程胡華 成 巍 沈洪標 趙 亮

1)(中國人民解放軍63729部隊， 太原 030027) 2)(北京應用氣象研究所， 北京 100029) 3)(中國人民解放軍32018部隊， 北京 100094) 4)(中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室， 北京 100029)

引 言

運載火箭發(fā)射前，除需確保運載火箭本身無任何問題外，還需充分考慮高空風對運載火箭安全飛行的影響，若高空風過大，輕則影響火箭發(fā)射精度，重則導致箭體彎曲折斷，造成飛行失敗。為提高運載火箭飛行成功率開展的研究主要分為兩方面:一方面是針對運載火箭的飛行控制、發(fā)動機特性等的研究[1-5]，另一方面是針對大氣環(huán)境產(chǎn)生的氣動載荷特征的研究[6-12]，這些研究取得大量有意義成果，為持續(xù)提高火箭飛行成功率提供有力支撐。

目前，火箭飛行前較少考慮高空風可能出現(xiàn)急劇變化，然而實踐表明：雖然高空風在短時間內(nèi)變化通常較小，但有時也會出現(xiàn)急劇變化，如當強對流天氣系統(tǒng)在火箭發(fā)射場及其周邊發(fā)生發(fā)展時，強烈的垂直運動引起大氣環(huán)境場(風場、溫度場等)快速變化[13-16]，導致高空風在幾小時內(nèi)出現(xiàn)明顯變化。另外，高空急流也會引起高空風急劇變化。高空急流集中在對流層上部或平流層，具有強水平切變和垂直切變，有1個或多個風速極大值(風速超過 30 m·s-1)，高空急流具有南北擺動、下沉或上升等運動特征，對其他天氣系統(tǒng)存在動力作用[17-20]，導致高空風在短時內(nèi)出現(xiàn)急劇變化。

因此，鑒于高空風在短時內(nèi)可能出現(xiàn)明顯時空變化，若以發(fā)射前3 h高空風產(chǎn)生的最大氣動載荷是否超過閾值判斷火箭能否按計劃發(fā)射，存在一定決策風險；但發(fā)射前3 h高空風能否代表發(fā)射時刻的高空風，尚未見到相關(guān)報道。由于缺少火箭發(fā)射時刻的高空風資料，僅有火箭發(fā)射后0.5 h的高空風資料，因此利用2014年12月—2020年12月時間間隔為3.5 h的高空風資料研究火箭發(fā)射前后3.5 h 內(nèi)高空風差異，利用WRF(Weather Research and Forecast)模式和發(fā)射前3 h的高空風資料，建立火箭發(fā)射后0.5 h高空風預報模型，并對發(fā)射后0.5 h 高空風預報效果進行檢驗。

1 資料與方法

1.1 資 料

高空風資料為2014年12月—2020年12月某地區(qū)時間間隔為3.5 h的探空氣球風場資料集，共有325組樣本，其中0～10 km高度和10～20 km高度范圍內(nèi)的間隔分別為0.20 km和0.50 km?？紤]到該地區(qū)海拔高度約為1.5 km，因此高空風資料的海拔高度(簡稱高度，下同)范圍為1.5～21.5 km。

NCEP/GFS資料為美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)全球預報系統(tǒng)(Global Forecast System，GFS)模式預報產(chǎn)品，該資料每日發(fā)布4次(08:00，14:00，20:00和02:00，北京時，下同)，可以預報未來8 d的天氣，水平分辨率為0.5°×0.5°，1°×1°，1.5°×1.5° 等，NCEP/GFS預報產(chǎn)品已廣泛應用于天氣預報、天氣機理等方面研究，并取得一系列成果[21-23]。本文選用水平分辨率為1°×1°的NCEP/GFS預報場作為WRF模式的初始場和側(cè)邊界條件，結(jié)合火箭發(fā)射前3 h 高空風資料，制作未來24 h內(nèi)的短期高空風預報模型。

