气象分层对地炮弹道虚温偏差量计算的影响

赵世军,代中华,陶　冶

(1.解放军理工大学 气象海洋学院,南京 211101;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044;3.中国人民解放军 73146部队,福建 泉州 362300)



气象分层对地炮弹道虚温偏差量计算的影响

赵世军1,2,代中华1,陶冶3

(1.解放军理工大学 气象海洋学院,南京 211101;2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044;3.中国人民解放军 73146部队,福建 泉州 362300)

为了研究不同弹道气象分层方法对地炮弹道虚温偏差量(BVTD)计算结果的影响,论述了炮兵弹道气象分层方法,分析了目前研究中弹道分层方法存在的问题,基于实际探空资料计算了不同分层数量下的BVTD。结果表明:随着弹道气象分层数量的增加,最终BVTD将逐渐趋近于一理想值,当弹道气象分层数量达到20层时,BVTD即可达到与高空气象探测一致的误差水平;增加弹道气层分层数量,将提高地炮BVTD的计算精度,有助于提高炮兵气象保障的水平。

地炮;弹道虚温偏差量;弹道气象分层;气层权重

火炮射击中,气象条件对射击精度的影响较大,必须利用实时高空气象资料计算弹道气象条件,对弹道进行准确修正[1-4]。在地炮气象保障中,需要计算地面虚温、虚温偏差量、气压偏差量,以及弹道上的虚温偏差量和弹道风[5]。目前的炮兵气象保障,主要照搬20世纪50年代原苏联炮兵标准气象条件、弹道气象分层和数据处理方法,该方法主要是根据手工操作的要求制定的,分层数量少、资料利用率低、计算量小,基本满足过去火炮小射程条件下的气象保障要求。近年来,随着火炮射程不断增加、“首发命中”和“首群覆盖”对炮兵提出了新的保障需求,同时,新型气象要素传感器、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)测风技术[6-7]等新型高空气象探测技术的不断发展,探空资料的精度和垂直分辨率得到极大提高,现有的保障方式已经不能完全满足信息化作战的要求。因此,有必要对原有的炮兵气象保障方式进行研究,提出适合新技术和新需求的新型炮兵气象保障样式[8-9]。

本文论述了炮兵弹道气象分层方法,分析了目前工作中弹道分层方法存在的问题,通过实际探空资料,计算了不同分层数量下的弹道虚温偏差量(ballistic virtual temperature deviation,BVTD),给出了适合现有炮兵气象保障分层和偏差量计算的改进方法。由于篇幅所限,本文主要对地炮气象保障中BVTD的计算方法进行研究。

1　地炮弹道气象分层方法

地炮弹丸经过各高度层的时间是不一样的,弹丸经过低层的时间短而经过高层的时间长。弹丸经过某气层的相对时间越长,受气象条件影响产生的射击偏差也越大,反之就越小。因此,气象条件对地炮射击的影响程度基本与弹丸在该气层内飞行的时间成正比,即弹道气层权重可近似用弹丸在该气层内的飞行时间与总飞行时间之比来表示。为了计算简便,按真空弹道计算经过时间并计算地炮近似气层权重[10-11],通常有等厚度分层法和等权重分层法。

1.1等权重分层法

等权重分层法也称之为相对高度法,即在分层时,根据相等的气层权重将弹道分成厚度不等的若干气层。在弹丸运动过程中,弹丸的相对高度为

(1)

式中:hall为弹丸的最大弹道高度,hcur为弹丸的当前弹道高度。

则地面至hcur高度的气层权重为

(2)

任一气层的权重为

(3)

式中:i为分层序号,自地面向上依次为1,2,…,n,n为分层数量。

1.2等厚度分层法

等厚度分层法也称为相对停留时间法,将弹道气层分成厚度相等的若干层。则当从最下一层算起时,任一气层i的弹道气层权重为

(4)

另外,在计算地炮弹道风时,需要考虑空气密度对弹丸的作用,计算弹道风时通常采用等权重分层加空气密度修正法[11],由于本文主要讨论BVTD,这里略过。

2　目前业务中的BVTD计算方法

2.1目前常用的弹道气象分层方法

根据作业经验和作业习惯,通常采用等权重分层法。在计算弹道虚温偏差量和弹道空气密度偏差量时,弹道高度在3 km及其以下时,统一分为2层,3 km以上时,统一分为4层,并用气层的中央气层权重来表示该层的相对高度,弹道气象分层高度采用几何高度。

