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气象水文保障课程设计思考

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【摘要】目前,国际上先进的海洋国家已经建立了完善的海战场气象水文信息保障系统。美国的海军海洋战场气象水文环境保障服务系统的建设,已有半个多世纪的发展历史,从研究内容看,美国在上个世纪五六十年代,重点在海洋水文和海洋气象方面进行分析预报研究,以保障军事航海和登陆作战的需要。回顾了国外气象水文保障的现状,分析了现代化战争对气象水文保障的军事需求,列举了未来气象水文保障的建设内容。

【关键词】气象水文;现代化战争;军事需求

一、国外气象水文保障技术现状

1.气象海洋保障体系美国和俄罗斯的海军海上作战舰艇都建立有与海洋环境密切关联的战术指挥系统。美军以“从海底到太阳”的“无缝隙”保障理念为指导,围绕实现“拥有天气”的能力目标,强调“气象海洋保障资源的优化配置”,建立了结构齐备完整、功能先进的气象海洋保障装备体系。美国由海军区域海洋气象中心运行海洋环境同化系统(MODAS),然后将图形产品分发至海上作战舰艇。舰上通过接收MODAS的图形产品和舰上本身具备的静态气候态初始场,通过现场BT资料订正后,将海洋环境数据分配至战术辅助决策系统或作战武器平台。美军针对海战环境研制的海军战术环境支持系统TESS(Tactical Environmental Support System)装备航母和其它舰艇,成为美国海军新一代海洋气象和海洋环境的战术决策支持系统。2.气象水文信息服务技术发展对气象水文的研究离不开数据支撑,气象水文数据的获取由传统的人工监测发展为现在的含有高新技术陆基、空基和天基的气象水文立体观测网。美国的各种海洋观測手段基本覆盖全美,同时还有先进的卫星遥感、雷达和GIS技术,形成了一个全方位立体式的监测体系。同时,随着观测手段的日益增长和丰富、数值大气模式和海洋模式的迅猛发展,战场自然环境数据呈指数式增长。在全球海洋资料稀缺的情况下,美军建立海洋大数据库,收集海量气象水文信息,推动基于大数据的海洋综合数据处理核心技术发展;提出“透明海洋”概念,建立包括海洋地理(含海岸线和岛礁),人工设施,海洋底质、电磁和声场,洋流运动,温、盐、密和透明度等常规海洋要素,海面风场和海浪等作战相关要素的三维交互式动态演进信息平台框架。通过气象水文数据和产品的交互分析与可视化显示,可直观、准确地反映气象水文数据的内在联系,有效地辅助预报员与指挥员掌握数据的变化规律。如美国马里兰大学研制开发的Grid Analysis and Display System(简写为Grads)、美国National Weather Service公司研制开发的Advanced Weather Interactive Processing Sys-tem(简写为AWIPS)、美国Weather Graphics Technolo-gies公司推出的商业软件产品Digital Atmosphere(简写为DA)也都提供了各类气象水文数据的可视化表达方式与相应的交互操作。

