我国高原气象条件及其对火炮外弹道特性影响

蒋　明,刘玉文,李　泳,张志远

(陆军军官学院，合肥　230031)



我国高原气象条件及其对火炮外弹道特性影响

蒋明,刘玉文,李泳,张志远

(陆军军官学院，合肥230031)

摘要：针对我国高原气象条件复杂、火炮武器高原适应性差的问题，在查阅大量高原气象、火炮外弹道等相关研究文献的基础上，从我国高原地区分布及统计情况入手，以影响火炮外弹道特性的高原气温、高原气压、高原湿度、高原风等4个主要因素为分析对象，梳理总结了我国高原气象条件研究情况及其对火炮外弹道特性影响的研究情况，提出了进行火炮高原外弹道特性研究的相关建议，为系统开展火炮高原弹道特性研究、高原射表的编拟、炮兵指挥信息系统的设计等提供参考。

关键词：外弹道；火炮；高原气象；综述

我国高原面积辽阔，由于高原地区本身环境恶劣、气候多变、地形复杂的影响，以及以往人们对武器装备高原高寒地区使用问题重视不够、试验数据少等方面的原因，炮兵在高原射击时，存在适应性差、“掉弹”、控制效率下降、射击不准等诸多问题。此外，高原射表问题也是一直困扰我军炮兵部队的一大难题。解决这些问题的基础是必须研究清楚高原的气象条件，本研究在查阅大量高原气象、火炮外弹道等相关研究文献的基础上，梳理总结了我国高原气象条件及其对火炮外弹道特性影响的研究情况，为系统开展火炮武器的高原适应性研究、高原射表的编拟、炮兵指挥信息系统的设计提供参考。

1我国高原简单情况

我国有青藏高原、内蒙高原、云贵高原、黄土高原等四大高原[1]，青藏高原是我国高原的主体，海拔高度平均在4 000 m以上，是世界上最高、地形最复杂的高原，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。

我国高原面积辽阔，海拔1 000 m以上的地区面积约为526万平方公里，约占国土总面积的55%，海拔4 000 m以上的地区面积约185万平方公里，约占国土总面积的19%。

根据我国高原地区的情况，考虑到我国周边安全形式和边境反击作战的需要，应重点分析青藏高原火炮武器弹道特性及武器装备性能情况，而且其研究成果对其他高原(高寒)地区具有一定的参考价值。

2我国高原气象条件

高原气象条件包括：气温、气压、湿度、风、云、能见度，以及天气现象等[2]。这些气象要素都影响火炮的射击精度和作战效能，但气温、气压、湿度、风的影响最为显著。

2.1高原气温

在地面气温方面，文献[3]利用我国高原地区的地面测站逐日平均气温资料、NCEP(美国环境预报中心)、ECMWF(欧洲中期数值预报中心)地面气温资料的再分析值，对地面气温进行了对比分析。3种资料的分析结果不尽相同，分别为：明显变暖、较弱的局部变暖和局部变暖。此外，高原的气温变化呈明显的年代际特征，就高原本身主体而言，各区域的温度变化存在差异，高原主体的气温变化最先出现在高原东南部和海拔较高的区域[4]。

在气温随高度变化方面，文献[5]利用台站探空观测资料和卫星观测资料，分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明：高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温幅度比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温趋势比同纬度非高原地区更强。

青藏高原气温变化的区域性研究同时也受到人们的关注。文献[6]指出，高原年平均气温变化在空间分布上存在差异，高原东北部和西南部升温趋势强于东南部。文献[7]点绘了1951年以来高原各站的逐年平均温度变化曲线，指出可将其分为高原主体、高原北部与地形背风区3种类型。文献[8]利用高原上28个台站1960—1989年的资料，采用旋转主成分分析方法，将高原气温变化分为5个区。文献[9]利用高原及周围地区的台站资料，增加高原东部区域，将高原气温变化分为6个区。文献[10]在分析ISCCP 卫星反演温度场之后，将高原气温变化分为北部、南部和西部3个区。文献[11]根据1962—1999年高原72个台站资料，以唐古拉山的为界，将高原划分为西藏区和青海区。文献[12]利用高原测站冬季和夏季的月平均气温资料，分析高原冬、夏季气温异常的空间分布。文献[13]对近50年青藏高原的地面气温变化的区域特征进行了分析。

