我國高原氣象條件及其對火炮外彈道特性影響

蔣　明,劉玉文,李　泳,張志遠(yuǎn)

(陸軍軍官學(xué)院，合肥　230031)

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我國高原氣象條件及其對火炮外彈道特性影響

蔣明,劉玉文,李泳,張志遠(yuǎn)

(陸軍軍官學(xué)院，合肥230031)

摘要：針對我國高原氣象條件復(fù)雜、火炮武器高原適應(yīng)性差的問題，在查閱大量高原氣象、火炮外彈道等相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從我國高原地區(qū)分布及統(tǒng)計情況入手，以影響火炮外彈道特性的高原氣溫、高原氣壓、高原濕度、高原風(fēng)等4個主要因素為分析對象，梳理總結(jié)了我國高原氣象條件研究情況及其對火炮外彈道特性影響的研究情況，提出了進(jìn)行火炮高原外彈道特性研究的相關(guān)建議，為系統(tǒng)開展火炮高原彈道特性研究、高原射表的編擬、炮兵指揮信息系統(tǒng)的設(shè)計等提供參考。

關(guān)鍵詞：外彈道；火炮；高原氣象；綜述

我國高原面積遼闊，由于高原地區(qū)本身環(huán)境惡劣、氣候多變、地形復(fù)雜的影響，以及以往人們對武器裝備高原高寒地區(qū)使用問題重視不夠、試驗數(shù)據(jù)少等方面的原因，炮兵在高原射擊時，存在適應(yīng)性差、“掉彈”、控制效率下降、射擊不準(zhǔn)等諸多問題。此外，高原射表問題也是一直困擾我軍炮兵部隊的一大難題。解決這些問題的基礎(chǔ)是必須研究清楚高原的氣象條件，本研究在查閱大量高原氣象、火炮外彈道等相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，梳理總結(jié)了我國高原氣象條件及其對火炮外彈道特性影響的研究情況，為系統(tǒng)開展火炮武器的高原適應(yīng)性研究、高原射表的編擬、炮兵指揮信息系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1我國高原簡單情況

我國有青藏高原、內(nèi)蒙高原、云貴高原、黃土高原等四大高原[1]，青藏高原是我國高原的主體，海拔高度平均在4 000 m以上，是世界上最高、地形最復(fù)雜的高原，它比世界第二大高原——北美的洛基山海拔2 000多米高出一半。

我國高原面積遼闊，海拔1 000 m以上的地區(qū)面積約為526萬平方公里，約占國土總面積的55%，海拔4 000 m以上的地區(qū)面積約185萬平方公里，約占國土總面積的19%。

根據(jù)我國高原地區(qū)的情況，考慮到我國周邊安全形式和邊境反擊作戰(zhàn)的需要，應(yīng)重點分析青藏高原火炮武器彈道特性及武器裝備性能情況，而且其研究成果對其他高原(高寒)地區(qū)具有一定的參考價值。

2我國高原氣象條件

高原氣象條件包括：氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、云、能見度，以及天氣現(xiàn)象等[2]。這些氣象要素都影響火炮的射擊精度和作戰(zhàn)效能，但氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)的影響最為顯著。

2.1高原氣溫

在地面氣溫方面，文獻(xiàn)[3]利用我國高原地區(qū)的地面測站逐日平均氣溫資料、NCEP(美國環(huán)境預(yù)報中心)、ECMWF(歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心)地面氣溫資料的再分析值，對地面氣溫進(jìn)行了對比分析。3種資料的分析結(jié)果不盡相同，分別為：明顯變暖、較弱的局部變暖和局部變暖。此外，高原的氣溫變化呈明顯的年代際特征，就高原本身主體而言，各區(qū)域的溫度變化存在差異，高原主體的氣溫變化最先出現(xiàn)在高原東南部和海拔較高的區(qū)域[4]。

在氣溫隨高度變化方面，文獻(xiàn)[5]利用臺站探空觀測資料和衛(wèi)星觀測資料，分析了1979—2002年青藏高原上空溫度的變化趨勢。結(jié)果表明：高原地區(qū)上空平流層低層和對流層上層的溫度與對流層中低層具有反相變化趨勢。平流層低層和對流層上層降溫幅度比全球平均降溫幅度更大。高原上空對流層中低層增溫趨勢比同緯度非高原地區(qū)更強(qiáng)。

