張紅萍，邵振峰，胡 濱，黃 俊，姜明波

（1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2.海軍工程大學電子工程學院，武漢 430033；3.中國氣象科學院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；4.陸軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，武漢 430000；5.北京應用氣象研究所，北京 100029）

0 引言

災害天氣屬于軍事領域典型的惡劣戰(zhàn)場環(huán)境。大風、暴雨、雷電等災害天氣代表自然能量的波動［1］，往往具有以下特征：1）觀測網(wǎng)有限。自動氣象站、天氣雷達、衛(wèi)星云圖等具有探測多尺度氣象要素的能力［2-4］，但主要監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)演化過程，大部分災害性天氣時空尺度小，氣象觀測存在大網(wǎng)捕小魚的現(xiàn)象。2）預警預報不確定。災害性天氣成災機理復雜，大風、暴雨［5-6］等短臨預警預報可以提前3 ～6 h；但短時強對流天氣的風暴體等預報準確性有限，一般只能提前5～10 min不等［7-8］。3）突發(fā)性。災害性天氣發(fā)生突然、時效快、生命史短，如龍卷風、颮線風、雷暴大風往往只有幾個小時、甚至分鐘級的生命周期。4）破壞性。災害性天氣都會具有一定的破壞性，可能引發(fā)氣象災害及其鏈生災害［9］。

在作戰(zhàn)過程中，精準感知交戰(zhàn)空間的災害型天氣時，具有搶占“天時”先機的優(yōu)勢。比如，在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍1∕3 補給車運輸因沙塵暴困陷沙坑，遭到伊軍多次襲擊，造成前線補給一度中斷［10］；俄烏戰(zhàn)爭期間，烏方擊中“莫斯科”號導彈巡洋艦時并未對其造成致命傷害，但在該艦被拖走時，因遭遇暴風雨天氣，導致該艦最終沉沒［11］；烏克蘭部署在黑海區(qū)域的420 枚水雷因暴風雨失控，造成了水雷在該海域自由漂浮的局面［12］。因此，掌握戰(zhàn)場環(huán)境災害天氣情報，不僅是提升部隊應對災害天氣韌性能力的關鍵，甚至可能戰(zhàn)術化利用災害性天氣，并給敵人施以超越實際火力的打擊。

1 物理戰(zhàn)場災害性天氣特征

陸?？瘴锢碜鲬?zhàn)空間是災害天氣孕育、發(fā)展、運移的基本環(huán)境，也是戰(zhàn)場環(huán)境災害天氣保障的基本場景。大風、暴雨、雨雪冰凍等屬于典型的災害天氣［13］。大風災害監(jiān)測主要觀察風場和風廓線，風廓線能夠監(jiān)測到風切變現(xiàn)象，尤其是可以監(jiān)測到影響飛行器安全的風垂直切變現(xiàn)象［14］。暴雨一般由中小尺度對流系統(tǒng)引發(fā)，小尺度強對流雷暴、臺風暴雨等天氣，氣象衛(wèi)星監(jiān)測捕捉能力較弱［15］，高分辨率天基、空基、地基協(xié)同監(jiān)測具有一定的優(yōu)勢［16］。冰雪災害需要預防能源供應、電力輸送、交通運輸癱瘓等次生災害［17-18］。在1999 年美國蘭德公司設想的對中國作戰(zhàn)計劃中，就有制造并利用交通運輸癱瘓的案例［19］。

1.1 陸地戰(zhàn)場災害性天氣特征

陸地戰(zhàn)場囊括平原、高原、山地、丘陵、盆地等地形。平原地區(qū)往往水系發(fā)達、地勢平坦，出現(xiàn)暴雨引發(fā)洪澇災害的風險較高［2-3］；高原往往以高寒地區(qū)為主，具有地面風沙大、不良天氣多、紫外輻射強、低壓低溫等特征［20］，容易出現(xiàn)大風、冰雪等災害；山地、丘陵地區(qū)的生態(tài)相對較為脆弱，容易出現(xiàn)暴雨及鏈生滑坡、泥石流等地質(zhì)災害的風險［7，21］。