1.2 方 法

以火箭發(fā)射前3 h高空風為基準，對3.5 h內(nèi)的高空風速偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值及風向絕對偏差進行統(tǒng)計，相應的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中,D為風速偏差(單位：m·s-1),A為風速絕對偏差(單位：m·s-1),R為風速相對誤差絕對值(單位：%),C為風向絕對偏差(單位：(°))，n為樣本量，x為發(fā)射后0.5 h高空風速(單位：m·s-1)，y為發(fā)射前3 h高空風速(單位：m·s-1)，k為發(fā)射后0.5 h高空風向(單位：(°))，l為發(fā)射前3 h高空風向(單位：(°))。占有率為某區(qū)間范圍內(nèi)樣本量占總樣本量的百分比。

WRF模式是目前世界上最先進的中尺度數(shù)值天氣模式之一，能夠客觀描述從云尺度到各種不同天氣尺度的重要天氣特征。目前WRF模式已被廣泛應用于天氣預報業(yè)務、天氣機理等研究，利用該模式可較好地預報強對流、高空急流、地面風等變化特征及演變機理,并取得大量成果[18-19,24-26]?；鸺l(fā)射前3 h、發(fā)射后0.5 h的高空風分別以V1和V2表示，基于發(fā)射前3 h高空風V1和WRF模式建立高空風預報模型得到發(fā)射后0.5 h的高空風預報，以Vf表示。

2 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異

2.1 最大風速偏差

圖1a是火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風速偏差箱線圖，圖中上、下黑色橫線分別代表風速最大值和最小值，黑色方框的上、下邊分別對應上四分位數(shù)(75%)和下四分位數(shù)(25%)，方框內(nèi)黑色線為中分位(50%)。由圖1a可見，最大風速偏差值范圍為-24.00～26.00 m·s-1，中分位數(shù)為-5.00 m·s-1，上四分位數(shù)為8.00 m·s-1，下四分位數(shù)為-8.00 m·s-1。將速度偏差分為(-∞，-20 m·s-1),[-20 m·s-1，-10 m·s-1),[-10 m·s-1，0),[0，10 m·s-1),[10 m·s-1，20 m·s-1)和[20 m·s-1，+∞)6個區(qū)間，其占有率分別為0.92%，14.15%，40.92%(最大)，27.38%，14.46%和2.17%，即位于±10 m·s-1范圍內(nèi)的偏差占有率為68.30%，達到總數(shù)的三分之二。圖1b是最大風速偏差對應高度箱線圖，圖中“+”表示異常值或離群點(下同)。由圖1b可知，高度范圍為1.7～19.0 km，中分位數(shù)為9.3 km，上四分位數(shù)為11.5 km，下四分位數(shù)為6.45 km。將高度劃分為[1.5 km，6.5 km)，[6.5 km，11.5 km)，[11.5 km，16.5 km)和[16.5 km，21.5 km]4個區(qū)間，其占有率分別為25.85%，49.54%(最大)，16.62%和7.99%。圖1表明：在火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風速偏差主要集中在[-10 m·s-1，0)，在±10 m·s-1范圍內(nèi)的占有率達到總數(shù)的三分之二，且主要出現(xiàn)在對流層中高層[6.5 km，11.5 km)高度。

圖1 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風速偏差(a)及其對應高度(b)箱線圖Fig.1 Box plot of the maximum wind speed deviation(a) and corresponding height(b) within 3.5 hours before and after rocket launch

2.2 最大風向絕對偏差

圖2a是火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風向絕對偏差箱線圖。由圖2a可知,風向偏差范圍為10.00°～180°，中分位數(shù)為69.00°，上四分位數(shù)為125.25°，下四分位數(shù)為40.00°。將偏差劃分為[0°，30°)，[30°，60°)，[60°，90°)，[90°，120°)，[120°，150°)和[150°，180°] 6個區(qū)間，其占有率分別為13.54%，28.31%(最大)，20.92%，11.08%，7.69%和18.46%。圖2b是最大風向絕對偏差對應高度分布箱線圖，其值范圍為1.7～19.5 km，中分位數(shù)為3.3 km，上四分位數(shù)為9.1 km，下四分位數(shù)為1.9 km。將高度劃分為[1.5 km，6.5 km)，[6.5 km，11.5 km)，[11.5 km，16.5 km)和[16.5 km，21.5 km] 4個區(qū)間，其占有率分別為68.92%(最大)，8.92%，0.92%和21.24%。圖2表明:火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風向絕對偏差主要集中在[30°，60°)，且主要出現(xiàn)在對流層中低層[1.5 km，6.5 km)高度。

