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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.解放軍91937 部隊(duì)，浙江 舟山 316021）

0 引言

開(kāi)展中國(guó)近海海上作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(rèn)知、科學(xué)運(yùn)用海上氣象水文環(huán)境的有效技術(shù)手段。20 世紀(jì)90 年代初以來(lái)的相關(guān)區(qū)劃研究［1-2］，分析了風(fēng)、波浪、能見(jiàn)度、海面溫度等水文氣象要素對(duì)海上作戰(zhàn)人員、裝備及訓(xùn)練的影響，以及主要?dú)庀笏囊氐臍夂蜃兓攸c(diǎn)；分析了適用于海上的綜合水文氣象條件，給出了中國(guó)近海綜合氣候區(qū)劃圖；針對(duì)大風(fēng)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(duì)策和措施。這些成果在海上作戰(zhàn)訓(xùn)練計(jì)劃制定、武器裝備運(yùn)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(diǎn)不足：一是所用氣象水文環(huán)境資料沉舊；二是對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用需求關(guān)注不夠；三是區(qū)劃指標(biāo)和區(qū)劃方法落后，無(wú)法解決多指標(biāo)體系構(gòu)建和復(fù)雜非線性分類(lèi)問(wèn)題。因此，本文針對(duì)海上聯(lián)合作戰(zhàn)需求，基于多指標(biāo)的定量融合方法以及非線性聚類(lèi)工具，通過(guò)構(gòu)建中國(guó)近海的水面艦艇航行、艦載機(jī)飛行、海上人員訓(xùn)練等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，進(jìn)行中國(guó)近海?？章?lián)合作戰(zhàn)區(qū)劃研究，為我軍預(yù)設(shè)戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)、武器裝備運(yùn)用、部隊(duì)訓(xùn)練等提供必要依據(jù)。

1 資料

美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP-CFSR 再分析數(shù)據(jù)，選取其水平分辨率為0.5°、時(shí)間分辨率為月的氣溫、海平面氣壓和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)；歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心ERA-Interim 產(chǎn)品，選取其水平分辨率為1.0°、時(shí)間分辨率為1 d 的距海平面10 m 風(fēng)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(jiàn)度、云高數(shù)據(jù)。關(guān)注1979-01-2016-12 時(shí)間段和中國(guó)近海（0°～42°N，105°～132°E）海域。

2 區(qū)劃指標(biāo)和方法

“?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”由各單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)共同決定。其中，“水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”、“艦載機(jī)飛行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”、“海上人員訓(xùn)練環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”分別指海上災(zāi)害性環(huán)境要素對(duì)艦艇航行、艦載機(jī)飛行、人員訓(xùn)練的不利影響程度；根據(jù)綜合性和主導(dǎo)性相結(jié)合的原則，并考慮不同作戰(zhàn)平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，確定影響水面艦艇航行的環(huán)境要素為風(fēng)速、浪高、能見(jiàn)度，影響艦載機(jī)飛行的環(huán)境要素為風(fēng)速、云高和能見(jiàn)度，影響海上人員訓(xùn)練的環(huán)境要素為高溫高濕（濕熱指數(shù)）和低溫（風(fēng)寒指數(shù)）；綜合考慮過(guò)去情況、極端情形、未來(lái)趨勢(shì)等多重特性的影響，確定某個(gè)環(huán)境要素的綜合風(fēng)險(xiǎn)由其強(qiáng)度、頻率、極值、趨勢(shì)等指標(biāo)決定，一般強(qiáng)度越大、頻率越高、極值越高、氣候趨勢(shì)呈現(xiàn)危害性增大跡象，則風(fēng)險(xiǎn)越大。由此構(gòu)建“?？章?lián)合作戰(zhàn)-單兵種作戰(zhàn)-環(huán)境要素-要素指標(biāo)”4 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，如圖1 所示。

圖1 ?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 環(huán)境要素綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

采用加法關(guān)系對(duì)于某種災(zāi)害性環(huán)境要素（如大風(fēng)）的綜合風(fēng)險(xiǎn)Dj進(jìn)行融合：

式中，Ei（i=1～4）依次對(duì)應(yīng)強(qiáng)值頻率、極值、平均值、趨勢(shì)，wi（i=1～4）為對(duì)應(yīng)權(quán)重。其中，因?yàn)槟芤?jiàn)度（0.05 km，…，50 km）、云高（25 m，…，3 000 m）是離散等級(jí)，只統(tǒng)計(jì)強(qiáng)值頻率（E1），不統(tǒng)計(jì)極值（E2）、平均值（E3）和趨勢(shì)（E4）。

