海上雷達氣象探測能力發展分析

邱衛新

(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

海上雷達氣象探測能力發展分析

邱衛新

(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

摘要：分析了現代海戰對氣象信息的需求及美國海軍氣象探測能力發展現狀及趨勢，提出了海上編隊雷達氣象探測技術的發展建議。

關鍵詞：雷達；氣象探測；探測能力；氣象產品；發展現狀及趨勢

0引言

氣象信息自古以來就是戰爭決勝不可或缺的保障信息。“趨天氣之利、避天氣之害”是古今中外軍事行動的一條基本原則。第一次世界大戰初期，為充分發揮火炮的作戰效能，法、德等國先后成立了專業的氣象保障分隊?，F代戰爭呈現大范圍、立體性，各種先進武器的應用對氣象保障愈加依賴。世界各軍事強國對氣象信息的獲取、處理、應用也愈加重視。雷達作為氣象信息獲取的新型裝備，因其作用距離遠、探測精度高、信息元素多而逐漸成為氣象探測的主要裝備[1-2]。

1海上氣象信息的作用與意義

氣象環境對海上活動和軍事行動有著近乎全過程的影響。海上艦船、艦載機及其武器裝備等設計和使用都離不開一定的氣象條件。武器系統的作戰效能也受具體氣象條件的影響，氣象環境對其的影響主要在如下方面：通行條件、觀察條件、精度條件和安全條件[3]。

(1) 通行條件

通行條件是指影響艦船、艦載機及其人員運動的氣象環境特性。艦船在海上航行、艦載機和無人機遂行任務都必須在滿足一定要求的氣象環境下進行。為保證艦船和艦載機的航行安全，必須要實時掌握艦船和飛機航行范圍內的風向、風速、浪場、切邊風場、云、雨、霧等氣象信息，精確掌握上述信息項在遂行任務期間的變化趨勢，同時還要掌握氣象災害信息，便于部隊進行作戰決策和戰術方案擬定。

(2) 觀察條件

觀察條件是影響雷達、光電等探測設備探測效能的氣象環境特性。云、雨、霧等氣象因素影響了光電和紅外探測設備的探測效能，對較高頻率的雷達也有較大影響。電磁波傳輸的大氣折射率是氣壓、溫度和水汽壓等的函數，見式(1)。

(1)

式中，N為大氣折射指數；T為空氣溫度(K)；P為大氣壓(hPa)；e為水氣壓(hPa)；D為干空氣的介電常數，約77.6；E為水汽偶極矩常數，約4810。大氣折射率影響了雷達對目標高度或俯仰角探測的精度。為獲得較高精度的目標高度或俯仰角參數，需利用氣象參數推演大氣折射率，以此進行折射率修正。常用的修正方法有等效地球半徑模式法、改進等效地球半徑模式法和指數模式法等。當出現陷獲折射(即大氣波導)現象時，會出現部分雷達電磁波陷獲于大氣波導中，使得雷達能主動發現處于超視距位置的遠程的海面目標，同時在波導的上界層將出現探測盲區(或弱區)。通過氣象信息的獲取處理，實時掌握觀察條件諸要素，并合理利用觀察條件，提高發現敵目標的能力，同時規避本平臺被敵方發現、跟蹤，是現代海上戰爭的戰術基本策略之一。

(3) 精度條件

精度條件是影響武器打擊精度的氣象環境特性。常規武器、導彈以及戰略武器等射擊精度和打擊效果都受氣象條件的影響，風、氣溫、大氣密度及濕度是影響打擊精度的主要因素。對于制導武器，云、雨、霧和風等都對制導精度產生影響，從而影響武器系統的打擊精度。只有準確掌握影響武器系統打擊精度的氣象參數，對武器系統的射擊諸元修正，才能保障武器系統的打擊效能。

(4) 安全條件

安全條件是影響平臺和作戰人員安全的氣象環境特征。對于海上環境，主要是艦船及艦載設備的安全條件、艦載機的飛行安全條件和氣象災害條件，如積冰、雷暴、颶風、風切變、下擊暴流、涌浪等。

掌握對作戰影響的氣象環境信息，利用有利氣象條件，規避不利氣象條件保障作戰勝利，是軍事氣象保障的主要目的。采用人工影響天氣手段影響局部氣象環境，增強或形成作戰能力，達到某種作戰企圖，也是重要的氣象保障手段。為此，海上編隊對氣象保障的需求主要有：

(1) 基本氣象信息

由氣象觀測(含天氣雷達)、天氣分析預報、氣候分析和水文分析直接得到的反映天氣、氣候、水文狀況及其變化的產品，主要有天氣及水文實況、天氣水文分析預報、災害預報等。

(2) 戰術氣象產品

主要包括與海上編隊戰術行動相關的氣象要素和其他相關要素、戰術輔助決策的氣象資料等。例如，戰場大氣環境評估、空中和海上航線狀況、電磁波的大氣折射指數和大氣衰減指數、大氣波導預測、飛機結冰度，艦載機(無人機)著艦范圍內的風切變等。

2海上雷達氣象探測能力和技術發展現狀

美國海軍各型具有航空能力的艦船，如航母和兩棲攻擊艦，其作戰能力都受到天氣狀況的影響。上至打擊任務，下至艦載機起降，都需要知道當前及未來的天氣條件，以避免事故的發生，并盡可能為部隊提供先發制人的機會。

世界各地的機場周圍都有專用氣象雷達，飛行員和空中交通管制人員利用這些雷達數據規劃航線。但是，美國的水面艦艇在過去的幾十年中并沒有安裝和使用這種專用的氣象雷達系統。不過，近年來通過一些“基于傳感器”的數據收集和演示試驗證實，大多數現代艦艇所使用的對空監視雷達可以作為氣象雷達使用。

