氣象分層對(duì)地炮彈道虛溫偏差量計(jì)算的影響

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(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.中國(guó)人民解放軍 73146部隊(duì),福建 泉州 362300)

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氣象分層對(duì)地炮彈道虛溫偏差量計(jì)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(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.中國(guó)人民解放軍 73146部隊(duì),福建 泉州 362300)

為了研究不同彈道氣象分層方法對(duì)地炮彈道虛溫偏差量(BVTD)計(jì)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(wèn)題,基于實(shí)際探空資料計(jì)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(dá)到20層時(shí),BVTD即可達(dá)到與高空氣象探測(cè)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(jì)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(duì)射擊精度的影響較大,必須利用實(shí)時(shí)高空氣象資料計(jì)算彈道氣象條件,對(duì)彈道進(jìn)行準(zhǔn)確修正[1-4]。在地炮氣象保障中,需要計(jì)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(jì)50年代原蘇聯(lián)炮兵標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算量小,基本滿(mǎn)足過(guò)去火炮小射程條件下的氣象保障要求。近年來(lái),隨著火炮射程不斷增加、“首發(fā)命中”和“首群覆蓋”對(duì)炮兵提出了新的保障需求,同時(shí),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(cè)風(fēng)技術(shù)[6-7]等新型高空氣象探測(cè)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(mǎn)足信息化作戰(zhàn)的要求。因此,有必要對(duì)原有的炮兵氣象保障方式進(jìn)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(wèn)題,通過(guò)實(shí)際探空資料,計(jì)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(jì)算的改進(jìn)方法。由于篇幅所限,本文主要對(duì)地炮氣象保障中BVTD的計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1　地炮彈道氣象分層方法

地炮彈丸經(jīng)過(guò)各高度層的時(shí)間是不一樣的,彈丸經(jīng)過(guò)低層的時(shí)間短而經(jīng)過(guò)高層的時(shí)間長(zhǎng)。彈丸經(jīng)過(guò)某氣層的相對(duì)時(shí)間越長(zhǎng),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(duì)地炮射擊的影響程度基本與彈丸在該氣層內(nèi)飛行的時(shí)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(shí)間與總飛行時(shí)間之比來(lái)表示。為了計(jì)算簡(jiǎn)便,按真空彈道計(jì)算經(jīng)過(guò)時(shí)間并計(jì)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(chēng)之為相對(duì)高度法,即在分層時(shí),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(yùn)動(dòng)過(guò)程中,彈丸的相對(duì)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(hào),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(chēng)為相對(duì)停留時(shí)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(shí),任一氣層i的彈道氣層權(quán)重為

(4)

另外,在計(jì)算地炮彈道風(fēng)時(shí),需要考慮空氣密度對(duì)彈丸的作用,計(jì)算彈道風(fēng)時(shí)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(guò)。

2　目前業(yè)務(wù)中的BVTD計(jì)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(yàn)和作業(yè)習(xí)慣,通常采用等權(quán)重分層法。在計(jì)算彈道虛溫偏差量和彈道空氣密度偏差量時(shí),彈道高度在3 km及其以下時(shí),統(tǒng)一分為2層,3 km以上時(shí),統(tǒng)一分為4層,并用氣層的中央氣層權(quán)重來(lái)表示該層的相對(duì)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(duì)應(yīng)相對(duì)高度關(guān)系如表1所示。

表1　地炮彈道各層氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)相對(duì)高度

表1中,以分2層為例,采用等權(quán)重分層法時(shí),第1層和第2層的權(quán)重分別為0.5。對(duì)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(duì)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(jì)算方法

BVTD是指在彈道范圍內(nèi)各高度上實(shí)際虛溫與標(biāo)準(zhǔn)虛溫差值的加權(quán)平均值,采用如下方法進(jìn)行計(jì)算[10-11]。

對(duì)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(shí)際虛溫值,Tv,h,i為第i層、該高度下的由炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件得到的標(biāo)準(zhǔn)虛溫值,n為分層數(shù)量,qi為第i層氣層占整個(gè)彈道氣層的權(quán)重。

當(dāng)采用等權(quán)重分層時(shí),式(5)簡(jiǎn)化為

(6)

計(jì)算地炮BVTD的步驟:①根據(jù)高空氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中各高度氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)的各分層代表高度上的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度值,計(jì)算實(shí)際虛溫值;②查取炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件該高度上的標(biāo)準(zhǔn)虛溫值;③由實(shí)際虛溫值減去標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算得到彈道總的BVTD。氣象業(yè)務(wù)中,計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理時(shí),采用氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)的實(shí)際高度進(jìn)行計(jì)算;人工處理時(shí),按氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)的50 m規(guī)整后的高度進(jìn)行計(jì)算。