青藏高原氣溫變化的區(qū)域性研究同時也受到人們的關(guān)注。文獻(xiàn)[6]指出，高原年平均氣溫變化在空間分布上存在差異，高原東北部和西南部升溫趨勢強(qiáng)于東南部。文獻(xiàn)[7]點繪了1951年以來高原各站的逐年平均溫度變化曲線，指出可將其分為高原主體、高原北部與地形背風(fēng)區(qū)3種類型。文獻(xiàn)[8]利用高原上28個臺站1960—1989年的資料，采用旋轉(zhuǎn)主成分分析方法，將高原氣溫變化分為5個區(qū)。文獻(xiàn)[9]利用高原及周圍地區(qū)的臺站資料，增加高原東部區(qū)域，將高原氣溫變化分為6個區(qū)。文獻(xiàn)[10]在分析ISCCP 衛(wèi)星反演溫度場之后，將高原氣溫變化分為北部、南部和西部3個區(qū)。文獻(xiàn)[11]根據(jù)1962—1999年高原72個臺站資料，以唐古拉山的為界，將高原劃分為西藏區(qū)和青海區(qū)。文獻(xiàn)[12]利用高原測站冬季和夏季的月平均氣溫資料，分析高原冬、夏季氣溫異常的空間分布。文獻(xiàn)[13]對近50年青藏高原的地面氣溫變化的區(qū)域特征進(jìn)行了分析。

通過上述文獻(xiàn)可以看出，盡管高原氣溫的整體變化趨勢是隨高度減小，但仍然有其自身的特殊性和區(qū)域性，需要在外彈道研究中重新界定或修正高原地區(qū)的溫度變化規(guī)律。

2.2高原氣壓

氣壓變化的一般規(guī)律為：氣壓隨高度遞減。這是根據(jù)大氣鉛直平衡假設(shè)得到的，并有對其進(jìn)行定量計算公式[14]。高原上氣壓同樣受到其特殊地形的影響，有其自身特點。

文獻(xiàn)[15]研究了北半球夏季高原對流層頂氣壓異常變動的物理機(jī)制，結(jié)果表明：高原對流層頂氣壓異常變動與平流層和對流層氣溫及位勢高度異常有密切聯(lián)系，與地表溫度異常也有關(guān)系；高原地區(qū)對流異常和顯著的整層大氣非絕熱加熱差異是高原對流層頂氣壓異常變動的主要原因。

文獻(xiàn)[16]利用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)方法，分析了1948—2004年青藏高原及東亞鄰近區(qū)域?qū)α鲗禹敋鈮簣龅臅r空演變結(jié)構(gòu)，得到了高原氣壓場的主要演變特征。

在高原地區(qū)氣壓隨海拔高度變化規(guī)律上，文獻(xiàn)[17]除介紹國內(nèi)外普遍使用的幾個壓一高公式外，還根據(jù)克拉泊龍—門捷列也夫狀態(tài)方程、靜力學(xué)基本方程的冪級數(shù)近似公式推導(dǎo)出一個比目前已知公式都要精確的壓—高公式。此公式計算簡便，經(jīng)86%的高原氣象臺、站測定，誤差在3%以內(nèi)。

通過對以上代表性文獻(xiàn)結(jié)論的分析可知，高原上氣壓總體隨海拔高度增加成遞減趨勢，但在高原上的高空大氣壓也存在其特有的變動性和季節(jié)差異。

2.3高原濕度

濕度是表征空氣中水汽含量和潮濕程度的物理量。相對濕度是指空氣中實際水汽壓與當(dāng)時氣溫下的飽和水汽壓的比值，以百分?jǐn)?shù)表示[18]。濕度是影響火炮外彈道特性和射擊諸元的氣象要素。在高原地區(qū)，濕度的變化受到時間、空間、季節(jié)性等諸多因素的影響。

文獻(xiàn)[19]對我國主要高原地區(qū)的年平均相對濕度進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果為：青藏高原在50%以下(拉薩46%、西寧35%、共和33%、五道梁26%)，云貴高原在50%以上(昆明71%、蒼山78%)。而文獻(xiàn)[20] 對我國西昌地區(qū)濕度進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果為：全年除2、3、4月外，其余各月的平均相對濕度都超過50%，在夏季則超過70%。

文獻(xiàn)[21]通過對青藏高原123個測站，1961—1998年冬季(12月至翌年2月)相對濕度資料用方差極大正交旋轉(zhuǎn)EOF(即REOF)方法進(jìn)行分析，高原大部分地區(qū)濕度變化總趨勢是在波動中逐步增濕。東部高原增濕幅度從南到北存在逐步減小現(xiàn)象，甚至祁連山地區(qū)出現(xiàn)變干現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[22]使用青藏高原氣象科學(xué)實驗測站觀測資料、歐洲中心FGGE-Ⅲb資料、GMS1地球同步衛(wèi)星云圖資料、河流水文資料以及其他一些有關(guān)資料，討論了夏季青藏高原地區(qū)高濕狀況的維持機(jī)制。通過研究，發(fā)現(xiàn)盛夏青藏高原西部是一個高濕區(qū)域。

