臺風(fēng)浪過程對空中飛行器生存能力的影響分析*

劉志宏，鄭崇偉，2，潘 靜

(1.解放軍92538部隊氣象臺，遼寧 大連 116041;2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點試驗室，遼寧 大連 116085;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100028)

海浪對海洋水文保障、海洋工程、海洋能資源開發(fā)等軍地建設(shè)有著重要影響，尤其是臺風(fēng)浪，其破壞能力驚人，對導(dǎo)彈、軍用/民用的直升機、無人機等飛行器的掠海飛行有著重要影響。飛行器飛行高度過低，擊水概率(即撞擊海面的概率)增加，影響掠海飛行器自身的安全;飛行高度過高，容易導(dǎo)致暴露目標(biāo)，影響突防效果［1］;海況較差時，同樣會嚴(yán)重影響艦載機的起降，如果不注意海浪的波高和波向，很可能導(dǎo)致機翼入水，造成危險。國內(nèi)外由于惡劣海況而導(dǎo)致軍用/民用掠海飛行器失事的情況并不少見，因此，關(guān)注海浪對擊水概率的影響，有著極為重要、實用的價值，這就要求我們對海浪造成的擊水概率做出精確計算分析。

雷小龍等［2］曾利用有限的海浪觀測數(shù)據(jù)，研究了反艦導(dǎo)彈的擊水概率問題，發(fā)現(xiàn)飛航導(dǎo)彈在較惡劣的海況下，擊水概率大大增加。關(guān)世義等［3］推導(dǎo)了地形跟蹤導(dǎo)彈碰地概率的一個計算公式，并將其與以往的公式進(jìn)行比較，有一定程度的改進(jìn)。前人對擊水概率的研究做了很大貢獻(xiàn)，但由于受到資料等問題的限制，以往多是利用極為有限的觀測資料，在局部小范圍展開，未能實現(xiàn)大范圍海域擊水概率的特征分析。本文利用目前國際先進(jìn)的海浪模式即第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-Ⅲ)，以 CCMP(Cross-Calibrated，Multi-Platform)風(fēng)場為驅(qū)動場，對發(fā)生在2008年9月的臺風(fēng)“黑格比”所致的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，并就臺風(fēng)浪對導(dǎo)彈擊水概率的影響進(jìn)行計算分析，為提高導(dǎo)彈在惡劣海況下的生存能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 驅(qū)動場、觀測數(shù)據(jù)簡介

1.1 風(fēng)場資料

CCMP 風(fēng)場［4-6］來自 NASA ESE(Earth Science Enterprise)，數(shù)據(jù)結(jié)合了 ADEOS-Ⅱ、QuikSCAT、TRMM TMI、SSM/I、AMSR-E等幾種資料，利用變分方法得到。CCMP風(fēng)場的時間分辨率為6小時，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間范圍從1987 年7 月至今，空間范圍為:78.375°S ～78.375°N，180°W ～180°E。

1.2 海浪觀測數(shù)據(jù)

通常將衛(wèi)星資料反演的有效波高(SWH-Significant Wave Height)視為實測資料，用于檢驗?zāi)M數(shù)據(jù)的有效性，但衛(wèi)星資料在中國海范圍有一定的局限性:軌道數(shù)量有限，直接影響數(shù)據(jù)的空間分辨率;軌道重復(fù)周期為10天左右，直接影響數(shù)據(jù)的空間分辨率。我國的海浪浮標(biāo)觀測資料又較少，且并不公開，鑒于此，本文利用來自臺灣“花蓮”觀測站的海浪觀測資料，對模擬海浪數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗。

2 海浪模擬方法、數(shù)據(jù)有效性檢驗

2.1 模擬方法

WW3模式對中國海的海浪場具有較強的模擬能力［7-9］，因此，本文利用具有高精度、較高時空分辨率的CCMP風(fēng)場驅(qū)動WW3模式，對發(fā)生在2008年9月的臺風(fēng)“黑格比”所致的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬。計算范圍:3.875°S ～41.125°N，97.125°E ～135.125°E，空間分辨率取 0.25°× 0.25°，計算時間步長取為 1800s，每小時輸出一次結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)有效性檢驗

為了準(zhǔn)確比較模擬SWH與觀測SWH的差異，本文計算了均方根誤差(RMSE)、偏差(Bias)以及相關(guān)系數(shù)(CC)。具體計算方法如下:

式中，xi代表觀測數(shù)據(jù)，yi代表模擬數(shù)據(jù)和分別為觀測數(shù)據(jù)的均值和模擬數(shù)據(jù)的均值，N為樣本總量，即參與驗證的觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量。

2.3 模擬結(jié)果

比較2008年9月WW3模式模擬的SWH與臺灣“花蓮”觀測站的觀測SWH，結(jié)果如圖1所示。從走勢來看，模擬波高與觀測波高保持了較好的一致性，當(dāng)波高在4m以內(nèi)時，觀測波高略大于模擬波高，當(dāng)波高大于4m時，模擬波高與觀測波高保持了很好的一致性。

