舰船海上气象信息探测现状研究

王郁茗 邵利民 张尚悦

(1.海军大连舰艇学院军事海洋系 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院军事航海系 大连 116018)

舰船海上气象信息探测现状研究

王郁茗1邵利民1张尚悦2

(1.海军大连舰艇学院军事海洋系 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院军事航海系 大连 116018)

海面的气象条件对舰船出航执行军事行动与非战争军事行动至关重要,然而舰船海上探测手段受制于常规方法和仪器设备的局限性而存在诸多现实问题。论文通过研究舰船海上气象信息探测现状,分析总结出目前舰船气象业务主要有探测高度低、极度依赖陆基保障平台、实时性差和存在安全保密隐患等问题,极大地影响了舰船中远海执行任务能力。最后基于新兴的GNSS气象学提出应用北斗卫星导航系统在舰船上反演海上气象信息,对舰船未来海上探空手段作展望研究。

舰船; 气象信息; 探空技术; GNSS气象学; 北斗卫星导航系统

Class Number TN959.4

1 引言

气象信息包括气温、湿度、气压和风等要素,而海面的气象条件对舰船出航执行军事行动与非战争军事行动有至关重要的影响,包括舰船航行安全、海上通信以及舰载武备使用等。地基探空技术设备发展成熟多样,包括无线电探空技术、水汽辐射计探测以及雷达探测等。然而舰船海上气象部门在应用时存在一定局限性,尤其在深远海的气象信息获取上存在诸多现实问题。本文研究舰船海上气象信息的探测现状,分析探究舰船气象探测业务存在的不足,并展望舰船未来海上气象探测新技术。

2 常规气象信息探测装备现状

气象信息随时间和空间变化,其观测记录是数值天气预报、天气气候分析和有关科学研究的基本资料。空中气象信息的探测通常有很多种手段,其中包括无线电探空技术、水汽辐射计探测以及雷达探测等[1～4]。下面对各种常规探空技术作分析比较。

无线电探空技术。是目前气象观测业务中探测高空温度、压力、湿度和水汽含量等要素最常用的方法。通过施放探空气球,采集高空大气的风、温度、气压和湿度等观测数据,通过一定方法算出探空高度之内的大气水汽总量及其垂直分布廓线。其缺点是探空成本较高,探空站分布稀疏,且一般仅进行早晚两次探测,不足以分辨水汽的时空连续变化,无法很好地监测剧变天气过程。

水汽辐射计。是目前探测大气水汽最精确的一种基本设备,在GNSS测量中广泛用于信号路径延迟修正。其在海面上可降水量的探测精度很高,在2mm～5mm。而其缺点是在有浓厚云层时穿透能力下降,特别是有降水发生时更会产生较大误差,且由于价格昂贵,其广泛应用受到限制。

雷达探测。Raman激光雷达可探测大气中水汽的详细分布,新一代多普勒天气雷达还可探测垂直方向的液态含水量。缺点是探测成本高,难以应用于大范围、全天候、常规探测,且需经常标定。

卫星观测。是目前气象观测业务中的主要辅助探测手段,气象卫星上的红外分光计和微波辐射计也有获取气象要素的能力。缺点是探测垂直分辨率有限,反演精度不高,相对误差约30%,且红外技术仅在无云区才能有效反演气象要素,不能得到云中和云层下方的气象信息。微波探测的空间分辨率也达不到中尺度探测要求。

地面湿度计观测。是气象业务中观测地面大气湿度的一种常规方法。由于测量的仅是近地层(2m以内)空气中水汽的状况,不能很好地反映高空大气以及整层大气的湿度信息,对预报剧变天气的作用非常有限。

其它探空技术。除以上几种探空技术外,还有应用飞机探测、激光探测及太阳光谱分析仪探测等,这些探测技术目前发展并不成熟,且受环境等因素干扰较大,只是常规探空技术的辅助手段。

综上所述,常规的探空技术探测气象要素能力单一且费用昂贵,部分探测手段精度不足,探测高度较低。且一般在陆地上进行,而在全球70%以上的海洋区域,气象资料极为匮乏,即使在陆地,探空观测的空间分辨率和时间分辨率仍不能满足需求。以上手段不能为舰船远洋航行的军事与非军事任务提供满意的预报服务。

3 舰船海上气象观测业务现状

3.1 舰载常规气象信息获取仪器

舰船常规气象要素测算仪器包括船舶气象仪、三杯风速仪、干湿球湿度计、能见度仪、空盒气压表和无线气象传真接收机等。其中船舶气象仪和无线气象传真接收机最为常用。

船舶气象仪。可连续实时测量、观测所在海域的气象要素如风向风速、温度湿度、大气压力等,能够为船舶航行提供实时、连续的气象服务[5]。能自动完成多种气象参数的采集、计算、编辑、显示和传输功能,具有集成度高、体积小、功能强、可靠性高的特点。一般的舰船上,航海部门借助于船舶气象仪观察现场的风等主要要素为航海服务。对于一些有海测任务的特殊舰船,不但在航海上需要借助于船舶气象仪来观察了解气象要素,而且借助船舶气象仪还能进行海洋气象方面的调查工作,积累气象要素的历史资料,并应用于工业、军事等领域。虽然船舶气象仪能够对海洋气象环境作基本的测算,但仅能观测到甲板上距海面20m～30m高处的要素信息,无法对整个对流层及航路上气象要素的空间分布状况有全面了解和掌握,因此对于舰船所在海域全局。

