中國近海海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險綜合區(qū)劃方法*

陳 建，翟宇梅，姜祝輝，白成祖，宋 博

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054；3.解放軍91937 部隊，浙江 舟山 316021）

0 引言

開展中國近海海上作戰(zhàn)環(huán)境風險綜合區(qū)劃，能夠?qū)⒆鲬?zhàn)人員、裝備和環(huán)境要素緊密結(jié)合，從應(yīng)用角度出發(fā)揭示各海域氣候狀況的區(qū)域分異規(guī)律，是深入認知、科學運用海上氣象水文環(huán)境的有效技術(shù)手段。20 世紀90 年代初以來的相關(guān)區(qū)劃研究［1-2］，分析了風、波浪、能見度、海面溫度等水文氣象要素對海上作戰(zhàn)人員、裝備及訓練的影響，以及主要氣象水文要素的氣候變化特點；分析了適用于海上的綜合水文氣象條件，給出了中國近海綜合氣候區(qū)劃圖；針對大風浪、高溫高濕、低溫高濕等氣象條件，研究提出了趨利避害的對策和措施。這些成果在海上作戰(zhàn)訓練計劃制定、武器裝備運用等方面發(fā)揮了重要作用。但從目前應(yīng)用需求分析，仍主要存在幾點不足：一是所用氣象水文環(huán)境資料沉舊；二是對聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用需求關(guān)注不夠；三是區(qū)劃指標和區(qū)劃方法落后，無法解決多指標體系構(gòu)建和復雜非線性分類問題。因此，本文針對海上聯(lián)合作戰(zhàn)需求，基于多指標的定量融合方法以及非線性聚類工具，通過構(gòu)建中國近海的水面艦艇航行、艦載機飛行、海上人員訓練等風險指標體系，進行中國近海海空聯(lián)合作戰(zhàn)區(qū)劃研究，為我軍預設(shè)戰(zhàn)場建設(shè)、武器裝備運用、部隊訓練等提供必要依據(jù)。

1 資料

美國環(huán)境預報中心的NCEP-CFSR 再分析數(shù)據(jù)，選取其水平分辨率為0.5°、時間分辨率為月的氣溫、海平面氣壓和相對濕度數(shù)據(jù)；歐洲中尺度天氣預報中心ERA-Interim 產(chǎn)品，選取其水平分辨率為1.0°、時間分辨率為1 d 的距海平面10 m 風速和有效波高數(shù)據(jù)；綜合海洋大氣數(shù)據(jù)集（ICOADS），選取其能見度、云高數(shù)據(jù)。關(guān)注1979-01-2016-12 時間段和中國近海（0°～42°N，105°～132°E）海域。

2 區(qū)劃指標和方法

“海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險”由各單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風險共同決定。其中，“水面艦艇航行環(huán)境風險”、“艦載機飛行環(huán)境風險”、“海上人員訓練環(huán)境風險”分別指海上災(zāi)害性環(huán)境要素對艦艇航行、艦載機飛行、人員訓練的不利影響程度；根據(jù)綜合性和主導性相結(jié)合的原則，并考慮不同作戰(zhàn)平臺的環(huán)境適應(yīng)標準，確定影響水面艦艇航行的環(huán)境要素為風速、浪高、能見度，影響艦載機飛行的環(huán)境要素為風速、云高和能見度，影響海上人員訓練的環(huán)境要素為高溫高濕（濕熱指數(shù)）和低溫（風寒指數(shù)）；綜合考慮過去情況、極端情形、未來趨勢等多重特性的影響，確定某個環(huán)境要素的綜合風險由其強度、頻率、極值、趨勢等指標決定，一般強度越大、頻率越高、極值越高、氣候趨勢呈現(xiàn)危害性增大跡象，則風險越大。由此構(gòu)建“海空聯(lián)合作戰(zhàn)-單兵種作戰(zhàn)-環(huán)境要素-要素指標”4 級風險評估體系，如圖1 所示。