地炮弹道各气层的权重对应相对高度关系如表1所示。

表1　地炮弹道各层气层权重对应相对高度

表1中,以分2层为例,采用等权重分层法时,第1层和第2层的权重分别为0.5。对第1层,取气层的中央气层权重,则q1=0.25,代入式(2)或式(3),得R1=0.437 5;对第2层,取气层的中央气层权重,则q2=0.75,代入式(3),得R2=0.937 5。

2.2目前常用的BVTD计算方法

BVTD是指在弹道范围内各高度上实际虚温与标准虚温差值的加权平均值,采用如下方法进行计算[10-11]。

对某一弹道高度hall,有:

(5)

式中:ΔThall为该弹道高度内的总的虚温偏差量,Tv,i为第i层的实际虚温值,Tv,h,i为第i层、该高度下的由炮兵标准气象条件得到的标准虚温值,n为分层数量,qi为第i层气层占整个弹道气层的权重。

当采用等权重分层时,式(5)简化为

(6)

计算地炮BVTD的步骤:①根据高空气象探测数据中各高度气层权重对应的各分层代表高度上的气温、气压、相对湿度值,计算实际虚温值;②查取炮兵标准气象条件该高度上的标准虚温值;③由实际虚温值减去标准虚温值,得到各分层代表高度的虚温偏差量;④结合各气层权重计算得到弹道总的BVTD。气象业务中,计算机自动处理时,采用气层权重对应的实际高度进行计算;人工处理时,按气层权重对应的50 m规整后的高度进行计算。

2.3存在问题分析

以上炮兵气象业务中BVTD的计算方法过程存在以下问题:

①高空探测资料数据利用率极低。现有的高空探测资料,垂直分辨率已经达到10 m以内,但在实际计算BVTD时,在整个弹道高度范围内有大量的气象数据,由于实际大气条件千差万别,仅仅以2层或4层气层权重对应高度上的气象数据计算BVTD,显然容易出现“以偏概全”的问题。

②实际大气条件下,在要求的弹道高度范围内,气温高度廓线在对流层内随高度线性递减,但对流层顶的高度随季节、地域、大气状况而变化,且在进入平流层,以及出现逆温层、等温层等天气状况时,就不可避免地出现气层权重对应高度的气温与该气层的实际气温之间出现较大偏差;另外,高空大气的相对湿度主要受云的类型、高度、厚度等影响,当有云时,气层权重对应高度的相对湿度会因云内、云外而出现突变;这些天气条件都会使气层内代表高度的虚温偏差值出现大幅波动,从而对总的BVTD造成影响。

③分层数量少导致各气层较厚,如何准确确定该气层内的气象要素代表值、计算准确的气层虚温偏差量就是一个难题。曾有研究发现[12],气层气象诸元代表值可采用6种不同取法,不同取法对射击诸元精度影响很大,需要尽可能多地考虑各气层内的所有气象要素对气层虚温偏差量的贡献。

④由于现有的炮兵标准气象条件存在诸多问题[13-16],与我国的实际大气条件偏离较大,气温随高度廓线并非呈线性变化,分层代表高度少时还会增大各气层虚温偏差量计算的随机性,对最终BVTD的计算结果造成影响。

3　弹道气象分层方法对BVTD计算的影响

3.1数据来源

本文采用GPS高空探测系统获得的探空资料,该设备采样时间间隔为1 s,气球上升速度约为400 m/min,即观测资料垂直分辨率小于10 m。采用资料为2008年5月底到7月中旬参加中国气象局气象探测中心组织实施的国产GPS探空仪动态考核试验数据52组,包括在北京探空数据17组(站号:54 511,海拔高度:31 m,经度:116.5°,纬度:39.8°)、内蒙古锡林浩特探空数据25组(站号:54 102,海拔高度:1 004 m,经度:116.1°,纬度:44.0°)、广东阳江探空数据10组(站号:59 663,海拔高度:88 m,经度:112.0°,纬度:21.8°)。3个站的海拔高度差异较大,涵盖了从南到北较大纬度范围,能在一定程度上代表我国夏季大气的基本情况,分析结果能反映一般规律。