現(xiàn)代化高水平戰(zhàn)爭要求人民軍隊能夠在惡劣天氣環(huán)境下作戰(zhàn)。然而，災害天氣的氣象準備誤差往往比較大，是制約惡劣天氣環(huán)境下提升裝備精準控制能力的技術瓶頸之一，如下頁表1 所示。戰(zhàn)場大風、暴雨等惡劣天氣，嚴重影響作戰(zhàn)單元機動、戰(zhàn)略物資補給以及武器裝備控制等能力。以無人機為例，作戰(zhàn)環(huán)境大氣壓低、氣溫低等，可能造成無人機飛行動力不足、任務無法保證等問題［20］；對于裝甲車、作戰(zhàn)車而言，冰雪冷凍天氣導致的光學器件模糊或表面結(jié)冰現(xiàn)象，影響機動力量綜合判定戰(zhàn)場環(huán)境的能力。

1.2 海戰(zhàn)場災害性天氣特征

海戰(zhàn)場可能在交戰(zhàn)國的領海、毗連區(qū)，也可能在公海。海戰(zhàn)場的自然環(huán)境、人文環(huán)境等因素，如圖1所示，是軍事決策、作戰(zhàn)指揮和戰(zhàn)場環(huán)境建設的重要依據(jù)［25］。海戰(zhàn)場的氣象監(jiān)測預報，不僅要研究災害性天氣演化，還需要綜合考慮災害天氣鏈生海洋水文災害風險。海洋大氣要素、天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)組成的海洋氣象環(huán)境，是影響海上作戰(zhàn)決策的重要信息［26］。與陸戰(zhàn)場不同的是，海戰(zhàn)場天氣系統(tǒng)伴隨的能量波動將會直接作用在海平面上，是驅(qū)動形成海洋水文動態(tài)要素的重要動力。如巨浪、海流、漩渦流等不利水文條件。

圖1 海洋戰(zhàn)場環(huán)境要素構(gòu)成Fig.1 The environmental elements composition in sea battlefield

航母編隊在海戰(zhàn)場上最具威懾力，是實施對海對陸作戰(zhàn)、奪取制海權(quán)、保衛(wèi)海上交通線、摧毀敵方岸上目標、支援陸上作戰(zhàn)等軍事行動的重要平臺［27］。以航母編隊為例，海洋氣象以及災害性天氣是作戰(zhàn)行動考慮的重要因素［28］。比如：1）海風、海流會影響艦船、潛艇的航向、航線和航速。尤其對于正在下潛或水下航行的潛艇來說，災害性天氣引起的漩渦流，將會顯著影響潛艇的航行軌跡；2）災害性海風、暴風雨、冰雹等惡劣天氣，不適宜艦載飛機起降、飛行；3）海雜波、霧、雨等氣象要素既影響雷達的探測精度，也影響艦炮等武器目標命中率。海戰(zhàn)場典型作戰(zhàn)平臺氣象水文信息如下頁表2所示。

表2 海戰(zhàn)場典型作戰(zhàn)平臺所需氣象水文信息Table 2 Meteorological and hydrological information required by typical combat platforms in sea battlefield

1.3 空域戰(zhàn)場災害性天氣特征

氣象信息是空域戰(zhàn)場的重要情報［29］。按照活動高度范圍，空域戰(zhàn)場可以分為航天空間、臨近空間、航空空間，如圖2、表3 所示。其中，航空高度上限為25 km，主要運行在對流層，部分運行在平流層；航天高度下限為100～120 km，運行區(qū)間在電離層；臨近空間為距離地面20～100 km 空間，介于航空最高飛行高度與航天最低飛行高度之間［30］。精準監(jiān)測并預警空域戰(zhàn)場災害天氣，可以為空間飛行器保護、衛(wèi)星地面通訊和導航定位精準性保障等提供信息支持。

圖2 空域結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the airspace battlefield