文獻(xiàn)[23]利用1998年夏季第2次青藏高原大氣科學(xué)試驗當(dāng)雄觀測站的邊界層觀測資料以及拉薩、改則和武漢等地探空資料，分析討論西藏高原斜壓對流邊界層風(fēng)、溫、濕廓線的特征時發(fā)現(xiàn)高原對流邊界層中濕度廓線有時在某一高度上出現(xiàn)濕度極大值。

文獻(xiàn)[24]對2011年7月青藏高原北部觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明：在該地區(qū)海拔高度為3 000～7 500 m 范圍內(nèi)，平均相對濕度達(dá)60%～70%，最大相對濕度達(dá)85%，而海拔高度在3 000 m以下和8 000 m以上地區(qū)相對濕度偏低。

上述研究文獻(xiàn)表明，高原濕度變化規(guī)律比平原地區(qū)復(fù)雜，存在地區(qū)差異性和高海拔地區(qū)的不均勻性，現(xiàn)行炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件中對濕度為50%的假設(shè)并不適用于高原地區(qū)。

2.4高原風(fēng)

大量資料表明[25]，在一年期間內(nèi)，風(fēng)會發(fā)生系統(tǒng)的變化。這種變化主要是由太陽發(fā)熱強(qiáng)度的季節(jié)變化引起。風(fēng)在不同緯度、經(jīng)度、高度上是不同的，而且不同的地形，如海陸分布，山谷丘陵等也會對風(fēng)造成影響。

風(fēng)有明顯的季節(jié)、緯度變化[26]。不同月份風(fēng)分布不同，相同月份不同緯度風(fēng)分布也不相同。CIRA 1986國際參考大氣[27]給出了0～120 km各月不同緯度的緯圈平均緯向風(fēng)。

文獻(xiàn)[28]利用衛(wèi)星溫度網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，計算了平均緯向風(fēng)并與CIRA1986比較發(fā)現(xiàn)，中國高空風(fēng)有明顯的地區(qū)特征，尤其在冬季，它的形態(tài)及大小與CIRA1986的緯圈平均緯向風(fēng)有相當(dāng)大的差別。

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB366.2-87—大氣風(fēng)場(0～25 km)中對我國的測風(fēng)資料進(jìn)行整理，給出了北緯0～80°間隔20°、一月和七月的風(fēng)速隨高度的分布。用圓形正態(tài)分布計算了風(fēng)的特性并計算了北緯20°以上緯度地帶的平均特性。

文獻(xiàn)[29]將風(fēng)簡化為準(zhǔn)定常風(fēng)、陣風(fēng)、急流和隨機(jī)風(fēng)4種模型，并在這4種模型下，研究了火炮射程的變化。文獻(xiàn)[30]中也做了相似研究。

高原上大風(fēng)天數(shù)多，有的地區(qū)大風(fēng)日在140天以上，風(fēng)速多在10-25 m/s[31]。在青藏高原上，最大風(fēng)速甚至可達(dá)40 m/s，在12級以上[32]。在海拔4 300 m以上的地區(qū)。一般中午12時以后，由于地形條件和大氣對流的作用，風(fēng)力增強(qiáng)。另外，風(fēng)速也隨地形變化，在高山狹谷地帶，風(fēng)大、隨機(jī)風(fēng)較多[33]。

對高原風(fēng)場情況的研究，文獻(xiàn)[23]研究了西藏高原對流邊界層中平均風(fēng)速垂直分布存在風(fēng)切變現(xiàn)象。文獻(xiàn)[34]提出了一種以地形高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維復(fù)雜地形建模及其風(fēng)場分布求解的數(shù)值仿真方法。文獻(xiàn)[35-39]中分別從不同的角度構(gòu)建了三維山體模型，仿真得到了山地風(fēng)場平均值、脈動風(fēng)譜、加速效應(yīng)等特性的變化規(guī)律。

由上述文獻(xiàn)可以看出，高原風(fēng)比平原風(fēng)復(fù)雜，受季節(jié)、緯度、區(qū)域、地形等多方面的影響。同時，目前炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件中的無風(fēng)假設(shè)與高原氣象實際風(fēng)均值不符，這也影響了高原射擊諸元的精度。

