台风浪过程对空中飞行器生存能力的影响分析*

刘志宏，郑崇伟，2，潘 静

(1.解放军92538部队气象台，辽宁 大连 116041;2.大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点试验室，辽宁 大连 116085;3.中国科学院大气物理研究所，北京 100028)

海浪对海洋水文保障、海洋工程、海洋能资源开发等军地建设有着重要影响，尤其是台风浪，其破坏能力惊人，对导弹、军用/民用的直升机、无人机等飞行器的掠海飞行有着重要影响。飞行器飞行高度过低，击水概率(即撞击海面的概率)增加，影响掠海飞行器自身的安全;飞行高度过高，容易导致暴露目标，影响突防效果［1］;海况较差时，同样会严重影响舰载机的起降，如果不注意海浪的波高和波向，很可能导致机翼入水，造成危险。国内外由于恶劣海况而导致军用/民用掠海飞行器失事的情况并不少见，因此，关注海浪对击水概率的影响，有着极为重要、实用的价值，这就要求我们对海浪造成的击水概率做出精确计算分析。

雷小龙等［2］曾利用有限的海浪观测数据，研究了反舰导弹的击水概率问题，发现飞航导弹在较恶劣的海况下，击水概率大大增加。关世义等［3］推导了地形跟踪导弹碰地概率的一个计算公式，并将其与以往的公式进行比较，有一定程度的改进。前人对击水概率的研究做了很大贡献，但由于受到资料等问题的限制，以往多是利用极为有限的观测资料，在局部小范围展开，未能实现大范围海域击水概率的特征分析。本文利用目前国际先进的海浪模式即第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-Ⅲ)，以 CCMP(Cross-Calibrated，Multi-Platform)风场为驱动场，对发生在2008年9月的台风“黑格比”所致的台风浪进行数值模拟，并就台风浪对导弹击水概率的影响进行计算分析，为提高导弹在恶劣海况下的生存能力提供科学依据。

1 驱动场、观测数据简介

1.1 风场资料

CCMP 风场［4-6］来自 NASA ESE(Earth Science Enterprise)，数据结合了 ADEOS-Ⅱ、QuikSCAT、TRMM TMI、SSM/I、AMSR-E等几种资料，利用变分方法得到。CCMP风场的时间分辨率为6小时，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间范围从1987 年7 月至今，空间范围为:78.375°S ～78.375°N，180°W ～180°E。

1.2 海浪观测数据

通常将卫星资料反演的有效波高(SWH-Significant Wave Height)视为实测资料，用于检验模拟数据的有效性，但卫星资料在中国海范围有一定的局限性:轨道数量有限，直接影响数据的空间分辨率;轨道重复周期为10天左右，直接影响数据的空间分辨率。我国的海浪浮标观测资料又较少，且并不公开，鉴于此，本文利用来自台湾“花莲”观测站的海浪观测资料，对模拟海浪数据的有效性进行检验。

2 海浪模拟方法、数据有效性检验

2.1 模拟方法

WW3模式对中国海的海浪场具有较强的模拟能力［7-9］，因此，本文利用具有高精度、较高时空分辨率的CCMP风场驱动WW3模式，对发生在2008年9月的台风“黑格比”所致的台风浪进行数值模拟。计算范围:3.875°S ～41.125°N，97.125°E ～135.125°E，空间分辨率取 0.25°× 0.25°，计算时间步长取为 1800s，每小时输出一次结果。

2.2 数据有效性检验

为了准确比较模拟SWH与观测SWH的差异，本文计算了均方根误差(RMSE)、偏差(Bias)以及相关系数(CC)。具体计算方法如下:

式中，xi代表观测数据，yi代表模拟数据和分别为观测数据的均值和模拟数据的均值，N为样本总量，即参与验证的观测数据的数量。

2.3 模拟结果

比较2008年9月WW3模式模拟的SWH与台湾“花莲”观测站的观测SWH，结果如图1所示。从走势来看，模拟波高与观测波高保持了较好的一致性，当波高在4m以内时，观测波高略大于模拟波高，当波高大于4m时，模拟波高与观测波高保持了很好的一致性。

