)平均值,采用如下方法進行計算[10-11]。

對某一彈道高度hall,有:

(5)

式中:ΔThall為該彈道高度內(nèi)的總的虛溫偏差量,Tv,i為第i層的實際虛溫值,Tv,h,i為第i層、該高度下的由炮兵標準氣象條件得到的標準虛溫值,n為分層數(shù)量,qi為第i層氣層占整個彈道氣層的權(quán)重。

當(dāng)采用等權(quán)重分層時,式(5)簡化為

(6)

計算地炮BVTD的步驟:①根據(jù)高空氣象探測數(shù)據(jù)中各高度氣層權(quán)重對應(yīng)的各分層代表高度上的氣溫、氣壓、相對濕度值,計算實際虛溫值;②查取炮兵標準氣象條件該高度上的標準虛溫值;③由實際虛溫值減去標準虛溫值,得到各分層代表高度的虛溫偏差量;④結(jié)合各氣層權(quán)重計算得到彈道總的BVTD。氣象業(yè)務(wù)中,計算機自動處理時,采用氣層權(quán)重對應(yīng)的實際高度進行計算;人工處理時,按氣層權(quán)重對應(yīng)的50 m規(guī)整后的高度進行計算。

2.3存在問題分析

以上炮兵氣象業(yè)務(wù)中BVTD的計算方法過程存在以下問題:

①高空探測資料數(shù)據(jù)利用率極低?，F(xiàn)有的高空探測資料,垂直分辨率已經(jīng)達到10 m以內(nèi),但在實際計算BVTD時,在整個彈道高度范圍內(nèi)有大量的氣象數(shù)據(jù),由于實際大氣條件千差萬別,僅僅以2層或4層氣層權(quán)重對應(yīng)高度上的氣象數(shù)據(jù)計算BVTD,顯然容易出現(xiàn)“以偏概全”的問題。

②實際大氣條件下,在要求的彈道高度范圍內(nèi),氣溫高度廓線在對流層內(nèi)隨高度線性遞減,但對流層頂?shù)母叨入S季節(jié)、地域、大氣狀況而變化,且在進入平流層,以及出現(xiàn)逆溫層、等溫層等天氣狀況時,就不可避免地出現(xiàn)氣層權(quán)重對應(yīng)高度的氣溫與該氣層的實際氣溫之間出現(xiàn)較大偏差;另外,高空大氣的相對濕度主要受云的類型、高度、厚度等影響,當(dāng)有云時,氣層權(quán)重對應(yīng)高度的相對濕度會因云內(nèi)、云外而出現(xiàn)突變;這些天氣條件都會使氣層內(nèi)代表高度的虛溫偏差值出現(xiàn)大幅波動,從而對總的BVTD造成影響。

③分層數(shù)量少導(dǎo)致各氣層較厚,如何準確確定該氣層內(nèi)的氣象要素代表值、計算準確的氣層虛溫偏差量就是一個難題。曾有研究發(fā)現(xiàn)[12],氣層氣象諸元代表值可采用6種不同取法,不同取法對射擊諸元精度影響很大,需要盡可能多地考慮各氣層內(nèi)的所有氣象要素對氣層虛溫偏差量的貢獻。

④由于現(xiàn)有的炮兵標準氣象條件存在諸多問題[13-16],與我國的實際大氣條件偏離較大,氣溫隨高度廓線并非呈線性變化,分層代表高度少時還會增大各氣層虛溫偏差量計算的隨機性,對最終BVTD的計算結(jié)果造成影響。

3　彈道氣象分層方法對BVTD計算的影響

3.1數(shù)據(jù)來源

本文采用GPS高空探測系統(tǒng)獲得的探空資料,該設(shè)備采樣時間間隔為1 s,氣球上升速度約為400 m/min,即觀測資料垂直分辨率小于10 m。采用資料為2008年5月底到7月中旬參加中國氣象局氣象探測中心組織實施的國產(chǎn)GPS探空儀動態(tài)考核試驗數(shù)據(jù)52組,包括在北京探空數(shù)據(jù)17組(站號:54 511,海拔高度:31 m,經(jīng)度:116.5°,緯度:39.8°)、內(nèi)蒙古錫林浩特探空數(shù)據(jù)25組(站號:54 102,海拔高度:1 004 m,經(jīng)度:116.1°,緯度:44.0°)、廣東陽江探空數(shù)據(jù)10組(站號:59 663,海拔高度:88 m,經(jīng)度:112.0°,緯度:21.8°)。3個站的海拔高度差異較大,涵蓋了從南到北較大緯度范圍,能在一定程度上代表我國夏季大氣的基本情況,分析結(jié)果能反映一般規(guī)律。