圖1 海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險評估指標體系

2.1 環(huán)境要素綜合風險指數(shù)

采用加法關(guān)系對于某種災(zāi)害性環(huán)境要素（如大風）的綜合風險Dj進行融合：

式中，Ei（i=1～4）依次對應(yīng)強值頻率、極值、平均值、趨勢，wi（i=1～4）為對應(yīng)權(quán)重。其中，因為能見度（0.05 km，…，50 km）、云高（25 m，…，3 000 m）是離散等級，只統(tǒng)計強值頻率（E1），不統(tǒng)計極值（E2）、平均值（E3）和趨勢（E4）。

1）首先對環(huán)境要素進行合理分級。因為不同等級的環(huán)境要素對軍事行動和裝備的影響程度不同，采用三級劃分辦法，分為稍不適宜、不適宜和很不適宜3 個等級。各兵種作戰(zhàn)所涉及的災(zāi)害性環(huán)境要素高強閾值分別如下頁表1～表3（來自相應(yīng)氣象水文條件標準）。對環(huán)境要素的三級強值頻率進行歸一化處理分別得E1a，j、E1b，j和E1c，j。

表1 影響艦艇航行安全的災(zāi)害性環(huán)境要素高強閾值

表2 影響艦載機飛行的災(zāi)害性環(huán)境要素高強閾值

表3 影響海上人員訓練的災(zāi)害性環(huán)境要素高強閾值

2）鑒于武器平臺設(shè)計中對極值的關(guān)注，采用Gumbe 曲線法［3］推算環(huán)境要素極值。極值xp表達式：

3）考慮到要素平均值的普遍適用性，計算環(huán)境要素的季節(jié)平均值，歸一化處理得E3，j。

4）考慮時間尺度的科學性和全面性，計算氣候趨勢系數(shù)ε［4］：

5）針對多層結(jié)構(gòu)的環(huán)境綜合風險體系，采用層次分析法（即AHP）計算各指標權(quán)重。

表4 標度及其含義解釋（以Cij 為例）

第1，判斷并量化各指標的相對重要性。由于災(zāi)害性等級越高，其環(huán)境要素的危險性越強，所以c、b和a 3 類高強閾值的危險性是遞減的。同時，環(huán)境要素高值頻率、極值相比均值對海上作戰(zhàn)更重要，歷史均值比未來趨勢重要。基于以上兩點，利用表4所示（1～9）標度打分法構(gòu)建（依次取閾值為c、b、a的）高值頻率、極值、平均值、趨勢這6 項指標間的互反判斷矩陣。以水面艦艇航行環(huán)境風險為例（下同），其互反判斷矩陣為：

其中，Cij表示對上一級來說指標i 相對j 的重要性，Cij×Cji=1，Cii=1（即i=j 時）。

第2，將各行幾何平均值確定為各指標權(quán)重：

得到：w=（0.36，0.24，0.15，0.15，0.06，0.04）或w=（0.54，0.30，0.16）。

6）根據(jù)式（1），對某環(huán)境要素的各指標加權(quán)，得到該環(huán)境要素的綜合風險指數(shù)：

2.2 單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風險指數(shù)

單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風險指數(shù)由各環(huán)境要素風險指數(shù)加權(quán)平均得到：

其中，由于大風、大浪（尤其是高值）通常是相伴相生的，且影響比低能見度影響明顯偏大，三要素的權(quán)重向量為w=（0.45，0.45，0.10）（由互反判斷矩陣得到）。

2.3 海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險指數(shù)

海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險指數(shù)由各單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風險指數(shù)加權(quán)平均得到：

其中，水面艦艇航行、艦載機飛行、海上人員訓練的環(huán)境風險指數(shù)權(quán)重向量為w=（0.58，0.35，0.07）。

最后，以D聯(lián)為依據(jù)，利用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SOM）方法［7］，進行海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險區(qū)劃。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境要素分布