二、军事需求

新形势下我军气象水文保障由传统的本土型保障向新型的全球化保障转变,保障领域由单一的气象环境向海洋和太空环境拓展,保障方式由粗泛定性向精细定量迈进,保障内容进一步综合多元。气象水文信息融合分析与应用服务,是战场环境感知活动的重要组成部分,是信息化条件下作战保障的重要环节。随着战争形态的演变,作战样式的发展,以及信息技术的不断进步,战场环境感知的战斗力倍增器作用愈加凸显,已成为影响战争进程乃至战争胜败的关键因素之一。发展气象水文环境信息融合分析与应用服务技术,实时掌握气象水文变化态势、及时提供准确、可靠的气象水文环境信息,为作战指挥、武器装备运用等军事行动提供气象水文环境综合信息支持。其军事需求体现在以下几个方面。1.适应国家利益全球化保障需求2025年前,国际战略格局和我国安全环境可能随着世界战略力量分化组合进一步调整,全球与地区性国际组织多边制衡的局面,多极化战略格局逐步形成。我国安全环境呈现出陆上威胁相对减缓,海洋、太空和电磁领域威胁趋重的特点。当前和今后一个时期,我国周边安全形势不容乐观,反恐防暴任务严峻,来自海上的安全威胁尤为突出;“一带一路”国家战略方兴未艾,非战争军事行动任务繁重,“三海”“两洋”气象水文保障日趋常态化;从国家长远发展和整体利益出发,还应前瞻部署包括北极在内的全球其他重要区域,积极参加北极的开发利用。因此,必须把握全球气象水文变化态势,具备气象水文信息服务全球覆盖能力。迫切需要气象水文部门拓展保障范围,提供精细化气象水文环境信息保障,加强和提升气象水文环境信息的融合能力。2.应对陆海空天立体化保障需求现代化战场空间已拓展至陆、海、空、天、电、网,陆海空天武器装备应用对气象水文精细化保障提出了新的要求,传统单一预报技术已不能满足新的战场环境下保障服务需求,需要综合运用信息探测、信息处理、分析预报、信息服务等技术,获取战场环境实时信息,预测战场环境未来变化。信息技术作为战斗力的倍增器,越来越强调用户参与,按需服务。迫切需要充分运用云计算、智能信息处理、多维可视化、服务动态组合、快速数据加载等先进信息技术和理念,综合采用新的技术手段,研究新的信息处理算法,引入新的信息服务模式,加快海量数据的处理速度,提升保障信息的时效性、准确性、可靠性和可用性。3.满足多元信息集成化保障需求随着世界新军事变革深入发展,武器装备的远程精确化、智能化、隐身化、无人化趋势日趋明显,战争形态正加速向信息化战争演变。气象、海洋环境时刻影响着战争进程的各个环节,无论是战略战术,还是武器装备、通信指挥以及部队行动和官兵士气,都受其影响,有时甚至决定战争胜负的关键因素。多平台协同、各军种联合一体化作战成为现代战争的基本形式,参战力量的多元化及大量使用高技术武器装备,使得未来信息化战争不仅要求提供常规气象要素和宏观天气变化情况,而且要重点研究海洋环境、空间环境、电磁波传播环境(如大气透射率、大气波导等)对信息化武器装备的影响,提供内容更加丰富的战场大气、海洋和空间特需要素产品。迫切需要研究面向军委联合参谋部、战区和军兵种战场环境保障部门气象水文信息系统部署的需求和模式;研究面向不同规模的联合作战、军事演习等军事行动的气象水文信息综合保障需求;研究面向战略、战役、战斗和战术的气象水文信息保障内容和方式,通过对观探测信息、预报产品和其他相关信息的融合分析,丰富产品级和决策级气象水文保障信息,实现气象水文信息与地理测绘、指挥控制等信息的有机集成,提升信息主导、精打要害、联合制胜的信息化作战能力。4.针对武器装备实战化保障需求武器装备效能的发挥与气象水文条件密切相关,如机动武器平台效能的发挥受气象水文环境的影响很大,对气象水文信息提出了格点化、精细化、随移动平台实时更新和显示的严苛要求,需要根据不同武器平台的作战环境特点,提炼和融合最必要的气象水文环境信息,将其转化为三维要素格点场。例如,通过对卫星遥感资料、海上浮标、船舶、岛屿站等观测资料的融合分析,可以弥补海上常规观测站点的空间分布不均匀,提高资料的空间分辨率。迫切需要研究集合多种观测数据的数据融合方法,使不同观测资料之间优势互补。一方面,指导天气系统的时空演变、高低空急流以及水汽输送理论的研究;另一方面,提高海面风浪、海雾、洋流、跃层、风向、风速、气压、能见度等要素的预报预测能力,为移动武器平台实时更新所需的最新地域气象水文环境信息,逐步实现气象保障与指挥控制系统和武器系统的有机融合。5.支撑数值预报精细化保障需求区域危险性天气诸如雷暴、大风、暴雨、暴雪、恶劣能见度、低空风切变、下击暴流和晴空湍流等,对战役、战术决策和实施具有决定性影响,这些天气具有空间尺度小、生命史短、破坏性强等特点,是军事气象水文预报保障的重点和难点之一。精细化的全球气象———海洋———陆地耦合数值预报模式,需要高时空分辨率的网格化、精细化的初始场标准数据,数据融合和同化技术是解决这一问题的有效途径,解决对中尺度加密观测站、自动气象站、数值预报产品、卫星和雷达遥感以及GPS等非常规观测资料的融合分析问题。虽然我国已初步形成了包括国家级和区域级自动气象站观测网、气象卫星观测网、海洋卫星观测网,以及覆盖我国的多普勒天气雷达观测网在内的中尺度气象观测网,实现了全天时、全天候、高精度对全球气象要素随天气和时间变化的连续观测,为军事危险天气精细化预报保障提供了大量观测数据。但是,由于不同观测手段获取的数据之间时间和空间分辨率不统一,并且空间覆盖不完全,在业务上无法直接使用,迫切需要研究满足业务应用需求的卫星观测反演数据资料的定量分析产品,改善全球数值预报模式的预报效果。

