随着我国国力的不断提升和军事实力的不断壮大，掠海飞行器，如直升机、无人机、反舰导弹和巡航导弹等，越来越多地应用到军事、国防、海洋、勘探、防灾等领域，这类掠海飞行器一般需要超低空飞行才能达到应用目的，因此受海况的影响非常大，尤其是巡航导弹和反舰导弹，一般都采用超低空掠海飞行，这样能够尽可能避开敌方的舰载雷达或机载雷达，增强了隐蔽性，提高了突防概率，增加导弹的命中概率。例如，英阿马岛海战中，英国皇家海军谢菲尔德号被阿根廷海军海王星式海洋巡逻机捕捉后，携带飞鱼导弹的阿军军旗式攻击机立即升空，采用超低空掠海飞行，避开了英军的舰载雷达。在距离谢菲尔德号50英里处爬升，雷达开机搜索并立即返回低空，在距其20到30英里处发射了飞鱼导弹。谢菲尔德号舰身中段中弹起火后，在海上持续燃烧了6天之后最终沉没。

这是掠海飞行器采用超低空飞行的最佳案例，在充分发挥了隐蔽突击的优势外，掠海飞行也是一把双刃剑。掠海飞行器飞得越低，就越容易与海浪发生撞击而坠海，这种掠海飞行器撞击海浪的概率就称为击水概率。例如，2004年12月，美国海岸警卫队一架直升机在执行救援任务时，突遇恶劣海况，由于飞机在救援落水人员时飞行高度很低，被海浪击中坠海；2012年3月，台湾一架搜救直升机在救人时，突遇恶劣海况而撞击海面，导致坠毁。这些都是掠海飞行器飞行高度过低导致的事故。如果在飞行前能够对所飞行路线的击水概率进行精确计算，或事先计算出大范围海域不同飞行高度的击水概率，飞行时根据击水概率分布来确定飞行路线和飞行高度，而不是利用经验值或大范围的海浪预报值，就相当于在重重海浪之间，找到一条击水概率满足要求的安全航路，使掠海飞行器能够在海浪的掩护下任意飞行。因此，充分研究中国近海的击水概率问题具有重大意义，能够为掠海飞行器执行掠海飞行任务提供飞行路线和高度参考，大大提高了其生存能力和突防概率。

1、击水概率的研究现状

国内很多学者很早就关注到击水概率对掠海飞行器的重要影响，已经对击水概率进行了一定的研究，并形成了一些成果。雷小龙[1]等人最早对掠海导弹的击水概率问题进行过研究，提出了用均匀设计法、蒙特卡洛法和逐步回归法建立击水概率的预报方法的仿真方法，并结合某型导弹进行了计算，得出了18个点的击水概率，见表1。

李一龙^[2]等人针对掠海飞行高度对反舰导弹隐蔽性和生存能力的影响，根据反舰导弹的突防过程，仿真计算了反舰导弹对舰空导弹和小口径火炮的突防概率以及反舰导弹的生存概率，最后给出了反舰导弹采用不同掠海飞行高度在三种海况下的突防概率。

张金春^[3]等人建立了分析反舰导弹坠海概率所需的数学模型，通过对模型仿真的结果分析检验了其有效性，从而战时能够根据作战海域环境为反舰导弹飞行高度装订提供技术支持，提高反舰导弹的作战效能。同时，关于海浪、反舰导弹飞行和高度控制的数学模型适用于作战仿真用的，能够为反舰导弹海上飞行的相关研究提供帮助。

秦志强^[4]等人建立了分析巡航导弹生存能力所需的数学模型，给出了反映巡航导弹弹生存能力的指标，并描述了采用统计试验法计算巡航导弹击水概率的计算流程框图，战时能够根据作战海域环境为巡航导弹飞行高度装订提供技术支持，提高巡航导弹作战效能。

湛必胜^[5]等人研究了巡航导弹飞行高度控制系统对应的高度控制误差和地形起伏误差，在综合这两种误差的基础上，提供了一种飞行撞地概率的计算方法，并给出了飞行高度与之对应的撞地概率计算实例。

朱璘^[6]等人对掠海飞行反舰导弹攻击过程的主要因素进行了仿真研究，采用类似方法得到的函数多项式拟合模型计算了某种反舰导弹的击水概率，对提高攻击的有效性有一定的参考价值。

潘幸华^[7]等人研究了无人飞行器超低空飞行撞地概率问题，建立了地形干扰的数学模型，将撞地事件出现概率当做经典的“零穿越问题，确定了导弹撞击地面障碍物及正常地形概率的计算方法。