通过上述文献可以看出，尽管高原气温的整体变化趋势是随高度减小，但仍然有其自身的特殊性和区域性，需要在外弹道研究中重新界定或修正高原地区的温度变化规律。

2.2高原气压

气压变化的一般规律为：气压随高度递减。这是根据大气铅直平衡假设得到的，并有对其进行定量计算公式[14]。高原上气压同样受到其特殊地形的影响，有其自身特点。

文献[15]研究了北半球夏季高原对流层顶气压异常变动的物理机制，结果表明：高原对流层顶气压异常变动与平流层和对流层气温及位势高度异常有密切联系，与地表温度异常也有关系；高原地区对流异常和显著的整层大气非绝热加热差异是高原对流层顶气压异常变动的主要原因。

文献[16]利用经验正交函数分解(EOF)方法，分析了1948—2004年青藏高原及东亚邻近区域对流层顶气压场的时空演变结构，得到了高原气压场的主要演变特征。

在高原地区气压随海拔高度变化规律上，文献[17]除介绍国内外普遍使用的几个压一高公式外，还根据克拉泊龙—门捷列也夫状态方程、静力学基本方程的幂级数近似公式推导出一个比目前已知公式都要精确的压—高公式。此公式计算简便，经86%的高原气象台、站测定，误差在3%以内。

通过对以上代表性文献结论的分析可知，高原上气压总体随海拔高度增加成递减趋势，但在高原上的高空大气压也存在其特有的变动性和季节差异。

2.3高原湿度

湿度是表征空气中水汽含量和潮湿程度的物理量。相对湿度是指空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压的比值，以百分数表示[18]。湿度是影响火炮外弹道特性和射击诸元的气象要素。在高原地区，湿度的变化受到时间、空间、季节性等诸多因素的影响。

文献[19]对我国主要高原地区的年平均相对湿度进行了统计，统计结果为：青藏高原在50%以下(拉萨46%、西宁35%、共和33%、五道梁26%)，云贵高原在50%以上(昆明71%、苍山78%)。而文献[20] 对我国西昌地区湿度进行了统计，结果为：全年除2、3、4月外，其余各月的平均相对湿度都超过50%，在夏季则超过70%。

文献[21]通过对青藏高原123个测站，1961—1998年冬季(12月至翌年2月)相对湿度资料用方差极大正交旋转EOF(即REOF)方法进行分析，高原大部分地区湿度变化总趋势是在波动中逐步增湿。东部高原增湿幅度从南到北存在逐步减小现象，甚至祁连山地区出现变干现象。

文献[22]使用青藏高原气象科学实验测站观测资料、欧洲中心FGGE-Ⅲb资料、GMS1地球同步卫星云图资料、河流水文资料以及其他一些有关资料，讨论了夏季青藏高原地区高湿状况的维持机制。通过研究，发现盛夏青藏高原西部是一个高湿区域。

文献[23]利用1998年夏季第2次青藏高原大气科学试验当雄观测站的边界层观测资料以及拉萨、改则和武汉等地探空资料，分析讨论西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线的特征时发现高原对流边界层中湿度廓线有时在某一高度上出现湿度极大值。

文献[24]对2011年7月青藏高原北部观测数据进行了系统研究，研究结果表明：在该地区海拔高度为3 000～7 500 m 范围内，平均相对湿度达60%～70%，最大相对湿度达85%，而海拔高度在3 000 m以下和8 000 m以上地区相对湿度偏低。

上述研究文献表明，高原湿度变化规律比平原地区复杂，存在地区差异性和高海拔地区的不均匀性，现行炮兵标准气象条件中对湿度为50%的假设并不适用于高原地区。

2.4高原风

大量资料表明[25]，在一年期间内，风会发生系统的变化。这种变化主要是由太阳发热强度的季节变化引起。风在不同纬度、经度、高度上是不同的，而且不同的地形，如海陆分布，山谷丘陵等也会对风造成影响。