图1 2008年9月台湾“花莲”观测站的观测SWH与WW3模式模拟的SWH

由图1 可见，Bias=-0.11，存在0.11m 的负偏差，即模拟SWH稍小于观测SWH，相关系数CC=0.86，通过了 99.9%(a0.01=0.32)的信度检验，均方根误差RMSE=0.40m，表明模拟的海浪数据具有较高精度。

3 台风浪对飞行器击水概率的影响

3.1 击水概率计算方法

击水概率P的计算方法为:

式(4)中，h为飞行高度;σ为高度标准差。

式(5)中，σ1为飞行高度探测的标准差，本文假定某一飞行器的σ1为5m;σ2为海浪浪高的标准差。

3.2 击水概率场分布特征

本文利用模拟得到的2008年9月逐小时的海浪数据，计算了当飞行器飞行高度为12m、15m时，台风浪对击水概率的影响，见图2。

2008年9月22日00:00时，“黑格比”中心位于菲律宾东北部近海，行进方向为西向，台风的大浪区分布于台风行进方向的右半圆(即危险半圆——第一、第四象限)，其次在第三象限也有一定的体现，在第二象限则相对偏低(台风浪场的图略)，击水概率的分布特征与台风浪场的分布特征保持了较好的一致性。当飞行器飞行高度为12m时，台风大浪区的击水概率基本在15%以上，近台风中心更是高达26%，台风大浪区外围的击水概率则基本在10%以下;当飞行器的飞行高度为15m时，击水概率基本只有12m时的一半。

图2 “黑格比”所致台风浪对飞行器在不同飞行高度的击水概率的影响，单位:%

2008年9月23日00:00时，台风“黑格比”中心位于东沙附近海域，行进方向仍为西向，台风大浪区的范围较22日0时明显缩小，大值中心分布于中沙群岛附近小范围海域，这是由于台风经过吕宋海峡，受到地形影响，强度遭到一定的削弱所致(台风浪场的图略)。击水概率的分布特征与台风浪场的分布特征保持了较好的一致性，大值区分布于台风浪的危险半圆，其次在第二象限也有一定程度的体现。当飞行高度为12m时，高值中心的击水概率仍可达30%左右，由于受到台风尾迹的影响，在台湾以东洋面的击水概率相对大于周边海域，为9% ～12%;当飞行高度为15m时，击水概率基本只有12m时的一半，大值中心的击水概率为16%左右，详见图2。

值得注意的是，击水概率的高值中心并不位于台风中心，这是由于台风中心存在一低风速的台风眼造成的。

4 结论

1)以CCMP风场作为WW3模式的驱动场，对发生在中国海的台风浪进行数值模拟是可行的，模拟的海浪数据接近海浪浮标观测数据。

2)当飞行器飞行高度为12m时，击水概率大值区主要分布于台风的大浪区，击水概率基本在15%以上，近台风中心更是高达26%～30%，台风大浪区的外围的击水概率则基本都在10%以下;当飞行器飞行高度为15m时，击水概率基本只有12m时的一半。

3)无论飞行高度为12m还是15m，击水概率的大值区均集中分布于台风行进方向的右半圆(即危险半圆——第一、第四象限)。击水概率的高值中心并不位于台风中心，这应该是由于台风中心存在一低风速的台风眼造成的。

［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.

［2］雷小龙，关世义，常伯浚.掠海飞行导弹击水概率的仿真研究［J］.宇航学报，1990(3):16-22.

［3］关世义.地形跟踪导弹碰地概率的确定［J］.飞航导弹，1990(2):44-50.

［4］郑崇伟，李训强.基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的近22年中国海波浪能资源评估［J］.中国海洋大学学报(自然科学版)，2011，41(11):5-12.

［5］ZHENG Chong-wei.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009［J］.Ocean Engineering，2012，10(1):16-28.

［6］郑崇伟，潘静，田妍妍，等.全球海域风浪、涌浪、混合浪波候图集［M］.北京:海洋出版社，2012.

［7］周良明，吴伦宇，郭佩芳，等.应用WAVEWATCH——Ⅲ模式对南海的波浪场进行数值计算、统计分析和研究［J］.热带海洋学报，2007，26(5):1-8.

［8］郑崇伟，周林.近10年南海波浪特征分析及波浪能研究［J］.太阳能学报，2012，33(8):1349-1356.

［9］齐义泉，朱伯承，施平，等.WAVEWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析［J］.海洋学报，2003，25(4):1-9.