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(國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院)

一、國(guó)外氣象水文保障技術(shù)現(xiàn)狀

1.氣象海洋保障體系

美國(guó)和俄羅斯的海軍海上作戰(zhàn)艦艇都建立有與海洋環(huán)境密切關(guān)聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)指揮系統(tǒng)。美軍以“從海底到太陽(yáng)”的“無(wú)縫隙”保障理念為指導(dǎo)，圍繞實(shí)現(xiàn)“擁有天氣”的能力目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)“氣象海洋保障資源的優(yōu)化配置”，建立了結(jié)構(gòu)齊備完整、功能先進(jìn)的氣象海洋保障裝備體系。

美國(guó)由海軍區(qū)域海洋氣象中心運(yùn)行海洋環(huán)境同化系統(tǒng)(MODAS)，然后將圖形產(chǎn)品分發(fā)至海上作戰(zhàn)艦艇。艦上通過(guò)接收MODAS的圖形產(chǎn)品和艦上本身具備的靜態(tài)氣候態(tài)初始場(chǎng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)BT資料訂正后，將海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分配至戰(zhàn)術(shù)輔助決策系統(tǒng)或作戰(zhàn)武器平臺(tái)。美軍針對(duì)海戰(zhàn)環(huán)境研制的海軍戰(zhàn)術(shù)環(huán)境支持系統(tǒng)TESS(Tactical Environmental Support System)裝備航母和其它艦艇，成為美國(guó)海軍新一代海洋氣象和海洋環(huán)境的戰(zhàn)術(shù)決策支持系統(tǒng)。

2.氣象水文信息服務(wù)技術(shù)發(fā)展

對(duì)氣象水文的研究離不開數(shù)據(jù)支撐，氣象水文數(shù)據(jù)的獲取由傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)發(fā)展為現(xiàn)在的含有高新技術(shù)陸基、空基和天基的氣象水文立體觀測(cè)網(wǎng)。美國(guó)的各種海洋觀測(cè)手段基本覆蓋全美，同時(shí)還有先進(jìn)的衛(wèi)星遙感、雷達(dá)和GIS技術(shù)，形成了一個(gè)全方位立體式的監(jiān)測(cè)體系。同時(shí)，隨著觀測(cè)手段的日益增長(zhǎng)和豐富、數(shù)值大氣模式和海洋模式的迅猛發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)。在全球海洋資料稀缺的情況下，美軍建立海洋大數(shù)據(jù)庫(kù)，收集海量氣象水文信息，推動(dòng)基于大數(shù)據(jù)的海洋綜合數(shù)據(jù)處理核心技術(shù)發(fā)展；提出“透明海洋”概念，建立包括海洋地理(含海岸線和島礁)，人工設(shè)施，海洋底質(zhì)、電磁和聲場(chǎng)，洋流運(yùn)動(dòng)，溫、鹽、密和透明度等常規(guī)海洋要素，海面風(fēng)場(chǎng)和海浪等作戰(zhàn)相關(guān)要素的三維交互式動(dòng)態(tài)演進(jìn)信息平臺(tái)框架。

通過(guò)氣象水文數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的交互分析與可視化顯示，可直觀、準(zhǔn)確地反映氣象水文數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，有效地輔助預(yù)報(bào)員與指揮員掌握數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。如美國(guó)馬里蘭大學(xué)研制開發(fā)的Grid Analysis and Display System(簡(jiǎn)寫為Grads)、美國(guó)National Weather Service公司研制開發(fā)的Advanced Weather Interactive Processing System(簡(jiǎn)寫為AWIPS)、美國(guó)Weather Graphics Technologies公司推出的商業(yè)軟件產(chǎn)品Digital Atmosphere(簡(jiǎn)寫為DA)也都提供了各類氣象水文數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)方式與相應(yīng)的交互操作。