2.3存在問(wèn)題分析

以上炮兵氣象業(yè)務(wù)中BVTD的計(jì)算方法過(guò)程存在以下問(wèn)題:

①高空探測(cè)資料數(shù)據(jù)利用率極低?，F(xiàn)有的高空探測(cè)資料,垂直分辨率已經(jīng)達(dá)到10 m以?xún)?nèi),但在實(shí)際計(jì)算BVTD時(shí),在整個(gè)彈道高度范圍內(nèi)有大量的氣象數(shù)據(jù),由于實(shí)際大氣條件千差萬(wàn)別,僅僅以2層或4層氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)高度上的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算BVTD,顯然容易出現(xiàn)“以偏概全”的問(wèn)題。

②實(shí)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(duì)流層內(nèi)隨高度線性遞減,但對(duì)流層頂?shù)母叨入S季節(jié)、地域、大氣狀況而變化,且在進(jìn)入平流層,以及出現(xiàn)逆溫層、等溫層等天氣狀況時(shí),就不可避免地出現(xiàn)氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)高度的氣溫與該氣層的實(shí)際氣溫之間出現(xiàn)較大偏差;另外,高空大氣的相對(duì)濕度主要受云的類(lèi)型、高度、厚度等影響,當(dāng)有云時(shí),氣層權(quán)重對(duì)應(yīng)高度的相對(duì)濕度會(huì)因云內(nèi)、云外而出現(xiàn)突變;這些天氣條件都會(huì)使氣層內(nèi)代表高度的虛溫偏差值出現(xiàn)大幅波動(dòng),從而對(duì)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(zhǔn)確確定該氣層內(nèi)的氣象要素代表值、計(jì)算準(zhǔn)確的氣層虛溫偏差量就是一個(gè)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(duì)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(duì)氣層虛溫偏差量的貢獻(xiàn)。

④由于現(xiàn)有的炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件存在諸多問(wèn)題[13-16],與我國(guó)的實(shí)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(shí)還會(huì)增大各氣層虛溫偏差量計(jì)算的隨機(jī)性,對(duì)最終BVTD的計(jì)算結(jié)果造成影響。

3　彈道氣象分層方法對(duì)BVTD計(jì)算的影響

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用GPS高空探測(cè)系統(tǒng)獲得的探空資料,該設(shè)備采樣時(shí)間間隔為1 s,氣球上升速度約為400 m/min,即觀測(cè)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(guó)氣象局氣象探測(cè)中心組織實(shí)施的國(guó)產(chǎn)GPS探空儀動(dòng)態(tài)考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)52組,包括在北京探空數(shù)據(jù)17組(站號(hào):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(hào):54 102,海拔高度:1 004 m,經(jīng)度:116.1°,緯度:44.0°)、廣東陽(yáng)江探空數(shù)據(jù)10組(站號(hào):59 663,海拔高度:88 m,經(jīng)度:112.0°,緯度:21.8°)。3個(gè)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(guó)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(jì)算方法

通過(guò)對(duì)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(gè)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(dá)到20層以上時(shí),即使最大彈道高度達(dá)到16 km,其BVTD也趨于穩(wěn)定。因此,對(duì)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(huì)對(duì)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(duì)虛溫偏差量的理想值無(wú)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(jìn)行計(jì)算。為了比較不同分層數(shù)量對(duì)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(jìn)行計(jì)算,方法如下:

①分別求取以等權(quán)重分層法計(jì)算得到的、分2層到50層的每組探空數(shù)據(jù)對(duì)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(jiàn)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(jì)算,探空有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為L(zhǎng)。

②對(duì)某組探空資料,計(jì)算在某彈道高度下的BVTD理想值。對(duì)分41～50層計(jì)算的10個(gè)BVTD求均值,作為該彈道高度對(duì)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(duì)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(jì)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(shí),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(duì)比可以看出,等權(quán)重法分20層的虛溫偏差量計(jì)算精度要比等權(quán)重法分10層的高,分散小,而兩者的計(jì)算精度都比目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的分層方法的計(jì)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(jì)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(duì)彈道氣象要素偏差量的計(jì)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(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)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(dá)到20層時(shí),即可達(dá)到與高空探測(cè)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(xiàng)目

趙世軍(1976- ),男,副教授,研究方向?yàn)檐娛麓髿馓綔y(cè)理論與技術(shù)。E-mail:general_zh@sina.com。

TJ301

A

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