王郁茗 邵利民 張尚悅

(1.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學院軍事航海系 大連 116018)

艦船海上氣象信息探測現(xiàn)狀研究

王郁茗1邵利民1張尚悅2

(1.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學院軍事航海系 大連 116018)

海面的氣象條件對艦船出航執(zhí)行軍事行動與非戰(zhàn)爭軍事行動至關重要,然而艦船海上探測手段受制于常規(guī)方法和儀器設備的局限性而存在諸多現(xiàn)實問題。論文通過研究艦船海上氣象信息探測現(xiàn)狀,分析總結出目前艦船氣象業(yè)務主要有探測高度低、極度依賴陸基保障平臺、實時性差和存在安全保密隱患等問題,極大地影響了艦船中遠海執(zhí)行任務能力。最后基于新興的GNSS氣象學提出應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在艦船上反演海上氣象信息,對艦船未來海上探空手段作展望研究。

艦船; 氣象信息; 探空技術; GNSS氣象學; 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

Class Number TN959.4

1 引言

氣象信息包括氣溫、濕度、氣壓和風等要素,而海面的氣象條件對艦船出航執(zhí)行軍事行動與非戰(zhàn)爭軍事行動有至關重要的影響,包括艦船航行安全、海上通信以及艦載武備使用等。地基探空技術設備發(fā)展成熟多樣,包括無線電探空技術、水汽輻射計探測以及雷達探測等。然而艦船海上氣象部門在應用時存在一定局限性,尤其在深遠海的氣象信息獲取上存在諸多現(xiàn)實問題。本文研究艦船海上氣象信息的探測現(xiàn)狀,分析探究艦船氣象探測業(yè)務存在的不足,并展望艦船未來海上氣象探測新技術。

2 常規(guī)氣象信息探測裝備現(xiàn)狀

氣象信息隨時間和空間變化,其觀測記錄是數(shù)值天氣預報、天氣氣候分析和有關科學研究的基本資料。空中氣象信息的探測通常有很多種手段,其中包括無線電探空技術、水汽輻射計探測以及雷達探測等[1～4]。下面對各種常規(guī)探空技術作分析比較。

無線電探空技術。是目前氣象觀測業(yè)務中探測高空溫度、壓力、濕度和水汽含量等要素最常用的方法。通過施放探空氣球,采集高空大氣的風、溫度、氣壓和濕度等觀測數(shù)據(jù),通過一定方法算出探空高度之內的大氣水汽總量及其垂直分布廓線。其缺點是探空成本較高,探空站分布稀疏,且一般僅進行早晚兩次探測,不足以分辨水汽的時空連續(xù)變化,無法很好地監(jiān)測劇變天氣過程。

水汽輻射計。是目前探測大氣水汽最精確的一種基本設備,在GNSS測量中廣泛用于信號路徑延遲修正。其在海面上可降水量的探測精度很高,在2mm～5mm。而其缺點是在有濃厚云層時穿透能力下降,特別是有降水發(fā)生時更會產(chǎn)生較大誤差,且由于價格昂貴,其廣泛應用受到限制。

雷達探測。Raman激光雷達可探測大氣中水汽的詳細分布,新一代多普勒天氣雷達還可探測垂直方向的液態(tài)含水量。缺點是探測成本高,難以應用于大范圍、全天候、常規(guī)探測,且需經(jīng)常標定。

衛(wèi)星觀測。是目前氣象觀測業(yè)務中的主要輔助探測手段,氣象衛(wèi)星上的紅外分光計和微波輻射計也有獲取氣象要素的能力。缺點是探測垂直分辨率有限,反演精度不高,相對誤差約30%,且紅外技術僅在無云區(qū)才能有效反演氣象要素,不能得到云中和云層下方的氣象信息。微波探測的空間分辨率也達不到中尺度探測要求。

地面濕度計觀測。是氣象業(yè)務中觀測地面大氣濕度的一種常規(guī)方法。由于測量的僅是近地層(2m以內)空氣中水汽的狀況,不能很好地反映高空大氣以及整層大氣的濕度信息,對預報劇變天氣的作用非常有限。

其它探空技術。除以上幾種探空技術外,還有應用飛機探測、激光探測及太陽光譜分析儀探測等,這些探測技術目前發(fā)展并不成熟,且受環(huán)境等因素干擾較大,只是常規(guī)探空技術的輔助手段。