二、軍事需求

新形勢(shì)下我軍氣象水文保障由傳統(tǒng)的本土型保障向新型的全球化保障轉(zhuǎn)變，保障領(lǐng)域由單一的氣象環(huán)境向海洋和太空環(huán)境拓展，保障方式由粗泛定性向精細(xì)定量邁進(jìn)，保障內(nèi)容進(jìn)一步綜合多元。氣象水文信息融合分析與應(yīng)用服務(wù)，是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知活動(dòng)的重要組成部分，是信息化條件下作戰(zhàn)保障的重要環(huán)節(jié)。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的演變，作戰(zhàn)樣式的發(fā)展，以及信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知的戰(zhàn)斗力倍增器作用愈加凸顯，已成為影響戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程乃至戰(zhàn)爭(zhēng)勝敗的關(guān)鍵因素之一。發(fā)展氣象水文環(huán)境信息融合分析與應(yīng)用服務(wù)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握氣象水文變化態(tài)勢(shì)、及時(shí)提供準(zhǔn)確、可靠的氣象水文環(huán)境信息，為作戰(zhàn)指揮、武器裝備運(yùn)用等軍事行動(dòng)提供氣象水文環(huán)境綜合信息支持。其軍事需求體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.適應(yīng)國(guó)家利益全球化保障需求

2025年前，國(guó)際戰(zhàn)略格局和我國(guó)安全環(huán)境可能隨著世界戰(zhàn)略力量分化組合進(jìn)一步調(diào)整，全球與地區(qū)性國(guó)際組織多邊制衡的局面，多極化戰(zhàn)略格局逐步形成。我國(guó)安全環(huán)境呈現(xiàn)出陸上威脅相對(duì)減緩，海洋、太空和電磁領(lǐng)域威脅趨重的特點(diǎn)。當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期，我國(guó)周邊安全形勢(shì)不容樂(lè)觀，反恐防暴任務(wù)嚴(yán)峻，來(lái)自海上的安全威脅尤為突出；“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略方興未艾，非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)任務(wù)繁重，“三?！薄皟裳蟆睔庀笏谋Ｕ先遮叧B(tài)化；從國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和整體利益出發(fā)，還應(yīng)前瞻部署包括北極在內(nèi)的全球其他重要區(qū)域，積極參加北極的開發(fā)利用。因此，必須把握全球氣象水文變化態(tài)勢(shì)，具備氣象水文信息服務(wù)全球覆蓋能力。迫切需要?dú)庀笏牟块T拓展保障范圍，提供精細(xì)化氣象水文環(huán)境信息保障，加強(qiáng)和提升氣象水文環(huán)境信息的融合能力。

2.應(yīng)對(duì)陸?？仗炝Ⅲw化保障需求

現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)空間已拓展至陸、海、空、天、電、網(wǎng)，陸?？仗煳淦餮b備應(yīng)用對(duì)氣象水文精細(xì)化保障提出了新的要求，傳統(tǒng)單一預(yù)報(bào)技術(shù)已不能滿足新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下保障服務(wù)需求，需要綜合運(yùn)用信息探測(cè)、信息處理、分析預(yù)報(bào)、信息服務(wù)等技術(shù)，獲取戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)信息，預(yù)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境未來(lái)變化。信息技術(shù)作為戰(zhàn)斗力的倍增器，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)用戶參與，按需服務(wù)。迫切需要充分運(yùn)用云計(jì)算、智能信息處理、多維可視化、服務(wù)動(dòng)態(tài)組合、快速數(shù)據(jù)加載等先進(jìn)信息技術(shù)和理念，綜合采用新的技術(shù)手段，研究新的信息處理算法，引入新的信息服務(wù)模式，加快海量數(shù)據(jù)的處理速度，提升保障信息的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、可靠性和可用性。