娄联堂^[8]等人在误差随机过程为平稳正态过程的假设下，研究了无人飞行器撞地概率的计算问题，在已知地形数据的情况下，从理论上推导出无人飞行器只受到垂直干扰时的撞地概率的计算公式，并在仅利用地形特征参数的情况下，得到了无人飞行器同时受垂直干扰和水平干扰时的撞地概率计算公式，并简化为一个近似计算公式。李妍^[9]等人在导弹动力学模型中考虑了海浪要素的影响，客观定量分析了海浪对巡航导弹掠海飞行的影响。

就上述前人的研究成果来看，以往的工作对击水概率问题做出了很大贡献，但由于海浪资料在全世界各国都比较匮乏，这种现象在我国更为突出，以往的研究多是基于极为有限的海浪观测资料，在为数极少的站点附近海域，利用经验方法对小范围的击水概率特征展开研究，而这些资料具有空间范围小、时间序列短等不足，严重制约了大范围海域击水概率的研究，成果无法为掠海飞行器的掠海飞行提供路线和高度参考。

2、击水概率仿真研究

前人利用海浪观测资料对中国近海的击水概率特征分析做了很多工作，但由于可比对的海浪观测资料非常有限，前人的研究多是对小范围海域或单个站点的击水概率展开的，不利于展开大范围海域的航线规划。但是随着近年来海浪数值模式的不断发展，海浪模式对全球大范围海域的海浪具有较好的模拟能力，为大范围海域的击水概率研究奠定了数据基础，使中国近海击水概率的系统研究成为了可能。2013年，郑崇伟和潘静^[10]、郑崇伟[11]等将海浪数值模式与击水概率相结合，对大范围海域的击水概率仿真研究和数值预报进行了一定的研究。2014年，郑崇伟等^[12]在此基础上进一步深入，首次实现了击水概率的短期数值预报。紧随其后，该击水概率的数值模拟研究方案得到迅速推广和引用^[13-14]。

将海浪数值模拟与击水概率相结合，利用Cross-Calibrated,Multi-Platform风场（CCMP）驱动目前国际上比较领先的第3代海浪模式WAVEWATCH-II（IWW3），对某个选取的典型天气过程的海浪场进行精确数值模拟，将来自韩国和日本的海浪观测资料与模拟数据进行比对，验证模拟海浪数据的有效性。根据模拟海浪数据对中国近海的击水概率场进行计算，为掠海飞行器的掠海飞行提供路线和高度参考，提高其生存能力和突防概率(图1)。

2.1 数值模拟方法

以CCMP风场来驱动WW3模式，对某个选取的典型天气过程的海浪场进行精确数值模拟。

WW3模式是在WAM的架构下，由美国NOAA/NCEP环境模拟中心海洋模拟小组开发的一个全谱空间的第三代海浪模式，通常用于大洋，对谱型做事先假定，本文中WW3以JONSWAP谱初始化。

控制方程左侧第一项为波作用量随时间的局地变化，第二、三项代表波作用量在地理空间上的传播，第四项是频移项，主要由水深和流速的变化产生，第五项是由水深和流引起的折射，右侧的S是源函数项：

模式所选取计算范围为：0°~30°N，95°E~125°E，空间分辨率取0.2°×0.2°，海浪谱网格为24×25，波向24个，分辨率15°，频率为25个频段，从0.0418Hz至0.4056Hz，各频段关系为。计算时间为10年。模式计算时间步长取为900s，每3小时输出一次结果。为提高运行效率，本文以巨型机为运行平台，采用并行计算。

2.2 风场资料

目前，国际上公认的常用风场有NCEP风场、ERA-40海表10米风场、QuikSCAT/NCEP混合风场和CCMP风场。NCEP风场空间分辨率1°×1°，时间分辨率6小时，空间范围：90°S~90°N，0°E~359°E，时间范围从1999年7月至今。

ERA-40海表10米风场空间分辨率2.5×2.5°，时间分辨率6小时，空间范围：87.5°S~87.5°N，0°E~357.5°E，时间范围从1957年9月至2002年8月。

QuikSCAT/NCEP混合风场空间分辨率0.5°×0.5°，时间分辨率6小时，空间范围：88°S~88°N，0°E~360°E，时间范围从1999年8月至2009年7月。

CCMP风场[10-13]资料来自NASAESE(Earth Science Enterprise)，是结合SSM/I(Special Sensor Microwave Imager)、TRMM TMI(Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager)、AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)、Quik SCAT、ADEOS-II(Advanced Earth Observing Satellite,2ndGeneration)等几种风场资料，利用变分方法得到的，空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率6小时，空间范围：78.375°S~78.375°N，0.125°E~359.875°E，时间范围从1987年7月至今。