1）首先對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行合理分級(jí)。因?yàn)椴煌燃?jí)的環(huán)境要素對(duì)軍事行動(dòng)和裝備的影響程度不同，采用三級(jí)劃分辦法，分為稍不適宜、不適宜和很不適宜3 個(gè)等級(jí)。各兵種作戰(zhàn)所涉及的災(zāi)害性環(huán)境要素高強(qiáng)閾值分別如下頁(yè)表1～表3（來(lái)自相應(yīng)氣象水文條件標(biāo)準(zhǔn)）。對(duì)環(huán)境要素的三級(jí)強(qiáng)值頻率進(jìn)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(qiáng)閾值

表2 影響艦載機(jī)飛行的災(zāi)害性環(huán)境要素高強(qiáng)閾值

表3 影響海上人員訓(xùn)練的災(zāi)害性環(huán)境要素高強(qiáng)閾值

2）鑒于武器平臺(tái)設(shè)計(jì)中對(duì)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(dá)式：

3）考慮到要素平均值的普遍適用性，計(jì)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(shí)間尺度的科學(xué)性和全面性，計(jì)算氣候趨勢(shì)系數(shù)ε［4］：

5）針對(duì)多層結(jié)構(gòu)的環(huán)境綜合風(fēng)險(xiǎn)體系，采用層次分析法（即AHP）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

表4 標(biāo)度及其含義解釋（以Cij 為例）

第1，判斷并量化各指標(biāo)的相對(duì)重要性。由于災(zāi)害性等級(jí)越高，其環(huán)境要素的危險(xiǎn)性越強(qiáng)，所以c、b和a 3 類(lèi)高強(qiáng)閾值的危險(xiǎn)性是遞減的。同時(shí)，環(huán)境要素高值頻率、極值相比均值對(duì)海上作戰(zhàn)更重要，歷史均值比未來(lái)趨勢(shì)重要?；谝陨蟽牲c(diǎn)，利用表4所示（1～9）標(biāo)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(shì)這6 項(xiàng)指標(biāo)間的互反判斷矩陣。以水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為例（下同），其互反判斷矩陣為：

其中，Cij表示對(duì)上一級(jí)來(lái)說(shuō)指標(biāo)i 相對(duì)j 的重要性，Cij×Cji=1，Cii=1（即i=j 時(shí)）。

第2，將各行幾何平均值確定為各指標(biāo)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(duì)某環(huán)境要素的各指標(biāo)加權(quán)，得到該環(huán)境要素的綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)：

2.2 單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

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

其中，由于大風(fēng)、大浪（尤其是高值）通常是相伴相生的，且影響比低能見(jiàn)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 ?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由各單兵種作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)加權(quán)平均得到：

其中，水面艦艇航行、艦載機(jī)飛行、海上人員訓(xùn)練的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境要素分布

大風(fēng)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（圖2）是海面風(fēng)場(chǎng)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合反映。其中，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在冬季、秋季的南海東北部、呂宋海峽、臺(tái)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(duì)應(yīng)的是特殊地形引起的6 級(jí)或7 級(jí)以上大風(fēng)區(qū)，即穿越臺(tái)灣海峽的盛行東北風(fēng)在狹管效應(yīng)下形成大風(fēng)區(qū)，另外幾個(gè)大風(fēng)區(qū)則由繞流作用以及長(zhǎng)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(tái)灣以東洋面（圖2b、圖2c），對(duì)應(yīng)的是頻發(fā)熱帶氣旋引起的8 級(jí)以上大風(fēng)區(qū)，包括熱帶氣旋生成區(qū)和低速移動(dòng)區(qū)［9］；風(fēng)速極值、平均值、趨勢(shì)分析略。大風(fēng)綜合風(fēng)險(xiǎn)夏季時(shí)最高，秋冬季居中，春季最低。

圖2 中國(guó)近海（a）冬季、（b）春季、（c）夏季、（d）秋季大風(fēng)綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

大浪綜合風(fēng)險(xiǎn)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(duì)應(yīng)5 級(jí)或6級(jí)以上的海浪高頻區(qū)；夏季琉球-臺(tái)灣以東洋面（圖3c），對(duì)應(yīng)6 級(jí)或7 級(jí)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(jí)～7 級(jí)以上海浪高頻區(qū)的綜合效應(yīng)；而春季大浪綜合風(fēng)險(xiǎn)較低（圖3b）。需要注意，秋冬季海浪高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)并沒(méi)有出現(xiàn)在呂宋海峽、臺(tái)灣海峽等大風(fēng)區(qū)，也就是說(shuō)風(fēng)、浪大值并不完全一致，這主要是因?yàn)?，?jīng)過(guò)呂宋海峽向南海方向傳播的海浪，改變了原始風(fēng)場(chǎng)（南海北部秋冬季盛行的東北風(fēng)）所致的海浪場(chǎng)［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(shì)分析略。大浪綜合風(fēng)險(xiǎn)夏季時(shí)最高，秋冬季居中，春季最低。