52组探空数据中的49组探空终止高度均在16 km以上。

3.2计算方法

通过对不同分层方法、不同弹道高度、天气条件下温偏随分层数量变化的个例分析发现:随着分层数量的增加,BVTD逐渐收敛;分层数量越少,则BVTD值分散,分层数量越多,则BVTD越收敛;当分层数量达到20层以上时,即使最大弹道高度达到16 km,其BVTD也趋于稳定。因此,对一确定的弹道高度,不论采用哪种分层方法,其最终均收敛为同一值,可将该值看作该弹道高度下虚温偏差量的理想值(理论真值);分层方法不会对BVTD理想值造成影响,但等权重分层法随分层数量的增加收敛的速度更快,效果好于等厚度分层法。

鉴于不同分层方法对虚温偏差量的理想值无影响,且等权重分层法效果好于等厚度分层法,目前工作中也是以等权重分层法求取虚温偏差量,因此,采用等权重法进行计算。为了比较不同分层数量对结果的影响,分别选取目前业务分层数量、分10层、分20层进行计算,方法如下:

①分别求取以等权重分层法计算得到的、分2层到50层的每组探空数据对应的各弹道高度下的弹道虚温偏差量ΔTn,hall,l,其中,n是指弹道分层的数量,从分2层到50层;hall是指弹道高度,按目前的业务要求,弹道高度分别为:200 m,500 m,…,16 000 m,见表1;l为探空数据组数,从1组到52组,若某弹道高度高于探空资料终止高度,则该探空资料不参与计算,探空有效数据个数为L。

②对某组探空资料,计算在某弹道高度下的BVTD理想值。对分41～50层计算的10个BVTD求均值,作为该弹道高度对应的BVTD理想值:

(7)

③采用现有工作中的分层方法(等权重分层法下,3 km及其以下分2层,3 km以上分4层)、等权重分层法分10层、等权重分层法分20层,在同一弹道高度下,对全部探空数据在该弹道高度下的BVTD与BVTD理想值的差值分别求取均值和方差:

(8)

(9)

3.3计算结果分析

图1　弹道虚温偏差量与理想值差值的误差棒状图

从图1和表2可以看出:

①当数据足够多时,BVTD值与理想值差值的均值接近于零,但误差值随弹道高度的增加而增大;

②随着弹道高度的上升,虚温偏差量与理想值的偏差逐渐增大;

③从3种不同的气层分层方法对比可以看出,等权重法分20层的虚温偏差量计算精度要比等权重法分10层的高,分散小,而两者的计算精度都比目前业务应用的分层方法的计算精度高;

④结果证明,增加分层数量有利于提高虚温偏差量的计算精度。

表2　不同分层数量下BVTD值与理想值差值的均值和均方差

4　结论

炮兵武器装备的发展对弹道气象要素偏差量的计算精度提出了更高要求。目前常用的气层分层方法由于提出年代早,已不能完全满足现代战争的需求,须增加分层数量,使用精确弹道气层权重和其对应高度,求取BVTD。在现有要求的炮兵弹道高度,当气层分层数量达到20层时,即可达到与高空探测误差一致的理想值。

[1]王兆胜,郭锡福.湿度对射击诸元的影响[J].弹箭与制导学报,2002,22(S1):162-163.

WANG Zhao-sheng,GUO Xi-fu.The influence of humidity on firing data[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2002,22(S1):162-163.(in Chinese)

[2]王兆胜,刘志强,杨保元,等.各因素对射击精度影响研究[J].弹箭与制导学报,2005,25(S6):198-200.

WANG Zhao-sheng,LIU Zhi-qiang,YANG Bao-yuan.Research on firing accuracy influenced by each factor[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2005,25(S6):198-200.(in Chinese)

[3]赵建斌,翟英存,刘明喜.高空气象条件及其对弹箭弹道特性的影响分析[J].弹箭与制导学报,2008,28(1):177-179.

ZHAO Jian-bin,ZHAI Ying-cun,LIU Ming-xi.The analysis of upper air weather condition and its influence on trajectory characteristic of the missile and rocket[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2008,28(1):177-179.(in Chinese)

[4]李臣明,朱国权,韩子鹏,等.不同标准大气对远程弹箭射程影响的计算分析[J].弹箭与制导学报,2006,26(2):150-152.