3.滿足多元信息集成化保障需求

隨著世界新軍事變革深入發(fā)展，武器裝備的遠(yuǎn)程精確化、智能化、隱身化、無(wú)人化趨勢(shì)日趨明顯，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)正加速向信息化戰(zhàn)爭(zhēng)演變。氣象、海洋環(huán)境時(shí)刻影響著戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)論是戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，還是武器裝備、通信指揮以及部隊(duì)行動(dòng)和官兵士氣，都受其影響，有時(shí)甚至決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵因素。多平臺(tái)協(xié)同、各軍種聯(lián)合一體化作戰(zhàn)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的基本形式，參戰(zhàn)力量的多元化及大量使用高技術(shù)武器裝備，使得未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)不僅要求提供常規(guī)氣象要素和宏觀天氣變化情況，而且要重點(diǎn)研究海洋環(huán)境、空間環(huán)境、電磁波傳播環(huán)境(如大氣透射率、大氣波導(dǎo)等)對(duì)信息化武器裝備的影響，提供內(nèi)容更加豐富的戰(zhàn)場(chǎng)大氣、海洋和空間特需要素產(chǎn)品。迫切需要研究面向軍委聯(lián)合參謀部、戰(zhàn)區(qū)和軍兵種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障部門氣象水文信息系統(tǒng)部署的需求和模式；研究面向不同規(guī)模的聯(lián)合作戰(zhàn)、軍事演習(xí)等軍事行動(dòng)的氣象水文信息綜合保障需求；研究面向戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)斗和戰(zhàn)術(shù)的氣象水文信息保障內(nèi)容和方式，通過(guò)對(duì)觀探測(cè)信息、預(yù)報(bào)產(chǎn)品和其他相關(guān)信息的融合分析，豐富產(chǎn)品級(jí)和決策級(jí)氣象水文保障信息，實(shí)現(xiàn)氣象水文信息與地理測(cè)繪、指揮控制等信息的有機(jī)集成，提升信息主導(dǎo)、精打要害、聯(lián)合制勝的信息化作戰(zhàn)能力。

4.針對(duì)武器裝備實(shí)戰(zhàn)化保障需求

武器裝備效能的發(fā)揮與氣象水文條件密切相關(guān)，如機(jī)動(dòng)武器平臺(tái)效能的發(fā)揮受氣象水文環(huán)境的影響很大，對(duì)氣象水文信息提出了格點(diǎn)化、精細(xì)化、隨移動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)更新和顯示的嚴(yán)苛要求，需要根據(jù)不同武器平臺(tái)的作戰(zhàn)環(huán)境特點(diǎn)，提煉和融合最必要的氣象水文環(huán)境信息，將其轉(zhuǎn)化為三維要素格點(diǎn)場(chǎng)。例如，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙感資料、海上浮標(biāo)、船舶、島嶼站等觀測(cè)資料的融合分析，可以彌補(bǔ)海上常規(guī)觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布不均勻，提高資料的空間分辨率。

迫切需要研究集合多種觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合方法，使不同觀測(cè)資料之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一方面，指導(dǎo)天氣系統(tǒng)的時(shí)空演變、高低空急流以及水汽輸送理論的研究；另一方面，提高海面風(fēng)浪、海霧、洋流、躍層、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、能見(jiàn)度等要素的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力，為移動(dòng)武器平臺(tái)實(shí)時(shí)更新所需的最新地域氣象水文環(huán)境信息，逐步實(shí)現(xiàn)氣象保障與指揮控制系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的有機(jī)融合。

5.支撐數(shù)值預(yù)報(bào)精細(xì)化保障需求

區(qū)域危險(xiǎn)性天氣諸如雷暴、大風(fēng)、暴雨、暴雪、惡劣能見(jiàn)度、低空風(fēng)切變、下?lián)舯┝骱颓缈胀牧鞯龋瑢?duì)戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)決策和實(shí)施具有決定性影響，這些天氣具有空間尺度小、生命史短、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，是軍事氣象水文預(yù)報(bào)保障的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。精細(xì)化的全球氣象——海洋——陸地耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模式，需要高時(shí)空分辨率的網(wǎng)格化、精細(xì)化的初始場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合和同化技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效途徑，解決對(duì)中尺度加密觀測(cè)站、自動(dòng)氣象站、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、衛(wèi)星和雷達(dá)遙感以及GPS等非常規(guī)觀測(cè)資料的融合分析問(wèn)題。