三、《气象水文保障》的建设内容

1.气象水文信息获取与处理技术战术多普勒天气雷达、便携式综合战术气象观测系统、空投气象站、机动大气廓线探测系统等知识内容。无人机气象海洋探测系统、下投式探测仪、海洋浮标潜标、舰载探测系统、水下无人潜器探测系统等装备知识。自动化地面气象探测网,由S波段、C波段多普勒天气雷达组成的国家骨干网和X波段局地警戒天气雷达组成的全国天气雷达网知识。2.分析预报(测)技术“可分辨云尺度和预报系统”“全球战区天气分析和预报系统”和“空间天气分析与预报系统”,以及水平分辨率为24km和6km的全球和战场尺度云分析预报产品介绍。全球74个地理区域上的与空军作战密切相关的气象变量(如云层、总云量、云底高度、云顶高度等云参数,飞机积冰、大气湍流和雷暴等)的可视化产品,为航天部队提供的太阳活动、电磁环境、电离层环境和中高层大气的预报保障。为海军海上航行安全和各类作战平台、传感器和舰载武器系统的作战运用提供多尺度、多要素的气象海洋预报保障。先进的气候保障装备,即“高级气候模拟与环境仿真”(ACMES)系统。该系统可提供高分辨率的气候统计产品,生成10年记录期的三维格点“历史”天气数据集,提供高分辨率的三维环境表征产品,针对某一特定地区、特定历史时期生成1小时间隔的数值模拟产品,为用户的仿真模式提供输入资料。ACMES系统能生成30个气象参数的100多种描述性统计产品。3.保障应用技术环境影响专题,包括大气气体、自然气溶胶、战场气溶胶、辐射传输、激光传播和目标捕获与系统性能6个部分、30多个模块组成的“电光武器大气影响程序库”,多种电光武器环境影响配套软件系统,“电光武器战术决策辅助系统”,为精确制导、侦察、预警等电光武器系统和传感器的部署使用提供基于环境影响的自动化、定量化的辅助决策。“目标捕获天气软件”“红外目标场景环境仿真软件”“夜视镜天气影响软件”“集成式天气影响辅助决策系统”和“作战任务计划天气影响自动化分析软件”。这些系统将各种先进的物理模式、自动化的气象信息处理技术和环境数据库结合于一体,可制作成易于理解的决策服务产品。4.人工影响局部环境技术消除冷雾常常使用制冷剂(干冰、液态CO2等);对消暖雾,常采用的方法多是涡轮发动机加热法消除暖雾。海雾生成条件、预报以及针对海雾环境大气粒子的散射作用使得视频图像严重降质问题,重点是采用的基于大气散射物理模型的海雾去雾数值方法。5.气象水文信息一体化保障气象水文信息一体化保障系统概述、气象水文一体化保障系统的背景知识、保障现状等相关知识。陆军集团军初级战术互联网和战术互联网的概念和装备功能。构成陆军集团军气象水文一体化保障系统的关键装备,新型预报保障车的组成、工作原理及软硬件装备的功能和使用方法,具体包括终端处理分系统、定位分系统、C波段/Ku波段卫星气象数据接收分系统、地面气象观测分系统、气象传真分系统、通信分系统、业务保障分系统。未来信息化战争不仅要求提供常规气象要素和宏观天气变化情况,而且要重点研究电磁波的传播环境、空间天气、海洋环境对信息化武器装备的影响,提供内容更加丰富的战场大气、海洋和空间环境信息产品。因此,在今后相当长的时期,提高信息化条件下的联合作战气象水文保障能力,将是军事气象水文部门的一项紧迫的历史性任务,必然要求树立一体化的大系统保障观念,使军事气象系统成为国家气象事业的有机组成部分,在综合探测系统的战略布局、保障要素的融合、信息平台的互联互通、预报保障的组织协调以及后备力量的建设上,建立切实可行的运行机制,制定系统配套的法律法规,创建三军一体、军民结合、军民兼容的新型一体化保障体系,实现联合气象保障能力的整体跃升。开展武器装备影响适应性评估,建立和完善适应作战指挥、战场建设和高技术武器装备作战需要的军事气候分析应用系统和战场环境影响数值仿真系统,提高军事气候分析应用和战场环境影响辅助决策水平和能力。

参考文献:

[1]卢军治,宣友汉.联合战役气象水文保障的任务及方法[J].教学与研究,2002,(02):73.

[2]潘剑翔.载人航天飞行任务的气象水文保障[J].气象知识,2003,(06):2.

[3]许云川,黄水强.加强新装备维修保障人才培养的几点思考[J].汽车运用,2013,(03):14.

[4]郑红艳.对新形势下气象水文保障的几点思考[J].科技信息,2012,(04).

作者:刘宇迪 郭海龙 单位:国防科技大学气象海洋学院

气象水文保障课程设计思考责任编辑:张雨    阅读:人次