无线气象传真机。在舰船上主要用于接收天气图和气象卫星云图传真信号,目前气象传真广播的覆盖范围几乎遍及全世界海洋。带有短波收信装置的气象传真接收机,外接短波天线即可正常工作,短波收信装置含有锁相环频率合成器组成的超外差接收系统。采用记忆系统存贮国内外现有的数百个无线短波气象广播电台的频率,通过频道开关选择接收。目前舰载的气象传真机体积大,只能接收纸质版气象传真图。接收频道依据舰船航行的不同海域接收周边国家广播的气象传真信号,尤其当舰船于远海航行执行军事任务时,只能接收它国气象传真信号,存在严重安全隐患。此种手段极其依赖陆基保障平台,导致舰船缺乏自主气象探测预报能力。

3.2 舰员目力观测

目力观测是航海气象学中最原始也是最直接的观测手段。舰员根据历史观测经验,主要对海面能见度、海面上空云状、云量和云高以及风向、风力作以观测记录,这些气象环境将直接或间接影响舰船的安全航行和武备使用。海面能见度是正常目力所能见到的最大水平距离,主要影响着舰船的安全航行,其按照能见距离的大小划分0～9共十个等级,雾是影响海面能见度最主要的因子,其他如沙尘暴、烟、雨、雪和低云也能使能见度变得恶劣[6]。海面上空有些云的出现会直接引起强烈的阵风、雷雨、冰雹、龙卷或低能见度等恶劣天气,会给舰船安全航行和舰载武备使用带来严重危害。海面上的风会引起海浪和海流,会对舰船运动产生巨大影响。在大风浪中航行会造成舰船严重失速,甚至停滞不前,螺旋桨可能露出水面空转,使主机负荷变而受损。通过观察海面上的气象环境可短期内对接下来的天气状况作简单推测,但海面上空环境复杂多变,此种手段准确度不高,且无法定量观测。

3.3 具有独立气象业务部门舰船探空手段

通过常规释放气球的无线电探空作业可得到气象要素的垂直分布廓线,但这种手段在大部分舰船上都无法实施。具有独立气象业务部门的舰船,可以进行放球探空观测大气环境信息,但是这种手段也有其明显的局限性:

1) 实时性差。放球无线电探空作业只能定时开展,无法实现24小时连续大气监测,难于精准反映水汽、气温等要素的变化。

2) 垂直结构气象要素探测时刻不一致。由于气球运动到对流层顶需要时间,位置也会发生漂移,其测得的大气参数是气球运动过程时间内的情况,低层到高层有时间间隔,非同一时刻的大气状况。

3) 观测范围有限。传统探空观测方法其观测范围有限,只能达到对流层顶的高度,无法实现对平流层以上的高层大气进行探测。

4) 探测成本高。探空观测本身成本较高,需占用舰上有限的空间。气球和探空仪只能一次性应用,无法回收,大大提高了观测成本,还须有专门放置探测设备和充氢气体的舱室,占用了舰上有限空间。

5) 安全保密性差。探空气球填充的是易燃易爆气体,对舰船自身的安全影响较大,另外放球并用雷达跟踪探空仪这种作业本身易暴露目标,不适用于作战时的应用。

综上所述,受气象要素获取能力的限制,即便舰船具有独立的气象业务部门,有较完善的气象信息接收和业务平台,也无法在其航行海域及航路上进行实时的精细化气象保障。大部分舰船的保障能力更加有限,对近岸气象保障的依赖性非常大,极大地影响了舰船中远海执行任务能力,由此海战场大气环境保障的构建和武器装备性能发挥的评估等方面的研究也就无从谈起,进而影响了舰船安全航行及海战场综合作战能力。

4 基于GNSS探测气象信息技术

GNSS是全球卫星导航系统的简称,包括美国的GPS、中国的BDS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的GALILEO。GNSS为探测气象信息提供了一种新的手段,利用GNSS理论和技术来遥感地球大气,进行气象学的理论和方法研究,如测定大气温度及水汽含量,监测气候变化等,叫做GNSS气象学(GNSS/METeorology,GNSS/MET)[7]。GNSS气象学的研究于80年代后期最先从美国的GPS起步,其原理为GPS卫星信号在穿越大气层从卫星到达地面接收机的过程中,大气会对GPS信号产生延迟和弯曲效应。总延迟效应包括电离层延迟和对流层延迟,其中对流层延迟又分为干延迟和湿延迟。在卫星高度角大于15°时,电离层折射引起的信号路径弯曲效应可以被完全忽略。也可以利用GPS双频观测值建立电离层延迟模型将其消除。对流层干延迟与大气压力成正比,与大气温度成反比。通过实测资料分析,建立GPS信号路径上的干延迟与GPS接收机所在地面的本站气压及纬度、高度的统计关系,即所谓静力学干延迟公式,而求出大气干延迟。从大气总延迟中去除电离层延迟及干延迟得到湿延迟,进而反演求得大气水汽含量、相对湿度等气象要素信息[8～9]。