大風綜合風險指數(shù)（圖2）是海面風場各項指標的綜合反映。其中，高風險區(qū)出現(xiàn)在冬季、秋季的南海東北部、呂宋海峽、臺灣海峽（圖2a、圖2d），或冬季的菲律賓東部、越南東南部洋面（圖2a），對應(yīng)的是特殊地形引起的6 級或7 級以上大風區(qū)，即穿越臺灣海峽的盛行東北風在狹管效應(yīng)下形成大風區(qū)，另外幾個大風區(qū)則由繞流作用以及長山山脈、呂宋海峽的地形加速作用形成［8］；還出現(xiàn)在夏季、秋季的琉球- 臺灣以東洋面（圖2b、圖2c），對應(yīng)的是頻發(fā)熱帶氣旋引起的8 級以上大風區(qū)，包括熱帶氣旋生成區(qū)和低速移動區(qū)［9］；風速極值、平均值、趨勢分析略。大風綜合風險夏季時最高，秋冬季居中，春季最低。

圖2 中國近海（a）冬季、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季大風綜合風險指數(shù)

大浪綜合風險指數(shù)（圖3）較高區(qū)出現(xiàn)在冬季東海南部、南海和菲律賓海中部（圖3a），對應(yīng)5 級或6級以上的海浪高頻區(qū)；夏季琉球-臺灣以東洋面（圖3c），對應(yīng)6 級或7 級以上海浪高頻區(qū)；以及秋季南海北部和菲律賓海北部（圖3d），為5 級～7 級以上海浪高頻區(qū)的綜合效應(yīng)；而春季大浪綜合風險較低（圖3b）。需要注意，秋冬季海浪高風險區(qū)并沒有出現(xiàn)在呂宋海峽、臺灣海峽等大風區(qū)，也就是說風、浪大值并不完全一致，這主要是因為，經(jīng)過呂宋海峽向南海方向傳播的海浪，改變了原始風場（南海北部秋冬季盛行的東北風）所致的海浪場［10］。夏秋季的大浪則由熱帶氣旋入侵造成。浪高極值、平均值、氣候趨勢分析略。大浪綜合風險夏季時最高，秋冬季居中，春季最低。

圖3 同圖2，但為大浪綜合風險指數(shù)

低能見度、低云、濕熱指數(shù)、風寒指數(shù)的綜合風險不再展開分析。

3.2 環(huán)境風險區(qū)劃

利用SOM 方法，取聚類數(shù)為3，對水面艦艇航行環(huán)境風險指數(shù)進行聚類，如圖4 所示。

圖4 中國近海（a）冬季、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季水面艦艇航行環(huán)境風險區(qū)劃（區(qū)劃數(shù)為3）

冬季（圖4a）：一區(qū)（淺綠色）風、浪威脅較小（0.13、0.11），能見度威脅較大（0.12），水面艦艇航行環(huán)境風險整體偏低（0.12）。二區(qū)（淺藍色）位于一、三區(qū)之間，風、浪威脅一般（0.28、0.30），能見度威脅居中（0.11），水面艦艇航行環(huán)境風險居中（0.27）。三區(qū)（深藍色）風浪威脅較大（0.41、0.56），能見度威脅較小（0.07），水面艦艇航行環(huán)境風險偏高（0.44）。冬季高風險主要是由冬季大風、大浪引起的（圖2a，圖3a）。

春季（圖4b）：與冬季的區(qū)劃結(jié)果類似，但高風險區(qū)范圍在南海和菲律賓海有所縮小，而在東海和黃海有所擴大，這主要由于春季低能見度區(qū)出現(xiàn)在渤海、黃海和東海北部沿岸海域（圖4b）和春季大風浪區(qū)向東海-日本海方向轉(zhuǎn)移（圖2b、圖3b）。