3火炮高原外彈道特性

3.1現(xiàn)狀及原因

關(guān)于火炮高原外彈道特性的研究文獻(xiàn)相對較少，可以獲得的火炮高原彈道特性變化規(guī)律不具系統(tǒng)性。炮兵部隊每年也進(jìn)行實彈射擊訓(xùn)練，但由于缺乏研究人員的及時跟進(jìn)，獲得的實射數(shù)據(jù)只包含炸點、射彈散布等，關(guān)于彈丸在高原飛行時的彈道軌跡、飛行姿態(tài)、飛行穩(wěn)定性、氣動特性等較少。近年來我國已經(jīng)逐步開展了一些武器裝備高原適應(yīng)性研究，但還有大量工作亟待進(jìn)行。

主要原因有兩個：一是特殊環(huán)境條件屬我國特有，沒有國際標(biāo)準(zhǔn)借鑒，國外相關(guān)文獻(xiàn)資料也少；二是由于歷史及現(xiàn)實技術(shù)條件、高原試驗場地等方面的限制，試驗數(shù)據(jù)少，缺乏大量的試驗驗證。這也是現(xiàn)階段解決火炮高原射擊一系列問題的技術(shù)難點所在。

3.2高原氣象對彈道特性影響

根據(jù)外彈道學(xué)理論，彈丸的質(zhì)心運動方程可簡化表示為

(1)

式中各符號意義同文獻(xiàn)[14]。

從方程可以看出，由于高原空氣密度低，彈丸飛行時的速度變化率減小，所以在相同的初速條件下，高原條件下全彈道飛行速度比平原條件下大。同樣，由方程可知，高原重力加速度小，也將導(dǎo)致高原條件下彈丸飛行速度變大，所以在相同射角下，高原彈道的傾角變化率小。因此，在射擊時高原彈道更為平直。對地炮來說，高原的射程遠(yuǎn)，最大彈道高大，對高炮來說，在相同的飛行時刻，高原彈道的水平距離和彈道高度都大于低海拔地區(qū)[40]。方程同時反映了各因素對偏流的影響，高原情況下空氣密度小，使偏流減小。在相同射角下高原動力平衡角大，使偏流增大。在相同射程下，彈丸高原飛行時間小，使偏流減小?？傮w來說，在相同射角下高原彈道射程增加、偏流增大。在相同射程下，高原彈道飛行時間減少，偏流減小。

氣壓直接影響空氣密度，而且成正比關(guān)系。高原氣壓低，彈丸所受空氣阻力減小，射程增大。氣溫不但通過改變空氣密度影響彈道，而且又通過改變聲速和阻力系數(shù)影響彈道，并且在阻力系數(shù)曲線的上升段和下降段，其影響不同。由于空氣密度的影響起主導(dǎo)作用，所以，在高原條件下由于氣溫降低，射程減小。

濕度方面，在火炮外彈道特性研究和炮兵射擊中，主要通過測量各彈道高的濕度，以修正濕度對彈丸飛行的影響。為減少修正項目，我軍把濕度和氣溫對彈丸飛行的影響，綜合為虛溫的影響，通過修正虛溫來修正濕度的影響[41-42]。濕度一方面通過改變發(fā)射藥和火炮等的性能而影響射擊精度，所產(chǎn)生的誤差屬于偶然誤差，主要通過指揮員的經(jīng)驗來提高射擊精度；另一方面濕度通過影響各彈道高的空氣密度大小，而影響彈丸的飛行。在夏季高溫季節(jié)，濕度對射擊諸元的影響最大；春季、秋季和冬季較小[41]。

3.3高原彈道和火炮射擊試驗

關(guān)于高原彈道特性的相關(guān)試驗，報道的不是太多，主要集中在射程、初速和射彈散布的試驗方面。

炮兵部隊火炮高原實彈射擊實驗表明，與平原上相同射擊條件相比，射程一般增加20%～25%，方向偏離炮目方向50～85 mil。

高原上的低氣溫環(huán)境對火炮射擊的影響，文獻(xiàn)[42]認(rèn)為：對射擊精度、炸點觀察帶來很大影響。低溫環(huán)境下，觀目距離2 000 m以上、積雪超過50 cm，觀察炸點非常困難；氣溫在-25～-30℃時，“冷炮誤差”通常使射彈偏近0.5%～1.0%。高原風(fēng)對射彈射程、飛行方向都有影響，而且導(dǎo)致射擊修正量變化急劇，嚴(yán)重影響火炮的射擊精度[44-45]。