雖然我國(guó)已初步形成了包括國(guó)家級(jí)和區(qū)域級(jí)自動(dòng)氣象站觀測(cè)網(wǎng)、氣象衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)、海洋衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)，以及覆蓋我國(guó)的多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)在內(nèi)的中尺度氣象觀測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)、全天候、高精度對(duì)全球氣象要素隨天氣和時(shí)間變化的連續(xù)觀測(cè)，為軍事危險(xiǎn)天氣精細(xì)化預(yù)報(bào)保障提供了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。但是，由于不同觀測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)之間時(shí)間和空間分辨率不統(tǒng)一，并且空間覆蓋不完全，在業(yè)務(wù)上無(wú)法直接使用，迫切需要研究滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的衛(wèi)星觀測(cè)反演數(shù)據(jù)資料的定量分析產(chǎn)品，改善全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式的預(yù)報(bào)效果。

三、《氣象水文保障》的建設(shè)內(nèi)容

1.氣象水文信息獲取與處理技術(shù)

戰(zhàn)術(shù)多普勒天氣雷達(dá)、便攜式綜合戰(zhàn)術(shù)氣象觀測(cè)系統(tǒng)、空投氣象站、機(jī)動(dòng)大氣廓線探測(cè)系統(tǒng)等知識(shí)內(nèi)容。無(wú)人機(jī)氣象海洋探測(cè)系統(tǒng)、下投式探測(cè)儀、海洋浮標(biāo)潛標(biāo)、艦載探測(cè)系統(tǒng)、水下無(wú)人潛器探測(cè)系統(tǒng)等裝備知識(shí)。自動(dòng)化地面氣象探測(cè)網(wǎng)，由S波段、C波段多普勒天氣雷達(dá)組成的國(guó)家骨干網(wǎng)和X波段局地警戒天氣雷達(dá)組成的全國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)知識(shí)。

2.分析預(yù)報(bào)(測(cè))技術(shù)

“可分辨云尺度和預(yù)報(bào)系統(tǒng)”“全球戰(zhàn)區(qū)天氣分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)”和“空間天氣分析與預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，以及水平分辨率為24km和6km的全球和戰(zhàn)場(chǎng)尺度云分析預(yù)報(bào)產(chǎn)品介紹。全球74個(gè)地理區(qū)域上的與空軍作戰(zhàn)密切相關(guān)的氣象變量(如云層、總云量、云底高度、云頂高度等云參數(shù)，飛機(jī)積冰、大氣湍流和雷暴等)的可視化產(chǎn)品，為航天部隊(duì)提供的太陽(yáng)活動(dòng)、電磁環(huán)境、電離層環(huán)境和中高層大氣的預(yù)報(bào)保障。為海軍海上航行安全和各類作戰(zhàn)平臺(tái)、傳感器和艦載武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)運(yùn)用提供多尺度、多要素的氣象海洋預(yù)報(bào)保障。先進(jìn)的氣候保障裝備，即“高級(jí)氣候模擬與環(huán)境仿真”(ACMES)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供高分辨率的氣候統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品，生成10年記錄期的三維格點(diǎn)“歷史”天氣數(shù)據(jù)集，提供高分辨率的三維環(huán)境表征產(chǎn)品，針對(duì)某一特定地區(qū)、特定歷史時(shí)期生成1小時(shí)間隔的數(shù)值模擬產(chǎn)品，為用戶的仿真模式提供輸入資料。ACMES系統(tǒng)能生成30個(gè)氣象參數(shù)的100多種描述性統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品。

3.保障應(yīng)用技術(shù)