从时空分辨率、时间序列、空间范围和数据精度四个方面对上述四种风场进行比较，不难看出，CCMP风场整体优于其余三种风场，CCMP风场已经在国外得到了广泛的认可和运用，但国内使用的仍很少，本文以CCMP风场作为WW3模式的驱动场。

2.3 海浪观测资料

一般情况下，海浪观测资料的获取主要有一下四个渠道：人工观测数据、浮标观测数据、海洋调查船观测数据及卫星资料反演的有效波高（SWH-Significant Wave Height）。

人工观测数据、浮标观测数据和海洋调查船观测数据主要来源于ICOADS资料。ICOADS资料是综合海洋大气数据集的简称，是由许多国家的数据集整合而成的，目前是全球观测时间最长、观测范围最广的海洋资料集，其覆盖范围为80°S~80°N，0°E~360°E，分辨率2°×2°，主要包括浮标数据、船只测量或观测数据、海岸站点数据以及其他海洋台站数据。中国近海的海浪观测站点有120多个，数量上有很大优势，但我国拥有广阔的海洋领土，海浪观测站点的密度非常小，远远不及周边几个国家，例如韩国拥有海浪观测站点9个、日本拥有海浪观测站点6个、台湾拥有海浪观测站点13个，与我国广袤的海洋领土极不匹配，并且我国的海浪观测数据并不对外开放，研究人员无法及时获取数据，给海浪研究带来极大困难，阻碍了我国海浪研究的进展。我国近海浮标不到100个，其密度还不及海浪观测站点密度。

卫星资料反演的SWH已经较为接近观测数据，但时间和空间分辨率比较低，时间序列等方面都有很大缺陷，如T/P高度计在中国海的轨道较少，轨道重复周期较长，反演的数据在时空分辨率方面缺陷较大。

2.4 数据检验

选择可靠的海浪观测资料，与模拟海浪数值进行比对，验证模拟数据的有效性，如果出现比较大的偏差，就需要对海浪模式进行调试，直到海浪观测资料与模拟海浪数据基本一致，才能确定海浪模式可靠。

同时，为了准确分析模拟SWH的精度，还需对计算偏差（Bias）、均方根误差（RMSE）、相关系数（CC）和平均绝对误差（MAE）进行计算。

2.5 击水概率计算分析

其中，h为掠海飞行器的飞行高度；为与击水概率有关的高度标准差，为飞行高度探测的标准差，主要包括控制误差、雷达高程表探测误差和数字高程图误差；为海浪浪高的标准差。利用模拟海浪数据，结合式（1）和式（2），计算得到掠海飞行器在中国近海不同飞行高度（3米、5米、7米、9米、11米等）下逐小时的击水概率，形成立体击水概率场，为掠海飞行的路线和高度确定提供科学依据和参考。

3、展望

中国近海的击水概率严重影响到掠海飞行器掠海飞行安全和飞行目的的顺利实现，研究和计算击水概率并形成大范围、长时间序列的击水概率场十分必要，但目前的研究还存在一定的困难，可以从以下几个方面着手解决：一是海浪模式需要针对不同海区特点，在海浪观测资料与模拟海浪数值比对的基础上，进行反复调试，直到两者基本相符才能确定海浪模式的可靠。但是由于海浪观测资料的稀缺，导致海浪模式的调试比较困难，因此要增加海浪观测资料的获取手段，例如增加海浪观测站点等；二是击水概率的应用研究目前仍处于理论研究阶段，还没有经过实际检验，需要从小型掠海飞行器入手进行实际检验，验证这种计算方法的可行性和可靠性，再进行巡航导弹等大型武器检验。

解决了以上两个问题，这种击水概率的计算方法就可以展开实际应用，为军民提供服务。比如，提前将中国近海的击水概率进行计算并形成可视化软件，再掠海飞行器飞行前，将飞行海域和飞行时间输入进软件，软件自动给出飞行路线和飞行高度参考，再结合飞行任务等因素来最终确定飞行路线和飞行高度；对于反舰导弹或巡航导弹等掠海飞行器，可以向英阿马岛海战中的阿根廷飞鱼导弹一样，充分利用恶劣气象条件，甚至可以认为选择一个恶劣的天气过程，在使用武器前，对导弹的掠海飞行海区击水概率进行计算，找到一条飞行路线，既能满足导弹对击水概率的要求，又能尽可能贴近海面，使其处于海浪的掩护之中，无法被敌方雷达探测到，大大增加了武器的隐蔽性和突防概率。

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