表3 不同飛行空間的軍用飛行器Table 3 Military aircrafts in different flight space

風、雨、雷、電等災害天氣主要發(fā)生在對流層，是飛行器起降、武器發(fā)射及運動的重要空間。航空飛行器的活動范圍從低空數(shù)米到高空20 000 m，包括輕至10 g、重至數(shù)十噸的空中無人作戰(zhàn)平臺，普遍需要考慮災害天氣的影響［31］；精準的氣象信息，有利于控制并校準炮彈的飛行軌跡［32］。雖然新型武器裝備向著全天時、全天候方向發(fā)展，但是也會受到惡劣天氣的影響。以某直升機載火控雷達為例，該裝備在穿越厚云、大霧、暴風雨區(qū)域時，雷達信號衰減會引起探測性能降低、接收信號的信噪比降低等問題［33］。臨近空間空氣稀薄，可以部署輕型、重型平臺實現(xiàn)態(tài)勢感知、空間遮斷、突防打擊等［34］。對于部署的輕型飄浮平臺來說［35］，普遍存在受空氣擾動較為敏感的問題［36］。因此，監(jiān)近空間更需要精確感知氣象要素信息。航天空間運行的衛(wèi)星、空間站，其穩(wěn)健性和安全性亦會受空間天氣的影響［37］。比如，“太陽風”“太陽雨”等空間天氣災害，除了引起地面天氣和氣候變化外，直接造成電離層產(chǎn)生大量的電磁波動，威脅著航天空間飛行器的探測性能和電子元件的安全性［38-39］。

2 戰(zhàn)場環(huán)境災害天氣信息多尺度保障模式

戰(zhàn)場環(huán)境氣象信息是作戰(zhàn)指揮、裝備運行以及武器火力控制的重要參數(shù)，如下頁表4 所示。在全球氣候變化背景下，未來災害性天氣將表現(xiàn)出更多極端性特征，出現(xiàn)頻率和強度可能發(fā)生顯著變化，高空大氣環(huán)流和空間天氣也會出現(xiàn)較大幅度調(diào)整。以全球海溫升溫為主要特征的變暖現(xiàn)象，以及厄爾尼諾、拉尼娜等海溫空間分布異常事件，通過海氣相互作用，不僅導致大氣環(huán)流異常，大氣異常又會正反饋到海洋洋流，導致洋流異常，并帶來熱帶氣旋、臺風等海洋極端天氣的發(fā)生，這將直接影響到未來陸?？仗鞈?zhàn)場環(huán)境氣象信息安全保障。因此，需要面向決策指揮、作戰(zhàn)單元對于戰(zhàn)場空間戰(zhàn)術規(guī)劃和火力覆蓋需求，建立起面向戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術、武器系統(tǒng)等多尺度的氣象水文信息保障模式［25］。

表4 多尺度戰(zhàn)場環(huán)境氣象信息保障模式Table 4 Support model of multi-scale battlefield environment meteorological information

2.1 面向戰(zhàn)略保障模式

在未來戰(zhàn)爭中，需要從戰(zhàn)略角度，建立起太空、全球、地區(qū)、戰(zhàn)區(qū)等多尺度的戰(zhàn)場環(huán)境氣象信息保障體系。主要包括專門保障機構(gòu)、標準化保障模式兩個層面：

1）專業(yè)的氣象監(jiān)測保障機制。以美軍為例，作戰(zhàn)指揮官是責任區(qū)內(nèi)氣象海洋保障的最高指揮官，其會指定一名高級氣象官總協(xié)調(diào)戰(zhàn)區(qū)各類氣象海洋行動［40］。我軍建立的戰(zhàn)場氣象要素觀測機構(gòu)始于抗日戰(zhàn)爭時期，主要開展地面氣象觀測、高空大氣探測、雷電測定等業(yè)務監(jiān)測［29］。

2）多尺度災害性天氣標準保障模式。地方政府各級氣象部門、科研院所為軍事氣象保障提供業(yè)務化信息和氣象專題報告［41-42］。同時，還需建立起全球、地區(qū)等多尺度災害天氣分布基準庫，并形成匯聚更新的常態(tài)性機制，充分挖掘災害性天氣時空特征，為災害性天氣預警提供知識驅(qū)動。

2.2 面向戰(zhàn)役保障模式

面向戰(zhàn)役復雜地理以及氣象環(huán)境，需要實現(xiàn)短期（如周尺度）氣象信息保障。包括：

1）建立氣象信息監(jiān)測系統(tǒng)，提供短期氣象信息。在戰(zhàn)場環(huán)境信息保障中，除保障常規(guī)氣象水文信息外，還需預報短臨大風、大霧、暴雨、沙塵暴等災害天氣，并預警其鏈生洪澇、滑坡、泥石流等災害風險。