圖1 2008年9月臺灣“花蓮”觀測站的觀測SWH與WW3模式模擬的SWH

由圖1 可見，Bias=-0.11，存在0.11m 的負(fù)偏差，即模擬SWH稍小于觀測SWH，相關(guān)系數(shù)CC=0.86，通過了 99.9%(a0.01=0.32)的信度檢驗，均方根誤差RMSE=0.40m，表明模擬的海浪數(shù)據(jù)具有較高精度。

3 臺風(fēng)浪對飛行器擊水概率的影響

3.1 擊水概率計算方法

擊水概率P的計算方法為:

式(4)中，h為飛行高度;σ為高度標(biāo)準(zhǔn)差。

式(5)中，σ1為飛行高度探測的標(biāo)準(zhǔn)差，本文假定某一飛行器的σ1為5m;σ2為海浪浪高的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 擊水概率場分布特征

本文利用模擬得到的2008年9月逐小時的海浪數(shù)據(jù)，計算了當(dāng)飛行器飛行高度為12m、15m時，臺風(fēng)浪對擊水概率的影響，見圖2。

2008年9月22日00:00時，“黑格比”中心位于菲律賓東北部近海，行進(jìn)方向為西向，臺風(fēng)的大浪區(qū)分布于臺風(fēng)行進(jìn)方向的右半圓(即危險半圓——第一、第四象限)，其次在第三象限也有一定的體現(xiàn)，在第二象限則相對偏低(臺風(fēng)浪場的圖略)，擊水概率的分布特征與臺風(fēng)浪場的分布特征保持了較好的一致性。當(dāng)飛行器飛行高度為12m時，臺風(fēng)大浪區(qū)的擊水概率基本在15%以上，近臺風(fēng)中心更是高達(dá)26%，臺風(fēng)大浪區(qū)外圍的擊水概率則基本在10%以下;當(dāng)飛行器的飛行高度為15m時，擊水概率基本只有12m時的一半。

圖2 “黑格比”所致臺風(fēng)浪對飛行器在不同飛行高度的擊水概率的影響，單位:%

2008年9月23日00:00時，臺風(fēng)“黑格比”中心位于東沙附近海域，行進(jìn)方向仍為西向，臺風(fēng)大浪區(qū)的范圍較22日0時明顯縮小，大值中心分布于中沙群島附近小范圍海域，這是由于臺風(fēng)經(jīng)過呂宋海峽，受到地形影響，強度遭到一定的削弱所致(臺風(fēng)浪場的圖略)。擊水概率的分布特征與臺風(fēng)浪場的分布特征保持了較好的一致性，大值區(qū)分布于臺風(fēng)浪的危險半圓，其次在第二象限也有一定程度的體現(xiàn)。當(dāng)飛行高度為12m時，高值中心的擊水概率仍可達(dá)30%左右，由于受到臺風(fēng)尾跡的影響，在臺灣以東洋面的擊水概率相對大于周邊海域，為9% ～12%;當(dāng)飛行高度為15m時，擊水概率基本只有12m時的一半，大值中心的擊水概率為16%左右，詳見圖2。

值得注意的是，擊水概率的高值中心并不位于臺風(fēng)中心，這是由于臺風(fēng)中心存在一低風(fēng)速的臺風(fēng)眼造成的。

4 結(jié)論

1)以CCMP風(fēng)場作為WW3模式的驅(qū)動場，對發(fā)生在中國海的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的，模擬的海浪數(shù)據(jù)接近海浪浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。

2)當(dāng)飛行器飛行高度為12m時，擊水概率大值區(qū)主要分布于臺風(fēng)的大浪區(qū)，擊水概率基本在15%以上，近臺風(fēng)中心更是高達(dá)26%～30%，臺風(fēng)大浪區(qū)的外圍的擊水概率則基本都在10%以下;當(dāng)飛行器飛行高度為15m時，擊水概率基本只有12m時的一半。

3)無論飛行高度為12m還是15m，擊水概率的大值區(qū)均集中分布于臺風(fēng)行進(jìn)方向的右半圓(即危險半圓——第一、第四象限)。擊水概率的高值中心并不位于臺風(fēng)中心，這應(yīng)該是由于臺風(fēng)中心存在一低風(fēng)速的臺風(fēng)眼造成的。

［1］ZHENG Chong-wei，ZHUANG Hui，Li Xin，et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.Sci China Tech Sci，2012，55(1):163-173.

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［3］關(guān)世義.地形跟蹤導(dǎo)彈碰地概率的確定［J］.飛航導(dǎo)彈，1990(2):44-50.

［4］鄭崇偉，李訓(xùn)強.基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中國海波浪能資源評估［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，41(11):5-12.

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