中国近海海空联合作战环境风险综合区划方法*

陈 建，翟宇梅，姜祝辉，白成祖，宋 博

（1.北京应用气象研究所，北京 100029；2.地理信息工程国家重点实验室，西安 710054；3.解放军91937 部队，浙江 舟山 316021）

0 引言

开展中国近海海上作战环境风险综合区划，能够将作战人员、装备和环境要素紧密结合，从应用角度出发揭示各海域气候状况的区域分异规律，是深入认知、科学运用海上气象水文环境的有效技术手段。20 世纪90 年代初以来的相关区划研究［1-2］，分析了风、波浪、能见度、海面温度等水文气象要素对海上作战人员、装备及训练的影响，以及主要气象水文要素的气候变化特点；分析了适用于海上的综合水文气象条件，给出了中国近海综合气候区划图；针对大风浪、高温高湿、低温高湿等气象条件，研究提出了趋利避害的对策和措施。这些成果在海上作战训练计划制定、武器装备运用等方面发挥了重要作用。但从目前应用需求分析，仍主要存在几点不足：一是所用气象水文环境资料沉旧；二是对联合作战应用需求关注不够；三是区划指标和区划方法落后，无法解决多指标体系构建和复杂非线性分类问题。因此，本文针对海上联合作战需求，基于多指标的定量融合方法以及非线性聚类工具，通过构建中国近海的水面舰艇航行、舰载机飞行、海上人员训练等风险指标体系，进行中国近海海空联合作战区划研究，为我军预设战场建设、武器装备运用、部队训练等提供必要依据。

1 资料

美国环境预报中心的NCEP-CFSR 再分析数据，选取其水平分辨率为0.5°、时间分辨率为月的气温、海平面气压和相对湿度数据；欧洲中尺度天气预报中心ERA-Interim 产品，选取其水平分辨率为1.0°、时间分辨率为1 d 的距海平面10 m 风速和有效波高数据；综合海洋大气数据集（ICOADS），选取其能见度、云高数据。关注1979-01-2016-12 时间段和中国近海（0°～42°N，105°～132°E）海域。

2 区划指标和方法

“海空联合作战环境风险”由各单兵种作战环境风险共同决定。其中，“水面舰艇航行环境风险”、“舰载机飞行环境风险”、“海上人员训练环境风险”分别指海上灾害性环境要素对舰艇航行、舰载机飞行、人员训练的不利影响程度；根据综合性和主导性相结合的原则，并考虑不同作战平台的环境适应标准，确定影响水面舰艇航行的环境要素为风速、浪高、能见度，影响舰载机飞行的环境要素为风速、云高和能见度，影响海上人员训练的环境要素为高温高湿（湿热指数）和低温（风寒指数）；综合考虑过去情况、极端情形、未来趋势等多重特性的影响，确定某个环境要素的综合风险由其强度、频率、极值、趋势等指标决定，一般强度越大、频率越高、极值越高、气候趋势呈现危害性增大迹象，则风险越大。由此构建“海空联合作战-单兵种作战-环境要素-要素指标”4 级风险评估体系，如图1 所示。

图1 海空联合作战环境风险评估指标体系

2.1 环境要素综合风险指数

采用加法关系对于某种灾害性环境要素（如大风）的综合风险Dj进行融合：

式中，Ei（i=1～4）依次对应强值频率、极值、平均值、趋势，wi（i=1～4）为对应权重。其中，因为能见度（0.05 km，…，50 km）、云高（25 m，…，3 000 m）是离散等级，只统计强值频率（E1），不统计极值（E2）、平均值（E3）和趋势（E4）。

1）首先对环境要素进行合理分级。因为不同等级的环境要素对军事行动和装备的影响程度不同，采用三级划分办法，分为稍不适宜、不适宜和很不适宜3 个等级。各兵种作战所涉及的灾害性环境要素高强阈值分别如下页表1～表3（来自相应气象水文条件标准）。对环境要素的三级强值频率进行归一化处理分别得E1a，j、E1b，j和E1c，j。