圖3 同圖2，但為大浪綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

低能見(jiàn)度、低云、濕熱指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)的綜合風(fēng)險(xiǎn)不再展開(kāi)分析。

3.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

利用SOM 方法，取聚類(lèi)數(shù)為3，對(duì)水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)，如圖4 所示。

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

冬季（圖4a）：一區(qū)（淺綠色）風(fēng)、浪威脅較?。?.13、0.11），能見(jiàn)度威脅較大（0.12），水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)整體偏低（0.12）。二區(qū)（淺藍(lán)色）位于一、三區(qū)之間，風(fēng)、浪威脅一般（0.28、0.30），能見(jiàn)度威脅居中（0.11），水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)居中（0.27）。三區(qū)（深藍(lán)色）風(fēng)浪威脅較大（0.41、0.56），能見(jiàn)度威脅較小（0.07），水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)偏高（0.44）。冬季高風(fēng)險(xiǎn)主要是由冬季大風(fēng)、大浪引起的（圖2a，圖3a）。

春季（圖4b）：與冬季的區(qū)劃結(jié)果類(lèi)似，但高風(fēng)險(xiǎn)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(kuò)大，這主要由于春季低能見(jiàn)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(fēng)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍有較明顯變化，出現(xiàn)在東海南部以及琉球-臺(tái)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(jí)以上風(fēng)、7 級(jí)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍有部分差異，主要表現(xiàn)在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)擴(kuò)展到了呂宋海峽和南海東北部，因?yàn)榍锛咀鳛橄?、冬季風(fēng)之間的轉(zhuǎn)換期，具有夏季大風(fēng)浪區(qū)（東海南部以及琉球-臺(tái)灣-菲律賓以東洋面）和冬季大風(fēng)浪區(qū)（南海中北部、呂宋海峽、菲律賓海中北部）的綜合特點(diǎn)（圖2d、圖3d）。

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

艦載機(jī)飛行和海上人員訓(xùn)練環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的結(jié)果不再展開(kāi)分析。?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果如圖5 所示，各季節(jié)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要由水面艦艇航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)和艦載機(jī)飛行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)組成。

圖5 同圖4，但為?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

4 結(jié)論

基于層次分析法建立中國(guó)近海海空聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的多層指標(biāo)體系，作戰(zhàn)樣式層包括水面艦艇航行、艦載機(jī)飛行、海上人員訓(xùn)練，環(huán)境要素層包括大風(fēng)、大浪、低云、低能見(jiàn)度、高溫高濕、低溫，要素指標(biāo)層包括高值頻率、概率極值、平均強(qiáng)度、氣候趨勢(shì)，通過(guò)互反判斷矩陣對(duì)各指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行量化，最后利用SOM 方法進(jìn)行?？章?lián)合作戰(zhàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃。

根據(jù)該方法區(qū)劃結(jié)果可知，對(duì)于水面艦艇航行：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)區(qū)；秋季以上兩種大風(fēng)浪區(qū)同時(shí)存在，但是以熱帶氣旋影響為主；而春季則是較低能見(jiàn)度和較大風(fēng)浪的綜合產(chǎn)物。對(duì)于艦載機(jī)飛行：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)偏高的海區(qū)冬季源于盛行大風(fēng)和低云、低能見(jiàn)度的綜合作用；春季主要由低云和低能見(jiàn)度引起；夏季源于熱帶氣旋大風(fēng)和低云、低能見(jiàn)度的共同影響；秋季則主要是由大風(fēng)引起。對(duì)于海上人員訓(xùn)練：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)在冬季主要由風(fēng)寒指數(shù)決定，在夏季由濕熱指數(shù)決定。對(duì)于?？章?lián)合作戰(zhàn)：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)偏高區(qū)主要是水面艦艇航行和艦載機(jī)飛行的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)。其中需要注意的是，南海北部和菲律賓海的大風(fēng)、大浪風(fēng)險(xiǎn)都很高，但機(jī)制成因和發(fā)生季節(jié)皆有不同：前者主要由強(qiáng)風(fēng)、大浪等較低級(jí)別災(zāi)害引起，涉及季風(fēng)、地形要素；而后者主要由疾風(fēng)、大風(fēng)、巨浪、怒濤等較高級(jí)別災(zāi)害引起，涉及熱帶氣旋?？梢?jiàn)，基于環(huán)境適應(yīng)和裝備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)c、b、a 閾值下的高值頻率等指標(biāo)進(jìn)行量化、排序，有助于區(qū)分季節(jié)、動(dòng)力機(jī)制等差異對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響。

基于以上方法對(duì)?？章?lián)合作戰(zhàn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行區(qū)劃時(shí)，可根據(jù)實(shí)際對(duì)指標(biāo)構(gòu)建和區(qū)劃方法的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同艦艇、艦載機(jī)和人員情形。