夏季（圖4c）：與冬季、春季的區(qū)劃結(jié)果相比，夏季的高風險區(qū)范圍有較明顯變化，出現(xiàn)在東海南部以及琉球-臺灣-菲律賓以東洋面，這主要由于該海域是夏季熱帶氣旋（即8 級以上風、7 級以上海浪）高發(fā)區(qū)（圖2c、圖3c）。

秋季（圖4d）：與夏季的區(qū)劃結(jié)果相比，秋季的高風險區(qū)范圍有部分差異，主要表現(xiàn)在高風險區(qū)擴展到了呂宋海峽和南海東北部，因為秋季作為夏、冬季風之間的轉(zhuǎn)換期，具有夏季大風浪區(qū)（東海南部以及琉球-臺灣-菲律賓以東洋面）和冬季大風浪區(qū)（南海中北部、呂宋海峽、菲律賓海中北部）的綜合特點（圖2d、圖3d）。

區(qū)劃數(shù)為4 時的結(jié)果（圖略）可以給出更多細節(jié)，但與圖4 基本一致，證明區(qū)劃方法較為穩(wěn)定、對區(qū)劃數(shù)不敏感性、結(jié)果可靠。

艦載機飛行和海上人員訓練環(huán)境風險區(qū)劃的結(jié)果不再展開分析。海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險區(qū)劃結(jié)果如圖5 所示，各季節(jié)高風險區(qū)主要由水面艦艇航行環(huán)境風險較高區(qū)和艦載機飛行環(huán)境風險較高區(qū)組成。

圖5 同圖4，但為海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險區(qū)劃

4 結(jié)論

基于層次分析法建立中國近海海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險評估的多層指標體系，作戰(zhàn)樣式層包括水面艦艇航行、艦載機飛行、海上人員訓練，環(huán)境要素層包括大風、大浪、低云、低能見度、高溫高濕、低溫，要素指標層包括高值頻率、概率極值、平均強度、氣候趨勢，通過互反判斷矩陣對各指標相對重要性進行量化，最后利用SOM 方法進行海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風險綜合區(qū)劃。

根據(jù)該方法區(qū)劃結(jié)果可知，對于水面艦艇航行：環(huán)境風險偏高的海區(qū)夏季主要是熱帶氣旋高發(fā)區(qū)；冬季主要是盛行大風區(qū)；秋季以上兩種大風浪區(qū)同時存在，但是以熱帶氣旋影響為主；而春季則是較低能見度和較大風浪的綜合產(chǎn)物。對于艦載機飛行：環(huán)境風險偏高的海區(qū)冬季源于盛行大風和低云、低能見度的綜合作用；春季主要由低云和低能見度引起；夏季源于熱帶氣旋大風和低云、低能見度的共同影響；秋季則主要是由大風引起。對于海上人員訓練：環(huán)境風險在冬季主要由風寒指數(shù)決定，在夏季由濕熱指數(shù)決定。對于海空聯(lián)合作戰(zhàn)：環(huán)境風險偏高區(qū)主要是水面艦艇航行和艦載機飛行的環(huán)境風險較高區(qū)。其中需要注意的是，南海北部和菲律賓海的大風、大浪風險都很高，但機制成因和發(fā)生季節(jié)皆有不同：前者主要由強風、大浪等較低級別災(zāi)害引起，涉及季風、地形要素；而后者主要由疾風、大風、巨浪、怒濤等較高級別災(zāi)害引起，涉及熱帶氣旋。可見，基于環(huán)境適應(yīng)和裝備設(shè)計標準，對c、b、a 閾值下的高值頻率等指標進行量化、排序，有助于區(qū)分季節(jié)、動力機制等差異對環(huán)境風險的影響。

基于以上方法對海空聯(lián)合作戰(zhàn)風險進行區(qū)劃時，可根據(jù)實際對指標構(gòu)建和區(qū)劃方法的具體參數(shù)進行調(diào)整，以適應(yīng)不同艦艇、艦載機和人員情形。