表1 影响舰艇航行安全的灾害性环境要素高强阈值

表2 影响舰载机飞行的灾害性环境要素高强阈值

表3 影响海上人员训练的灾害性环境要素高强阈值

2）鉴于武器平台设计中对极值的关注，采用Gumbe 曲线法［3］推算环境要素极值。极值xp表达式：

3）考虑到要素平均值的普遍适用性，计算环境要素的季节平均值，归一化处理得E3，j。

4）考虑时间尺度的科学性和全面性，计算气候趋势系数ε［4］：

5）针对多层结构的环境综合风险体系，采用层次分析法（即AHP）计算各指标权重。

表4 标度及其含义解释（以Cij 为例）

第1，判断并量化各指标的相对重要性。由于灾害性等级越高，其环境要素的危险性越强，所以c、b和a 3 类高强阈值的危险性是递减的。同时，环境要素高值频率、极值相比均值对海上作战更重要，历史均值比未来趋势重要。基于以上两点，利用表4所示（1～9）标度打分法构建（依次取阈值为c、b、a的）高值频率、极值、平均值、趋势这6 项指标间的互反判断矩阵。以水面舰艇航行环境风险为例（下同），其互反判断矩阵为：

其中，Cij表示对上一级来说指标i 相对j 的重要性，Cij×Cji=1，Cii=1（即i=j 时）。

第2，将各行几何平均值确定为各指标权重：

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

6）根据式（1），对某环境要素的各指标加权，得到该环境要素的综合风险指数：

2.2 单兵种作战环境风险指数

单兵种作战环境风险指数由各环境要素风险指数加权平均得到：

其中，由于大风、大浪（尤其是高值）通常是相伴相生的，且影响比低能见度影响明显偏大，三要素的权重向量为w=（0.45，0.45，0.10）（由互反判断矩阵得到）。

2.3 海空联合作战环境风险指数

海空联合作战环境风险指数由各单兵种作战环境风险指数加权平均得到：

其中，水面舰艇航行、舰载机飞行、海上人员训练的环境风险指数权重向量为w=（0.58，0.35，0.07）。

最后，以D联为依据，利用自组织神经网络（SOM）方法［7］，进行海空联合作战环境风险区划。

3 结果与分析

3.1 环境要素分布

大风综合风险指数（图2）是海面风场各项指标的综合反映。其中，高风险区出现在冬季、秋季的南海东北部、吕宋海峡、台湾海峡（图2a、图2d），或冬季的菲律宾东部、越南东南部洋面（图2a），对应的是特殊地形引起的6 级或7 级以上大风区，即穿越台湾海峡的盛行东北风在狭管效应下形成大风区，另外几个大风区则由绕流作用以及长山山脉、吕宋海峡的地形加速作用形成［8］；还出现在夏季、秋季的琉球- 台湾以东洋面（图2b、图2c），对应的是频发热带气旋引起的8 级以上大风区，包括热带气旋生成区和低速移动区［9］；风速极值、平均值、趋势分析略。大风综合风险夏季时最高，秋冬季居中，春季最低。

图2 中国近海（a）冬季、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季大风综合风险指数

大浪综合风险指数（图3）较高区出现在冬季东海南部、南海和菲律宾海中部（图3a），对应5 级或6级以上的海浪高频区；夏季琉球-台湾以东洋面（图3c），对应6 级或7 级以上海浪高频区；以及秋季南海北部和菲律宾海北部（图3d），为5 级～7 级以上海浪高频区的综合效应；而春季大浪综合风险较低（图3b）。需要注意，秋冬季海浪高风险区并没有出现在吕宋海峡、台湾海峡等大风区，也就是说风、浪大值并不完全一致，这主要是因为，经过吕宋海峡向南海方向传播的海浪，改变了原始风场（南海北部秋冬季盛行的东北风）所致的海浪场［10］。夏秋季的大浪则由热带气旋入侵造成。浪高极值、平均值、气候趋势分析略。大浪综合风险夏季时最高，秋冬季居中，春季最低。

图3 同图2，但为大浪综合风险指数

低能见度、低云、湿热指数、风寒指数的综合风险不再展开分析。

3.2 环境风险区划

利用SOM 方法，取聚类数为3，对水面舰艇航行环境风险指数进行聚类，如图4 所示。

图4 中国近海（a）冬季、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季水面舰艇航行环境风险区划（区划数为3）