风有明显的季节、纬度变化[26]。不同月份风分布不同，相同月份不同纬度风分布也不相同。CIRA 1986国际参考大气[27]给出了0～120 km各月不同纬度的纬圈平均纬向风。

文献[28]利用卫星温度网格化数据，计算了平均纬向风并与CIRA1986比较发现，中国高空风有明显的地区特征，尤其在冬季，它的形态及大小与CIRA1986的纬圈平均纬向风有相当大的差别。

国家军用标准GJB366.2-87—大气风场(0～25 km)中对我国的测风资料进行整理，给出了北纬0～80°间隔20°、一月和七月的风速随高度的分布。用圆形正态分布计算了风的特性并计算了北纬20°以上纬度地带的平均特性。

文献[29]将风简化为准定常风、阵风、急流和随机风4种模型，并在这4种模型下，研究了火炮射程的变化。文献[30]中也做了相似研究。

高原上大风天数多，有的地区大风日在140天以上，风速多在10-25 m/s[31]。在青藏高原上，最大风速甚至可达40 m/s，在12级以上[32]。在海拔4 300 m以上的地区。一般中午12时以后，由于地形条件和大气对流的作用，风力增强。另外，风速也随地形变化，在高山狭谷地带，风大、随机风较多[33]。

对高原风场情况的研究，文献[23]研究了西藏高原对流边界层中平均风速垂直分布存在风切变现象。文献[34]提出了一种以地形高程数据为基础，进行三维复杂地形建模及其风场分布求解的数值仿真方法。文献[35-39]中分别从不同的角度构建了三维山体模型，仿真得到了山地风场平均值、脉动风谱、加速效应等特性的变化规律。

由上述文献可以看出，高原风比平原风复杂，受季节、纬度、区域、地形等多方面的影响。同时，目前炮兵标准气象条件中的无风假设与高原气象实际风均值不符，这也影响了高原射击诸元的精度。

3火炮高原外弹道特性

3.1现状及原因

关于火炮高原外弹道特性的研究文献相对较少，可以获得的火炮高原弹道特性变化规律不具系统性。炮兵部队每年也进行实弹射击训练，但由于缺乏研究人员的及时跟进，获得的实射数据只包含炸点、射弹散布等，关于弹丸在高原飞行时的弹道轨迹、飞行姿态、飞行稳定性、气动特性等较少。近年来我国已经逐步开展了一些武器装备高原适应性研究，但还有大量工作亟待进行。

主要原因有两个：一是特殊环境条件属我国特有，没有国际标准借鉴，国外相关文献资料也少；二是由于历史及现实技术条件、高原试验场地等方面的限制，试验数据少，缺乏大量的试验验证。这也是现阶段解决火炮高原射击一系列问题的技术难点所在。

3.2高原气象对弹道特性影响

根据外弹道学理论，弹丸的质心运动方程可简化表示为

(1)

式中各符号意义同文献[14]。

从方程可以看出，由于高原空气密度低，弹丸飞行时的速度变化率减小，所以在相同的初速条件下，高原条件下全弹道飞行速度比平原条件下大。同样，由方程可知，高原重力加速度小，也将导致高原条件下弹丸飞行速度变大，所以在相同射角下，高原弹道的倾角变化率小。因此，在射击时高原弹道更为平直。对地炮来说，高原的射程远，最大弹道高大，对高炮来说，在相同的飞行时刻，高原弹道的水平距离和弹道高度都大于低海拔地区[40]。方程同时反映了各因素对偏流的影响，高原情况下空气密度小，使偏流减小。在相同射角下高原动力平衡角大，使偏流增大。在相同射程下，弹丸高原飞行时间小，使偏流减小。总体来说，在相同射角下高原弹道射程增加、偏流增大。在相同射程下，高原弹道飞行时间减少，偏流减小。

气压直接影响空气密度，而且成正比关系。高原气压低，弹丸所受空气阻力减小，射程增大。气温不但通过改变空气密度影响弹道，而且又通过改变声速和阻力系数影响弹道，并且在阻力系数曲线的上升段和下降段，其影响不同。由于空气密度的影响起主导作用，所以，在高原条件下由于气温降低，射程减小。