美國海軍水面艦艇利用現有的對空監視雷達得到氣象雷達數據(Weather Radar Through-the-Sensor，簡稱WRTTS)。利用現有傳感器提供氣象雷達數據的好處包括:無需更換現有設備，能極大降低新系統開發、安裝和維護費用，并滿足相關附加機械結構和電子設備的使用要求[4]。

基于傳感器數據收集概念的一個重要條件，是在搜集日常氣象數據的同時不改變或阻礙戰術傳感器的正常工作。戰術雷達的任務是探測并追蹤空中和水面目標，這對船員及整個艦隊的安全至關重要。中斷一次搜索掃描或者改變運行參數，都會降低雷達探測和追蹤潛在敵對目標的能力，進而大大降低艦隊防御敵方武器的能力。

(1) SPY-1系列[5]

在1996年美國海軍發現雜波回波影響AN/SPY-1雷達的探測性能，而天氣現象的回波是雜波的主要來源。為了精確跟蹤目標需要把雜波濾除，因此就收集大量的天氣回波資料，然后進行處理，并和NEXRAD的探測相比較，結果非常一致。之后，美國海軍在SPY-1雷達上配置了作戰環境處理器(Tactical Environmental processor，簡稱 TEP),即附加了一個天氣處理器。

(2) SPS-48系列

災害性天氣探測及顯示(Hazardous Weather Detection and Display Capability，簡稱HWDDC) 系統是為艦艇提供實時氣象信息的重要工具。它通過附加的氣象雷達數據處理器和基于網頁的服務器，能提供艦載SPS-48E 雷達的實時監測數據和圖像。災害性天氣探測及顯示系統首先提取SPS-48E 雷達回波，將其轉化成氣象雷達可以讀取的氣象測量數據，然后利用簡單的網頁顯示技術，通過艦載網絡向用戶提供雷達顯示的圖像。

(3) 構建網絡

在收集到氣象數據后，需要以一種便于解讀的格式向艦上和艦下的用戶分配和提供氣象數據。美國只有少數艦船 (如航母) 上有專業的氣象學家，大多數沒有氣象學家的艦船上的艦員也需要使用氣象雷達提供信息。因此，數據質量和信息的顯示方式非常重要。如果作戰人員不能快速有效地理解這些數據，WRTTS系統對于作戰人員的作用就會很小。

艦隊數字氣象與海洋中心(The Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center，簡稱FNMOC)通過衛星鏈路(海軍艦載機密局域網SIPRNET)得到TEP和HWDDC的氣象探測數據，進行氣象數值預報分析。航行在大洋上的艦船通過氣象數據提取計算機服務器提供的網頁顯示和界面服務訪問SIPRNET，得到雷達的實時顯示和氣象預報結果。

3海上雷達氣象探測能力發展趨勢

(1) 充分利用艦載雷達資源，構建海上編隊網絡化氣象探測體系

由于艦艇平臺空間、載荷、穩性及供能的制約，限制了雷達布設的數量，因此作戰艦艇難以配置專用的氣象探測雷達。充分利用艦載雷達資源，開展多種形式的氣象探測，以專用方式和兼容方式實現強度模式、速度模式、風廓線測量等多種氣象探測模式，是艦艇雷達氣象發展的必需。同時，還應研究海上編隊氣象探測組網技術，構建海上編隊網絡化氣象探測體系，多傳感器、多頻率、多探測手段組合，提高氣象探測的能力范圍、準確度、精細度。

(2) 加強氣象信息分析與應用研究，完善氣象產品譜系

現代海戰對氣象信息保障的多方面需求，特別是探測裝備、遠程打擊武器、艦載飛行器等新裝備為發揮其效能，對氣象信息保障的產品種類、信息質量提出了更高的要求。應針對戰術使用，加強氣象信息的獲取、分析和處理技術研究，豐富、完善氣象產品品種及其衍生產品。

(3) 開展氣象數據挖掘研究，實現常規任務探測下的氣象信息獲取

不管是專用氣象探測方式還是兼容氣象探測方式，都必須有一定的時間能量資源專門用于氣象探測。這將對情報探測產生影響，降低情報信息質量。而低密度的氣象探測也使氣象信息質量難以提高。應開展利用情報探測的信息分析獲取氣象信息的技術研究，通過數據挖掘和數據變換、補償獲取較高質量的氣象信息，實現情報探測和氣象探測的完全兼容。

參考文獻：

[1]龔瑞卿.海事氣象信息保障系統建設方案研究[J].中國水運，2008(12).

[2]李慶偉，馬恒.綜合氣象保障系統研制[J].氣象水文海洋儀器,2008(3).

[3]唐萬年，謝在永.高技術局部戰爭氣象保障概論[J].氣象，2000(3).

[4]劉偉.美英的軍事氣象保障[J].現代軍事，2000(8).

[5]Jane′s Radar and Electronic Warfare Systems, 2012.

Analysis on development of weather detection capability

for marine radars

QIU Wei-xin

(Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

Abstract：The requirements of the weather information for modern naval battles and the status quo and development trends of the weather detection capability of the U.S. Navy are analyzed, and the development suggestions of the weather detection technology for marine formation radars are made.

Keywords:radar; weather detection; detection capability; weather product; status quo and development trends

中圖分類號：TN957.51

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0401(2015)04-0018-03

作者簡介:邱衛新(1962-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術。

收稿日期：2015-10-12