綜上所述,常規(guī)的探空技術探測氣象要素能力單一且費用昂貴,部分探測手段精度不足,探測高度較低。且一般在陸地上進行,而在全球70%以上的海洋區(qū)域,氣象資料極為匱乏,即使在陸地,探空觀測的空間分辨率和時間分辨率仍不能滿足需求。以上手段不能為艦船遠洋航行的軍事與非軍事任務提供滿意的預報服務。

3 艦船海上氣象觀測業(yè)務現(xiàn)狀

3.1 艦載常規(guī)氣象信息獲取儀器

艦船常規(guī)氣象要素測算儀器包括船舶氣象儀、三杯風速儀、干濕球濕度計、能見度儀、空盒氣壓表和無線氣象傳真接收機等。其中船舶氣象儀和無線氣象傳真接收機最為常用。

船舶氣象儀?？蛇B續(xù)實時測量、觀測所在海域的氣象要素如風向風速、溫度濕度、大氣壓力等,能夠為船舶航行提供實時、連續(xù)的氣象服務[5]。能自動完成多種氣象參數(shù)的采集、計算、編輯、顯示和傳輸功能,具有集成度高、體積小、功能強、可靠性高的特點。一般的艦船上,航海部門借助于船舶氣象儀觀察現(xiàn)場的風等主要要素為航海服務。對于一些有海測任務的特殊艦船,不但在航海上需要借助于船舶氣象儀來觀察了解氣象要素,而且借助船舶氣象儀還能進行海洋氣象方面的調查工作,積累氣象要素的歷史資料,并應用于工業(yè)、軍事等領域。雖然船舶氣象儀能夠對海洋氣象環(huán)境作基本的測算,但僅能觀測到甲板上距海面20m～30m高處的要素信息,無法對整個對流層及航路上氣象要素的空間分布狀況有全面了解和掌握,因此對于艦船所在海域全局。

無線氣象傳真機。在艦船上主要用于接收天氣圖和氣象衛(wèi)星云圖傳真信號,目前氣象傳真廣播的覆蓋范圍幾乎遍及全世界海洋。帶有短波收信裝置的氣象傳真接收機,外接短波天線即可正常工作,短波收信裝置含有鎖相環(huán)頻率合成器組成的超外差接收系統(tǒng)。采用記憶系統(tǒng)存貯國內外現(xiàn)有的數(shù)百個無線短波氣象廣播電臺的頻率,通過頻道開關選擇接收。目前艦載的氣象傳真機體積大,只能接收紙質版氣象傳真圖。接收頻道依據(jù)艦船航行的不同海域接收周邊國家廣播的氣象傳真信號,尤其當艦船于遠海航行執(zhí)行軍事任務時,只能接收它國氣象傳真信號,存在嚴重安全隱患。此種手段極其依賴陸基保障平臺,導致艦船缺乏自主氣象探測預報能力。

3.2 艦員目力觀測

目力觀測是航海氣象學中最原始也是最直接的觀測手段。艦員根據(jù)歷史觀測經(jīng)驗,主要對海面能見度、海面上空云狀、云量和云高以及風向、風力作以觀測記錄,這些氣象環(huán)境將直接或間接影響艦船的安全航行和武備使用。海面能見度是正常目力所能見到的最大水平距離,主要影響著艦船的安全航行,其按照能見距離的大小劃分0～9共十個等級,霧是影響海面能見度最主要的因子,其他如沙塵暴、煙、雨、雪和低云也能使能見度變得惡劣[6]。海面上空有些云的出現(xiàn)會直接引起強烈的陣風、雷雨、冰雹、龍卷或低能見度等惡劣天氣,會給艦船安全航行和艦載武備使用帶來嚴重危害。海面上的風會引起海浪和海流,會對艦船運動產(chǎn)生巨大影響。在大風浪中航行會造成艦船嚴重失速,甚至停滯不前,螺旋槳可能露出水面空轉,使主機負荷變而受損。通過觀察海面上的氣象環(huán)境可短期內對接下來的天氣狀況作簡單推測,但海面上空環(huán)境復雜多變,此種手段準確度不高,且無法定量觀測。

3.3 具有獨立氣象業(yè)務部門艦船探空手段

通過常規(guī)釋放氣球的無線電探空作業(yè)可得到氣象要素的垂直分布廓線,但這種手段在大部分艦船上都無法實施。具有獨立氣象業(yè)務部門的艦船,可以進行放球探空觀測大氣環(huán)境信息,但是這種手段也有其明顯的局限性:

1) 實時性差。放球無線電探空作業(yè)只能定時開展,無法實現(xiàn)24小時連續(xù)大氣監(jiān)測,難于精準反映水汽、氣溫等要素的變化。

2) 垂直結構氣象要素探測時刻不一致。由于氣球運動到對流層頂需要時間,位置也會發(fā)生漂移,其測得的大氣參數(shù)是氣球運動過程時間內的情況,低層到高層有時間間隔,非同一時刻的大氣狀況。

3) 觀測范圍有限。傳統(tǒng)探空觀測方法其觀測范圍有限,只能達到對流層頂?shù)母叨?無法實現(xiàn)對平流層以上的高層大氣進行探測。

4) 探測成本高。探空觀測本身成本較高,需占用艦上有限的空間。氣球和探空儀只能一次性應用,無法回收,大大提高了觀測成本,還須有專門放置探測設備和充氫氣體的艙室,占用了艦上有限空間。

5) 安全保密性差。探空氣球填充的是易燃易爆氣體,對艦船自身的安全影響較大,另外放球并用雷達跟蹤探空儀這種作業(yè)本身易暴露目標,不適用于作戰(zhàn)時的應用。

綜上所述,受氣象要素獲取能力的限制,即便艦船具有獨立的氣象業(yè)務部門,有較完善的氣象信息接收和業(yè)務平臺,也無法在其航行海域及航路上進行實時的精細化氣象保障。大部分艦船的保障能力更加有限,對近岸氣象保障的依賴性非常大,極大地影響了艦船中遠海執(zhí)行任務能力,由此海戰(zhàn)場大氣環(huán)境保障的構建和武器裝備性能發(fā)揮的評估等方面的研究也就無從談起,進而影響了艦船安全航行及海戰(zhàn)場綜合作戰(zhàn)能力。

4 基于GNSS探測氣象信息技術

GNSS是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的簡稱,包括美國的GPS、中國的BDS、俄羅斯的GLONASS和歐盟的GALILEO。GNSS為探測氣象信息提供了一種新的手段,利用GNSS理論和技術來遙感地球大氣,進行氣象學的理論和方法研究,如測定大氣溫度及水汽含量,監(jiān)測氣候變化等,叫做GNSS氣象學(GNSS/METeorology,GNSS/MET)[7]。GNSS氣象學的研究于80年代后期最先從美國的GPS起步,其原理為GPS衛(wèi)星信號在穿越大氣層從衛(wèi)星到達地面接收機的過程中,大氣會對GPS信號產(chǎn)生延遲和彎曲效應?？傃舆t效應包括電離層延遲和對流層延遲,其中對流層延遲又分為干延遲和濕延遲。在衛(wèi)星高度角大于15°時,電離層折射引起的信號路徑彎曲效應可以被完全忽略。也可以利用GPS雙頻觀測值建立電離層延遲模型將其消除。對流層干延遲與大氣壓力成正比,與大氣溫度成反比。通過實測資料分析,建立GPS信號路徑上的干延遲與GPS接收機所在地面的本站氣壓及緯度、高度的統(tǒng)計關系,即所謂靜力學干延遲公式,而求出大氣干延遲。從大氣總延遲中去除電離層延遲及干延遲得到濕延遲,進而反演求得大氣水汽含量、相對濕度等氣象要素信息[8～9]。

目前地基GPS反演氣象信息技術已較為成熟,具有實時連續(xù)性、不受天氣狀況影響、價格經(jīng)濟和精度高等特點,是傳統(tǒng)大氣水汽觀測手段的有力補充,被公認為21世紀探測大氣水汽的最具潛力技術[10]。地基GPS探測氣象要素的第一步就是利用GPS原始觀測數(shù)據(jù)解算出較高精度的延遲量,而解算高精度延遲量需要精密的位置信息,通常精密定位需要長時間的靜態(tài)觀測。而在實際應用中,考慮到時效性等問題,往往需要動態(tài)觀測以獲取精密位置,從而求得高精度的大氣延遲量,這已成為國內外眾多學者的研究重點。