湿度方面，在火炮外弹道特性研究和炮兵射击中，主要通过测量各弹道高的湿度，以修正湿度对弹丸飞行的影响。为减少修正项目，我军把湿度和气温对弹丸飞行的影响，综合为虚温的影响，通过修正虚温来修正湿度的影响[41-42]。湿度一方面通过改变发射药和火炮等的性能而影响射击精度，所产生的误差属于偶然误差，主要通过指挥员的经验来提高射击精度；另一方面湿度通过影响各弹道高的空气密度大小，而影响弹丸的飞行。在夏季高温季节，湿度对射击诸元的影响最大；春季、秋季和冬季较小[41]。

3.3高原弹道和火炮射击试验

关于高原弹道特性的相关试验，报道的不是太多，主要集中在射程、初速和射弹散布的试验方面。

炮兵部队火炮高原实弹射击实验表明，与平原上相同射击条件相比，射程一般增加20%～25%，方向偏离炮目方向50～85 mil。

高原上的低气温环境对火炮射击的影响，文献[42]认为：对射击精度、炸点观察带来很大影响。低温环境下，观目距离2 000 m以上、积雪超过50 cm，观察炸点非常困难；气温在-25～-30℃时，“冷炮误差”通常使射弹偏近0.5%～1.0%。高原风对射弹射程、飞行方向都有影响，而且导致射击修正量变化急剧，严重影响火炮的射击精度[44-45]。

在初速方面，文献[45]介绍：某火炮使用相同弹、炮、药及测速度雷达的条件下，在高程H=1 500 m，测得的初速比H=0的初速减小约2 m/s。

文献[42]介绍了某次130 mm加农炮、152 mm加农榴弹炮及配套装备高原地区作战使用适应性试验情况。运用统计学方法对射程和射弹散布进行检验，在射程方面，全号装药的几组射击中，有显著差异的组数比重不小。

文献[44]介绍了某部于2009年6月下旬到10月下旬在格尔木至昆仑山口地区，使用54-1式122榴弹炮的高原试验情况。试验表明，射弹散布随海拔增加而增大。

此外，精确制导的炮弹，如激光末制导炮弹，受低气压和复杂地形影响，飞行控制难度加大，命中精度降低[46]。反坦克导弹、122 mm火箭弹在高原试验或使用中出现了掉弹；炮射导弹命中率由80%下降到30%。

通过以上文献中体现的试验数据与试验结论的总结，发现：不同的海拔对火炮外弹道特性影响是不同的；火炮在高原地区适应性差，主要表现为射击精度下降、射弹散布增大、稳定性变差等方面。

4结论及建议

迫切需要结合我国高原气象条件实际情况对高原弹道进行全面深入的分析，找到解决问题的办法。为了更好开展火炮高原外弹道特性研究，根据本文对文献梳理和分析的结果，建议：

1)高原标准气象条件需进一步明确。对于一个具有独特地理气象环境的地区或地形条件而言，外弹道学的理论和实践研究、炮兵射击的理论和实践研究都必须有确定的、科学的、实际的标准气象作基础。

2)高原气象条件对高原弹道特性影响的模型描述需要全面系统研究。高海拔条件及其所带来的一系列实际条件的变化，可能导致一些在低海拔条件下影响比较小的因素(假设)对弹道特性的影响作用凸显，严重影响弹箭的高原实际使用。因此，需要立足高原实际条件，全面系统的分析各影响因素。

3)高原射表与试验验证问题需要进一步研究。传统的高原射表是根据低海拔射表简单外推转换而来，其编制原理的科学合理性值得商榷。

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(责任编辑周江川)

本文引用格式：蒋明,刘玉文,李泳,等.我国高原气象条件及其对火炮外弹道特性影响[J].兵器装备工程学报，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:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.002

收稿日期：2015-11-06；修回日期：2015-11-22

作者简介：蒋明(1981—)，男，博士研究生，讲师，主要从事外弹道学理论与应用、外弹道气象学研究。

中图分类号：TJ012.3

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0007-05