52組探空數(shù)據(jù)中的49組探空終止高度均在16 km以上。

3.2計算方法

通過對不同分層方法、不同彈道高度、天氣條件下溫偏隨分層數(shù)量變化的個例分析發(fā)現(xiàn):隨著分層數(shù)量的增加,BVTD逐漸收斂;分層數(shù)量越少,則BVTD值分散,分層數(shù)量越多,則BVTD越收斂;當(dāng)分層數(shù)量達到20層以上時,即使最大彈道高度達到16 km,其BVTD也趨于穩(wěn)定。因此,對一確定的彈道高度,不論采用哪種分層方法,其最終均收斂為同一值,可將該值看作該彈道高度下虛溫偏差量的理想值(理論真值);分層方法不會對BVTD理想值造成影響,但等權(quán)重分層法隨分層數(shù)量的增加收斂的速度更快,效果好于等厚度分層法。

鑒于不同分層方法對虛溫偏差量的理想值無影響,且等權(quán)重分層法效果好于等厚度分層法,目前工作中也是以等權(quán)重分層法求取虛溫偏差量,因此,采用等權(quán)重法進行計算。為了比較不同分層數(shù)量對結(jié)果的影響,分別選取目前業(yè)務(wù)分層數(shù)量、分10層、分20層進行計算,方法如下:

①分別求取以等權(quán)重分層法計算得到的、分2層到50層的每組探空數(shù)據(jù)對應(yīng)的各彈道高度下的彈道虛溫偏差量ΔTn,hall,l,其中,n是指彈道分層的數(shù)量,從分2層到50層;hall是指彈道高度,按目前的業(yè)務(wù)要求,彈道高度分別為:200 m,500 m,…,16 000 m,見表1;l為探空數(shù)據(jù)組數(shù),從1組到52組,若某彈道高度高于探空資料終止高度,則該探空資料不參與計算,探空有效數(shù)據(jù)個數(shù)為L。

②對某組探空資料,計算在某彈道高度下的BVTD理想值。對分41～50層計算的10個BVTD求均值,作為該彈道高度對應(yīng)的BVTD理想值:

(7)

③采用現(xiàn)有工作中的分層方法(等權(quán)重分層法下,3 km及其以下分2層,3 km以上分4層)、等權(quán)重分層法分10層、等權(quán)重分層法分20層,在同一彈道高度下,對全部探空數(shù)據(jù)在該彈道高度下的BVTD與BVTD理想值的差值分別求取均值和方差:

(8)

(9)

3.3計算結(jié)果分析

圖1　彈道虛溫偏差量與理想值差值的誤差棒狀圖

從圖1和表2可以看出:

①當(dāng)數(shù)據(jù)足夠多時,BVTD值與理想值差值的均值接近于零,但誤差值隨彈道高度的增加而增大;

②隨著彈道高度的上升,虛溫偏差量與理想值的偏差逐漸增大;

③從3種不同的氣層分層方法對比可以看出,等權(quán)重法分20層的虛溫偏差量計算精度要比等權(quán)重法分10層的高,分散小,而兩者的計算精度都比目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的分層方法的計算精度高;

④結(jié)果證明,增加分層數(shù)量有利于提高虛溫偏差量的計算精度。

表2　不同分層數(shù)量下BVTD值與理想值差值的均值和均方差

4　結(jié)論

炮兵武器裝備的發(fā)展對彈道氣象要素偏差量的計算精度提出了更高要求。目前常用的氣層分層方法由于提出年代早,已不能完全滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求,須增加分層數(shù)量,使用精確彈道氣層權(quán)重和其對應(yīng)高度,求取BVTD。在現(xiàn)有要求的炮兵彈道高度,當(dāng)氣層分層數(shù)量達到20層時,即可達到與高空探測誤差一致的理想值。

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Effect of Atmospheric Layering on Calculation of Virtual Temperature Deviation of Artillery Ballistics

ZHAO Shi-jun1,2,DAI Zhong-hua1,TAO Ye3

(1.Institute of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.No.73146 of PLA,Quanzhou 362300,China)

To study the effect of different ballistic-atmospheric-layering methods on the calculation of ballistic virtual temperature deviation(BVTD),the atmospheric layering methods of artillery ballistics were discussed,and the problems in current operations were analyzed.The BVTD under different layer-number was calculated by using the actual radiosonde data.The results show that the BVTD changes with the increase of ballistic layer number,and eventually it will approach an ideal value;when the number of BVTS reaches to 20 layers,the accuracy of BVTD can be equivalent to the accuracy of radiosonde.The accuracy of artillery BVTD can be improved with the increase of ballistic layer number,which will improve the capacity of artillery meteorological support.

artillery;ballistic virtual temperature deviation;ballistic atmospheric layering;atmospheric layer’s weight

2016-04-22

總裝備部預(yù)先研究項目

趙世軍(1976- ),男,副教授,研究方向為軍事大氣探測理論與技術(shù)。E-mail:general_zh@sina.com。

TJ301

A

1004-499X(2016)03-0030-05