冬季（图4a）：一区（浅绿色）风、浪威胁较小（0.13、0.11），能见度威胁较大（0.12），水面舰艇航行环境风险整体偏低（0.12）。二区（浅蓝色）位于一、三区之间，风、浪威胁一般（0.28、0.30），能见度威胁居中（0.11），水面舰艇航行环境风险居中（0.27）。三区（深蓝色）风浪威胁较大（0.41、0.56），能见度威胁较小（0.07），水面舰艇航行环境风险偏高（0.44）。冬季高风险主要是由冬季大风、大浪引起的（图2a，图3a）。

春季（图4b）：与冬季的区划结果类似，但高风险区范围在南海和菲律宾海有所缩小，而在东海和黄海有所扩大，这主要由于春季低能见度区出现在渤海、黄海和东海北部沿岸海域（图4b）和春季大风浪区向东海-日本海方向转移（图2b、图3b）。

夏季（图4c）：与冬季、春季的区划结果相比，夏季的高风险区范围有较明显变化，出现在东海南部以及琉球-台湾-菲律宾以东洋面，这主要由于该海域是夏季热带气旋（即8 级以上风、7 级以上海浪）高发区（图2c、图3c）。

秋季（图4d）：与夏季的区划结果相比，秋季的高风险区范围有部分差异，主要表现在高风险区扩展到了吕宋海峡和南海东北部，因为秋季作为夏、冬季风之间的转换期，具有夏季大风浪区（东海南部以及琉球-台湾-菲律宾以东洋面）和冬季大风浪区（南海中北部、吕宋海峡、菲律宾海中北部）的综合特点（图2d、图3d）。

区划数为4 时的结果（图略）可以给出更多细节，但与图4 基本一致，证明区划方法较为稳定、对区划数不敏感性、结果可靠。

舰载机飞行和海上人员训练环境风险区划的结果不再展开分析。海空联合作战环境风险区划结果如图5 所示，各季节高风险区主要由水面舰艇航行环境风险较高区和舰载机飞行环境风险较高区组成。

图5 同图4，但为海空联合作战环境风险区划

4 结论

基于层次分析法建立中国近海海空联合作战环境风险评估的多层指标体系，作战样式层包括水面舰艇航行、舰载机飞行、海上人员训练，环境要素层包括大风、大浪、低云、低能见度、高温高湿、低温，要素指标层包括高值频率、概率极值、平均强度、气候趋势，通过互反判断矩阵对各指标相对重要性进行量化，最后利用SOM 方法进行海空联合作战环境风险综合区划。

根据该方法区划结果可知，对于水面舰艇航行：环境风险偏高的海区夏季主要是热带气旋高发区；冬季主要是盛行大风区；秋季以上两种大风浪区同时存在，但是以热带气旋影响为主；而春季则是较低能见度和较大风浪的综合产物。对于舰载机飞行：环境风险偏高的海区冬季源于盛行大风和低云、低能见度的综合作用；春季主要由低云和低能见度引起；夏季源于热带气旋大风和低云、低能见度的共同影响；秋季则主要是由大风引起。对于海上人员训练：环境风险在冬季主要由风寒指数决定，在夏季由湿热指数决定。对于海空联合作战：环境风险偏高区主要是水面舰艇航行和舰载机飞行的环境风险较高区。其中需要注意的是，南海北部和菲律宾海的大风、大浪风险都很高，但机制成因和发生季节皆有不同：前者主要由强风、大浪等较低级别灾害引起，涉及季风、地形要素；而后者主要由疾风、大风、巨浪、怒涛等较高级别灾害引起，涉及热带气旋。可见，基于环境适应和装备设计标准，对c、b、a 阈值下的高值频率等指标进行量化、排序，有助于区分季节、动力机制等差异对环境风险的影响。

基于以上方法对海空联合作战风险进行区划时，可根据实际对指标构建和区划方法的具体参数进行调整，以适应不同舰艇、舰载机和人员情形。