環(huán)境影響專題，包括大氣氣體、自然氣溶膠、戰(zhàn)場(chǎng)氣溶膠、輻射傳輸、激光傳播和目標(biāo)捕獲與系統(tǒng)性能6個(gè)部分、30多個(gè)模塊組成的“電光武器大氣影響程序庫(kù)”，多種電光武器環(huán)境影響配套軟件系統(tǒng)，“電光武器戰(zhàn)術(shù)決策輔助系統(tǒng)”，為精確制導(dǎo)、偵察、預(yù)警等電光武器系統(tǒng)和傳感器的部署使用提供基于環(huán)境影響的自動(dòng)化、定量化的輔助決策。

“目標(biāo)捕獲天氣軟件”“紅外目標(biāo)場(chǎng)景環(huán)境仿真軟件”“夜視鏡天氣影響軟件”“集成式天氣影響輔助決策系統(tǒng)”和“作戰(zhàn)任務(wù)計(jì)劃天氣影響自動(dòng)化分析軟件”。這些系統(tǒng)將各種先進(jìn)的物理模式、自動(dòng)化的氣象信息處理技術(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合于一體，可制作成易于理解的決策服務(wù)產(chǎn)品。

4.人工影響局部環(huán)境技術(shù)

消除冷霧常常使用制冷劑(干冰、液態(tài)CO2等)；對(duì)消暖霧，常采用的方法多是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加熱法消除暖霧。

海霧生成條件、預(yù)報(bào)以及針對(duì)海霧環(huán)境大氣粒子的散射作用使得視頻圖像嚴(yán)重降質(zhì)問(wèn)題，重點(diǎn)是采用的基于大氣散射物理模型的海霧去霧數(shù)值方法。

5.氣象水文信息一體化保障

氣象水文信息一體化保障系統(tǒng)概述、氣象水文一體化保障系統(tǒng)的背景知識(shí)、保障現(xiàn)狀等相關(guān)知識(shí)。

陸軍集團(tuán)軍初級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的概念和裝備功能。構(gòu)成陸軍集團(tuán)軍氣象水文一體化保障系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，新型預(yù)報(bào)保障車的組成、工作原理及軟硬件裝備的功能和使用方法，具體包括終端處理分系統(tǒng)、定位分系統(tǒng)、C波段/Ku波段衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)、地面氣象觀測(cè)分系統(tǒng)、氣象傳真分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、業(yè)務(wù)保障分系統(tǒng)。

未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)不僅要求提供常規(guī)氣象要素和宏觀天氣變化情況，而且要重點(diǎn)研究電磁波的傳播環(huán)境、空間天氣、海洋環(huán)境對(duì)信息化武器裝備的影響，提供內(nèi)容更加豐富的戰(zhàn)場(chǎng)大氣、海洋和空間環(huán)境信息產(chǎn)品。因此，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，提高信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)氣象水文保障能力，將是軍事氣象水文部門的一項(xiàng)緊迫的歷史性任務(wù)，必然要求樹立一體化的大系統(tǒng)保障觀念，使軍事氣象系統(tǒng)成為國(guó)家氣象事業(yè)的有機(jī)組成部分，在綜合探測(cè)系統(tǒng)的戰(zhàn)略布局、保障要素的融合、信息平臺(tái)的互聯(lián)互通、預(yù)報(bào)保障的組織協(xié)調(diào)以及后備力量的建設(shè)上，建立切實(shí)可行的運(yùn)行機(jī)制，制定系統(tǒng)配套的法律法規(guī)，創(chuàng)建三軍一體、軍民結(jié)合、軍民兼容的新型一體化保障體系，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合氣象保障能力的整體躍升。開展武器裝備影響適應(yīng)性評(píng)估，建立和完善適應(yīng)作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)和高技術(shù)武器裝備作戰(zhàn)需要的軍事氣候分析應(yīng)用系統(tǒng)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響數(shù)值仿真系統(tǒng)，提高軍事氣候分析應(yīng)用和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響輔助決策水平和能力。