在初速方面，文獻(xiàn)[45]介紹：某火炮使用相同彈、炮、藥及測速度雷達(dá)的條件下，在高程H=1 500 m，測得的初速比H=0的初速減小約2 m/s。

文獻(xiàn)[42]介紹了某次130 mm加農(nóng)炮、152 mm加農(nóng)榴彈炮及配套裝備高原地區(qū)作戰(zhàn)使用適應(yīng)性試驗情況。運用統(tǒng)計學(xué)方法對射程和射彈散布進(jìn)行檢驗，在射程方面，全號裝藥的幾組射擊中，有顯著差異的組數(shù)比重不小。

文獻(xiàn)[44]介紹了某部于2009年6月下旬到10月下旬在格爾木至昆侖山口地區(qū)，使用54-1式122榴彈炮的高原試驗情況。試驗表明，射彈散布隨海拔增加而增大。

此外，精確制導(dǎo)的炮彈，如激光末制導(dǎo)炮彈，受低氣壓和復(fù)雜地形影響，飛行控制難度加大，命中精度降低[46]。反坦克導(dǎo)彈、122 mm火箭彈在高原試驗或使用中出現(xiàn)了掉彈；炮射導(dǎo)彈命中率由80%下降到30%。

通過以上文獻(xiàn)中體現(xiàn)的試驗數(shù)據(jù)與試驗結(jié)論的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)：不同的海拔對火炮外彈道特性影響是不同的；火炮在高原地區(qū)適應(yīng)性差，主要表現(xiàn)為射擊精度下降、射彈散布增大、穩(wěn)定性變差等方面。

4結(jié)論及建議

迫切需要結(jié)合我國高原氣象條件實際情況對高原彈道進(jìn)行全面深入的分析，找到解決問題的辦法。為了更好開展火炮高原外彈道特性研究，根據(jù)本文對文獻(xiàn)梳理和分析的結(jié)果，建議：

1)高原標(biāo)準(zhǔn)氣象條件需進(jìn)一步明確。對于一個具有獨特地理氣象環(huán)境的地區(qū)或地形條件而言，外彈道學(xué)的理論和實踐研究、炮兵射擊的理論和實踐研究都必須有確定的、科學(xué)的、實際的標(biāo)準(zhǔn)氣象作基礎(chǔ)。

2)高原氣象條件對高原彈道特性影響的模型描述需要全面系統(tǒng)研究。高海拔條件及其所帶來的一系列實際條件的變化，可能導(dǎo)致一些在低海拔條件下影響比較小的因素(假設(shè))對彈道特性的影響作用凸顯，嚴(yán)重影響彈箭的高原實際使用。因此，需要立足高原實際條件，全面系統(tǒng)的分析各影響因素。

3)高原射表與試驗驗證問題需要進(jìn)一步研究。傳統(tǒng)的高原射表是根據(jù)低海拔射表簡單外推轉(zhuǎn)換而來，其編制原理的科學(xué)合理性值得商榷。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：蔣明,劉玉文,李泳,等.我國高原氣象條件及其對火炮外彈道特性影響[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(5):7-11.

Citation format:JIANG Ming,LIU Yu-wen,LI Yong,et al.Chinese Plateau Meteorological Conditions and Affects on External Ballistic Characteristics[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):7-11.

Chinese Plateau Meteorological Conditions and Affects on External Ballistic Characteristics

JIANG Ming,LIU Yu-wen,LI Yong,ZHANG Zhi-yuan

(Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Abstract:In view of the complexity of meteorological conditions and poor adaptability of artillery weapon system,the paper analyzed and summarized the research on the four main factors: plateau temperature,plateau pressure,plateau humidity and plateau wind,as well as the research on their affects on external ballistic characteristics,and proposed some suggestions for the research on the external ballistic characteristics on plateau based on consulting a large number of plateau meteorology,external ballistic and other related documents,starting from the distribution and the statistics of the plateau region,which is useful for scientifically carrying out the research on the external ballistic characteristics on plateau,arranging the plateau firing table,designing the artillery command information system and so on.

Key words:external ballistic; artillery; plateau meteorology; summarize

doi:【裝備理論與裝備技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.05.002

收稿日期：2015-11-06；修回日期：2015-11-22

作者簡介：蔣明(1981—)，男，博士研究生，講師，主要從事外彈道學(xué)理論與應(yīng)用、外彈道氣象學(xué)研究。

中圖分類號：TJ012.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0007-05