目前地基GPS反演气象信息技术已较为成熟,具有实时连续性、不受天气状况影响、价格经济和精度高等特点,是传统大气水汽观测手段的有力补充,被公认为21世纪探测大气水汽的最具潜力技术[10]。地基GPS探测气象要素的第一步就是利用GPS原始观测数据解算出较高精度的延迟量,而解算高精度延迟量需要精密的位置信息,通常精密定位需要长时间的静态观测。而在实际应用中,考虑到时效性等问题,往往需要动态观测以获取精密位置,从而求得高精度的大气延迟量,这已成为国内外众多学者的研究重点。

5 研究展望

基于目前舰船海上气象信息探测的现状,结合地基GPS气象信息反演技术,提出应用北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)反演海上气象要素信息。BDS为我国自主研制的卫星导航系统,目前已发射23颗在轨卫星,导航精度可达到10m左右,精密定位精度可达到毫米至厘米级,满足气象要素反演精度要求。且从安全可靠角度讲,BDS较GPS更加适用于舰船使用。虽然地基GNSS/MET技术较为成熟,然而应用于复杂的海上环境时,将存在很多现实问题,如海面严重的多路径效应;风浪造成的舰载接收机摇摆;舰船于远海航行时,高精度的双差相对定位技术无法使用;无法及时获取精密星历等。这些将成为BDS反演舰船海上气象信息亟待解决的问题。

6 结语

通过研究舰船海上气象信息探测现状,分析总结出目前舰船气象业务主要存在一下几方面问题:

1) 应用舰载常规气象要素探测设备包括船舶气象仪、无线气象传真机等,但探空高度低,对陆基保障平台极度依赖。

2) 舰船目力观测通过观察海面上的气象环境可对未来天气状况作简单推测,但准确度不高,且无法定量评估。

3) 具有独立气象业务部门舰船可通过释放探空气球探测高空气象信息,但实时性差、垂直结构气象要素探测时刻不一致、观测范围有限、探测成本高以及安全保密性差。

针对目前舰船气象观测业务存在的问题,提出应用我国自主研制的北斗卫星导航系统反演海面上空气象信息的思想,弥补当前海上探测手段存在的不足。

[1] Liu J, Sun Z, Liang H, et al. Precipitable water on the Tibetan Plateau estimated by GPS, water vapor radiometer, radiosonde, and numerical weather prediction analysis and its impact on the radiation budget[J]. Geophys Res.,2005,110(D17106):115-162.

[2] 吴蕾,陈洪滨,康雪.风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析[J].气象科技,2014(2):225-230.

[3] 德白,次旦平措.地面气象观测业务改革探讨[J].科技与创新,2014(20):150,152.

[4] 刘润梅.自动气象站的技术保障及维护[J].北京农业,2014(21):186-187.

[5] 梁峰,王平,漆随平.舰用船舶气象仪[J].机械,2008(6):29-31.

[6] 陈家辉,张吉平.航海气象学与海洋学[M].大连:大连海事大学出版社,2007(9):54-68.

[7] 李国平.地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究[J].大气科学学报,2011,34(14304):385-392.

[8] 施闯,王海深,等.基于北斗卫星的水汽探测性能分析[J].武汉大学学报·信息科学版,2016,41(3):285-289.

[9] Bisnath S, Gao Y. Precise point positioning[J]. GPS World,2009,20(4350):43-50.

[10] Schuler, T. GNSS meteorology on moving platforms-Advances and limitation in kinematic water vapor estimation[J]. Inside GNSS,2006,4:56-60.

Current Situation of Marine Meteorological Information Detection

WANG Yuming1SHAO Limin1ZHANG Shangyue2

(1. Department of Military Oceanography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2. Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

The meteorological conditions of the sea surface are very important for the military and non-military missions of naval vessels. However, there are many practical problems in the limitation of the marine Radiosonde technology due to the limitation of the conventional methods and instruments.In this paper, the present situation of marine meteorological information detection on ships is analyzed, and the main problems of current ship meteorological service such as the low altitude of sounding, the reliance on land-based platform and the poor security are analyzed, which greatly influences the mission capability. Finally, based on the emerging GNSS meteorology, the application of the Beidou satellite navigation system to invert the marine meteorological information of the ship is proposed, and the prospect of the future maritime sounding means is studied.

warship, meteorological information, radiosonde technology, GNSS meteorology, Beidou satellite navigation system

2016年8月3日,

2016年9月19日

王郁茗,男,博士研究生,研究方向:军事航海安全保障与防护技术。邵利民,男,博士,教授,研究方向:海洋气象。张尚悦,男,博士,教授,研究方向:军事航海的理论与方法。

TN959.4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.001