2）研究融合傳統(tǒng)多維氣象預報預警信息的展示模式，研究伴隨式、沉浸式虛擬氣象信息服務，為行動規(guī)劃、前指研判以及作戰(zhàn)行動等，提供準確、直觀的氣象信息基礎服務、決策服務和管理服務。

3）研究數(shù)字天氣預報模式以及災害性天氣智能預警預報技術?；谒煨袘?zhàn)場多源傳感器的回傳信息，開展戰(zhàn)場環(huán)境精準氣象信息融合感知的智能分析技術，發(fā)展星-地基固定監(jiān)測與武器裝備動態(tài)探測協(xié)同的三維變分同化方法，提供不同精度、細度、粒度的戰(zhàn)場環(huán)境氣象信息，提供災害天氣信息的快準靈服務。

2.3 面向戰(zhàn)術保障模式

面向戰(zhàn)術部署以及作戰(zhàn)行動需求，提供短臨（比如天尺度）氣象水文信息保障服務。包括：

1）提供短臨氣象水文信息。通過數(shù)值模擬、空間智能分析等技術，為作戰(zhàn)指揮人員、作戰(zhàn)單元等，提供數(shù)值化、圖形化、三維場景化的天氣過程發(fā)展、演化、運移等氣象信息保障服務。

2）提供戰(zhàn)術決策信息支持。一方面，預警災害天氣精準信息，為規(guī)避災害天氣風險提供決策支持；另一方面，預警災害天氣鏈生災害的風險，為規(guī)避災害性天氣以及戰(zhàn)術化利用其破壞性力量，提供信息支持。

2.4 面向武器系統(tǒng)保障模式

提供面向戰(zhàn)斗機、航母編隊、坦克、火炮等不同作戰(zhàn)單元的臨近氣象信息保障，包括：

1）提供精準監(jiān)測實況信息，包括溫度、濕度、風速、風力、氣壓等氣象實況信息。

2）提供臨近氣象預報。面向作戰(zhàn)空間以及具體的作戰(zhàn)場景，結(jié)合武器裝備運動空間以及運行軌道，針對性地部署氣象實況監(jiān)控的技術設備，提供伴隨運行軌跡的精準臨近氣象甚至實時氣象信息保障。

3 面向智能戰(zhàn)爭的災害性天氣保障發(fā)展趨勢

在國內(nèi)外戰(zhàn)場環(huán)境下，全球尺度和中尺度預報場的氣象海洋預報較為成熟。然而，氣象海洋信息保障的精準性和時效性，還不足以完全滿足提升復雜武器系統(tǒng)和小型部隊戰(zhàn)斗力的程度。災害性天氣多是小尺度突發(fā)性氣象事件，精準監(jiān)測并即時預報災害性天氣，是國內(nèi)外氣象海洋保障技術面臨的共同難題。研究融合多源傳感器的精準監(jiān)測技術，基于人工智能、大數(shù)據(jù)等智能分析技術的戰(zhàn)場環(huán)境災害性天氣精準保障技術，是有效保證作戰(zhàn)部隊安全、支撐提升作戰(zhàn)平臺和武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力的重要趨勢。

3.1 災害性天氣監(jiān)測預警保障趨勢

當前災害性天氣監(jiān)測預警研究中，對于小尺度、突發(fā)性的龍卷風、暴雨、雷暴等災害性天氣，捕獲難度大、精確監(jiān)測以及預警屬于學科性難題。復雜戰(zhàn)場環(huán)境感知逐漸向光學、雷達、LiDAR、超聲波、紅外等多源傳感器協(xié)同融合方向發(fā)展［43］，新型武器也向著適應全天候復雜戰(zhàn)場環(huán)境方向演化。在氣象條件動態(tài)影響武器效能研究基礎上，精細化氣象保障服務是提升武器效能的重要技術支撐［44］。面向未來智能作戰(zhàn)樣式下高精度裝備戰(zhàn)場環(huán)境信息精準保障需求，研究戰(zhàn)場環(huán)境災害天氣遂行預報技術，是保障作戰(zhàn)部隊安全、提升作戰(zhàn)平臺以及復雜武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的重要課題。隨著軍事科技的發(fā)展，在智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術持續(xù)推動下，精準感知確定時間窗口的戰(zhàn)場環(huán)境自然要素、軍事裝備能力、作戰(zhàn)部署以及戰(zhàn)場態(tài)勢等信息正在縮小與客觀戰(zhàn)場的差距，未來戰(zhàn)場保障向著透明戰(zhàn)場方向發(fā)展。