5 研究展望

基于目前艦船海上氣象信息探測的現(xiàn)狀,結合地基GPS氣象信息反演技術,提出應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System,BDS)反演海上氣象要素信息。BDS為我國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng),目前已發(fā)射23顆在軌衛(wèi)星,導航精度可達到10m左右,精密定位精度可達到毫米至厘米級,滿足氣象要素反演精度要求。且從安全可靠角度講,BDS較GPS更加適用于艦船使用。雖然地基GNSS/MET技術較為成熟,然而應用于復雜的海上環(huán)境時,將存在很多現(xiàn)實問題,如海面嚴重的多路徑效應;風浪造成的艦載接收機搖擺;艦船于遠海航行時,高精度的雙差相對定位技術無法使用;無法及時獲取精密星歷等。這些將成為BDS反演艦船海上氣象信息亟待解決的問題。

6 結語

通過研究艦船海上氣象信息探測現(xiàn)狀,分析總結出目前艦船氣象業(yè)務主要存在一下幾方面問題:

1) 應用艦載常規(guī)氣象要素探測設備包括船舶氣象儀、無線氣象傳真機等,但探空高度低,對陸基保障平臺極度依賴。

2) 艦船目力觀測通過觀察海面上的氣象環(huán)境可對未來天氣狀況作簡單推測,但準確度不高,且無法定量評估。

3) 具有獨立氣象業(yè)務部門艦船可通過釋放探空氣球探測高空氣象信息,但實時性差、垂直結構氣象要素探測時刻不一致、觀測范圍有限、探測成本高以及安全保密性差。

針對目前艦船氣象觀測業(yè)務存在的問題,提出應用我國自主研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)反演海面上空氣象信息的思想,彌補當前海上探測手段存在的不足。

[1] Liu J, Sun Z, Liang H, et al. Precipitable water on the Tibetan Plateau estimated by GPS, water vapor radiometer, radiosonde, and numerical weather prediction analysis and its impact on the radiation budget[J]. Geophys Res.,2005,110(D17106):115-162.

[2] 吳蕾,陳洪濱,康雪.風廓線雷達與L波段雷達探空測風對比分析[J].氣象科技,2014(2):225-230.

[3] 德白,次旦平措.地面氣象觀測業(yè)務改革探討[J].科技與創(chuàng)新,2014(20):150,152.

[4] 劉潤梅.自動氣象站的技術保障及維護[J].北京農(nóng)業(yè),2014(21):186-187.

[5] 梁峰,王平,漆隨平.艦用船舶氣象儀[J].機械,2008(6):29-31.

[6] 陳家輝,張吉平.航海氣象學與海洋學[M].大連:大連海事大學出版社,2007(9):54-68.

[7] 李國平.地基GPS水汽監(jiān)測技術及氣象業(yè)務化應用系統(tǒng)的研究[J].大氣科學學報,2011,34(14304):385-392.

[8] 施闖,王海深,等.基于北斗衛(wèi)星的水汽探測性能分析[J].武漢大學學報·信息科學版,2016,41(3):285-289.

[9] Bisnath S, Gao Y. Precise point positioning[J]. GPS World,2009,20(4350):43-50.

[10] Schuler, T. GNSS meteorology on moving platforms-Advances and limitation in kinematic water vapor estimation[J]. Inside GNSS,2006,4:56-60.

Current Situation of Marine Meteorological Information Detection

WANG Yuming1SHAO Limin1ZHANG Shangyue2

(1. Department of Military Oceanography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2. Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

The meteorological conditions of the sea surface are very important for the military and non-military missions of naval vessels. However, there are many practical problems in the limitation of the marine Radiosonde technology due to the limitation of the conventional methods and instruments.In this paper, the present situation of marine meteorological information detection on ships is analyzed, and the main problems of current ship meteorological service such as the low altitude of sounding, the reliance on land-based platform and the poor security are analyzed, which greatly influences the mission capability. Finally, based on the emerging GNSS meteorology, the application of the Beidou satellite navigation system to invert the marine meteorological information of the ship is proposed, and the prospect of the future maritime sounding means is studied.

warship, meteorological information, radiosonde technology, GNSS meteorology, Beidou satellite navigation system

2016年8月3日,

2016年9月19日

王郁茗,男,博士研究生,研究方向:軍事航海安全保障與防護技術。邵利民,男,博士,教授,研究方向:海洋氣象。張尚悅,男,博士,教授,研究方向:軍事航海的理論與方法。

TN959.4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.001