LI Chen-ming,ZHU Guo-quan,HAN Zi-peng,et al.The calculation and analysis to long-range shell-rocket using different standard atmospheres[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2006,26(2):150-152.(in Chinese)

[5]孙学金,王晓蕾,李浩,等.大气探测学[M].北京:气象出版社,2009:301-322.

SUN Xue-jin,WANG Xiao-lei,LI Hao,et al.Atmospheric detection[M].Beijing:Meteorological Press,2009:301-322.(in Chinese)

[6]赵世军,高太长,刘涛,等.基于北斗一号的高空风探测方法研究[J].气象科技,2012,40(2):170-174.

ZHAO Shi-jun,GAO Tai-chang,LIU Tao,et al.Upper wind sounding method based on Beidou-I navigation system[J].Meteorological Science and Technology,2012,40(2):170-174.(in Chinese)

[7]赵世军,高太长,马英,等.利用北斗导航系统探测高空风的研究[J].测绘科学,2013,38(5):13-15.

ZHAO Shi-jun,GAO Tai-chang,MA Ying,et al.Research on upper wind measurement with BD navigation system[J].Science of Surveying and Mapping,2013,38(5):13-15.(in Chinese)

[8]王军波,张军挪,涂胜元,等.修订我国炮兵标准气象条件的必要性及方法[J].华北工学院学报,2005,26(3):174-176.

WANG Jun-bo,ZHANG Jun-nuo,TU Sheng-yuan,et al.,Necessary and method on revising of artillery stardard atmospheric conditions of our country[J].Journal of North China Institute of Technology,2005,26(3):174-176.(in Chinese)

[9]李明军,刘玉文,王桂玉,等.关于炮兵气象条件若干问题的讨论[J].弹箭与制导学报,2004,24(S5):252-254.

LI Ming-jun,LIU Yu-wen,WANG Gui-yu,et al.Discussion of problems concerning our artillery meteor conditions[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2004,24(S5):252-254.(in Chinese)

[10]刘平.中国人民解放军地炮用气象通报研究[D].南京:南京理工大学,2002:5-8.

LIU Ping.The research for PLA ground artillery’s met report[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2002:5-8.(in Chinese)

[11]孙宝京.炮兵防空兵气象信息系统研究[D].沈阳:东北大学,2004:24-25,31-35.

SUN Bao-jing.Research about artillery air defence force’s meteorological information system[D].Shenyang:Northeastern University,2004:24-25,31-35.(in Chinese)

[12]王兆胜,郭锡福.气层气象诸元代表值的取法对射击精度的影响[J].火炮发射与控制学报,2002(2):22-25.

WANG Zhao-sheng,GUO Xi-fu.The influence on firing accuracy by taking different representative values of meteorological elements in a layer[J].Journal of Gun Launch and Control,2002(2):22-25.(in Chinese)

[13]陈文广,李伟,孙健.关于修订我国炮兵标准气象条件的方法研究[J].弹道学报,2014,26(4):56-60.

CHEN Wen-guang,LI Wei,SUN Jian.Research on revision of artillery standard atmospheric condition of our country[J].Journal of Ballistics,2014,26(4):56-60.(in Chinese)

[14]王中原,韩子鹏,林献武.对建立我国炮兵高空标准气象条件的分析和建议[J].弹道学报,2007,19(1):9-11.

WANG Zhong-yuan,HAN Zi-peng,LIN Xian-wu.Analysis and suggestion of standard atmospheric condition at super-altitude for Chinese artillery[J].Journal of Ballistics,2007,19(1):9-11.(in Chinese)

[15]王玉昆.关于我国各军兵种标准气象条件方案的建议[J].兵工学报,1982,3(2):28-36.

WANG Yu-kun.On the arms of standard meteorological conditions of our suggestion scheme[J].Acta Armamentarii,1982,3(2):28-35.(in Chinese)

[16] 刘玉文,陈春,姚若河,等.军用气象条件亟待改进的若干问题的商榷[J].气象科学,2005,25(1):55-60.

LIU Yu-wen,CHEN Chun,YAO Ruo-he,et al.Discussion of problems concerning military meteorological conditions[J].Scientia Meteorologica Sinica,2005,25(1):55-60.(in Chinese)

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

总装备部预先研究项目

赵世军(1976- ),男,副教授,研究方向为军事大气探测理论与技术。E-mail:general_zh@sina.com。

TJ301

A

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