3.2 災害性天氣軍事利用研究趨勢

未來戰(zhàn)爭必定是物理、信息、社會、意識等跨域聯(lián)合的戰(zhàn)爭［45］。三國時期“草船借箭”“火燒連營”，就是災害天氣軍事化利用的先例。在現(xiàn)代氣象學支撐下，氣象武器諸如人工降雨、人工降∕消霧、人造洪暴、人造寒冷酷暑、人工控制雷電和引導臺風等可以改變戰(zhàn)場氣象環(huán)境，制造出有利于己方、不利于敵方的作戰(zhàn)條件［46］。氣象武器具有隱蔽性強、威力大、改變自然等特征。量化氣象武器的毀傷能力，是氣象武器廣泛應用的重要前提。

氣象鏈生災害的致災機理復雜。精準地監(jiān)測、模擬并預測氣象鏈生災害是典型的科學難題。以人造洪暴為例，暴雨引發(fā)的漫堤、潰壩、城市洪澇等水文災害，直接阻斷交通、切斷運輸、切斷通訊，可能成為無硝煙的社會域、意識域戰(zhàn)場利用的重要目標。洪澇災害模擬的準確性受承災區(qū)下墊面水文響應特征的影響［47］。然而，氣象武器往往作用在沖突區(qū)域，較難獲得精確的地面環(huán)境資料。遙感技術是監(jiān)測沖突區(qū)環(huán)境的重要手段，融合遙感技術評估氣象鏈生災害破壞性，是氣象武器效能研究的重要趨勢。

3.3 戰(zhàn)場環(huán)境信息保障發(fā)展趨勢

人類戰(zhàn)爭由冷冰器時代的體力博斗，經(jīng)歷了熱兵器時代的火力比拼，再發(fā)展到當前數(shù)字戰(zhàn)場“信息制勝”的斬首式對抗。隨著智能傳感器、人工智能等裝備進入實戰(zhàn)，空、天、地、海物理戰(zhàn)場，也必定向著深海、深空、深地拓展，無人作戰(zhàn)、有人∕無人協(xié)同作戰(zhàn)將會成為未來戰(zhàn)爭的重要模式［48］。

在星鏈計劃、通導遙一體化等高新技術支撐下，戰(zhàn)場環(huán)境自然的、軍事的、非軍事信息保障將會更加透明。傳統(tǒng)敵我雙方以軍隊、政府為主的較量模式，在某一方受到友方高新科技武器裝備與信息支持時，戰(zhàn)爭對抗力量的優(yōu)勢可能發(fā)生根本性變化。在跨域聯(lián)合作戰(zhàn)、有人∕無人作戰(zhàn)平臺協(xié)同作戰(zhàn)的競技場，隨著通導遙感一體化的高時間、高空間分辨率的戰(zhàn)場環(huán)境信息泛在感知廣泛共享，打破“信息”制衡格局的友方支持，也可能在國家、政府、科技巨頭外，涌現(xiàn)更為泛在的小微企業(yè)或團體。

4 結(jié)論

準確感知預測交戰(zhàn)空間天氣狀況、提升災害性天氣預測的準確性，可以為指揮決策、前線作戰(zhàn)以及火力控制等提供重要的信息支持?？傮w來看，適宜于武器裝備火力控制、戰(zhàn)術行動指揮的短臨預報的準確性較高，適宜于戰(zhàn)役、戰(zhàn)略層面決策的長時間預報的準確性，仍需要進一步提高。

未來智能化作戰(zhàn)場景，無人作戰(zhàn)、有人∕無人協(xié)同作戰(zhàn)，尤其需要精確地感知戰(zhàn)場環(huán)境信息。因此，在未來研究中，尚需深入研究利用智能傳感器、人工智能、三維變分同化、智能分析等技術，監(jiān)測并模擬戰(zhàn)場環(huán)境氣象信息以及災害性天氣的演化過程，提升戰(zhàn)場環(huán)境災害性信息保障的準確性以及時效性。