圖2 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)最大風向絕對偏差(a)及其對應高度(b)箱線圖Fig.2 Box plot of the maximum absolute wind direction deviation(a) and corresponding height(b) within 3.5 hours before and after rocket launch

2.3 不同高度的火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異

在 [1.5 km，6.5 km),[6.5 km，11.5 km),[11.5 km，16.5 km)和[16.5 km，21.5 km]高度內(nèi)，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)的平均風速偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值和風向絕對偏差在不同區(qū)間范圍內(nèi)占有率分布如圖3所示。由圖3a可知，風速偏差占有率隨風速偏差增加呈先增大后減小的變化趨勢，各高度的最大占有率均位于[-2 m·s-1，0)，分別為45.23%，30.15%，37.23%和41.54%。由風速絕對偏差(圖3b)可知，各高度的最大占有率分別位于區(qū)間[2 m·s-1，4 m·s-1)，[2 m·s-1，4 m·s-1)，[2 m·s-1，4 m·s-1)和[0，2 m·s-1)，分別為49.85%，46.15%，54.46%和49.85%。由風速相對誤差絕對值(圖3c)可知，各高度的最大占有率分別位于區(qū)間[20%，30%)，[10%，20%)，[0，10%)和[10%，20%)，分別為28.00%,40.62%,67.08%和40.62%。當風速相對誤差絕對值超過20%，各高度的占有率分別為71.38%(最大)，26.15%，6.46%(最小)和35.69%，即在 [1.5 km，6.5 km)高度明顯偏大(71.38%)，在[11.5 km，16.5 km)高度明顯偏小(6.46%)。由風向絕對偏差(圖3d)可知，各高度的最大占有率分別位于區(qū)間[10°，20°)，[0°，10°)，[0°，10°)和[0°，10°)，分別為37.54%，58.46%，88.62%和51.38%。當風向絕對偏差超過20°，各高度占有率分別為41.23%(最大)，12.62%，2.77%(最小)和20.31%，即在[1.5 km，6.5 km) 高度明顯偏大(41.23%)，在[11.5 km，16.5 km)高度明顯偏小(2.77%)。由上述分析可知，風速相對誤差絕對值、風向絕對偏差在[1.5 km，6.5 km)高度內(nèi)均明顯偏大，在[11.5 km，16.5 km)高度內(nèi)明顯偏小。

圖3 不同高度范圍火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差(a)、絕對偏差(b)、相對誤差絕對值(c)和風向絕對偏差(d)占有率Fig.3 Occupancy of wind speed deviation(a),absolute deviation(b),absolute relative error(c) and absolutewind direction deviation(d) at different height within 3.5 hours before and after rocket launch

續(xù)圖3

2.4 火箭發(fā)射前3 h平均風速對3.5 h內(nèi)高空風差異影響

V1是決定火箭能否按計劃發(fā)射的重要高空風，計算V1在整個高度范圍內(nèi)的平均風速得到V1平均值，將其依小到大排序以分析火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值、風向絕對偏差的變化特征具有實際意義,如圖4所示。由圖4可知，隨V1平均值增大，風速偏差振幅呈增大趨勢,線性趨勢呈減小特征，風速絕對偏差呈明顯增大趨勢，風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差均呈減小趨勢，對應線性趨勢方程分別為y=-0.0321x+0.3371,y=0.0628x+1.4320,y=-0.7206x+36.8890和y=-0.5878x+26.9220，即當V1平均值增大10 m·s-1，風速偏差減小0.321 m·s-1，風速絕對偏差增加0.628 m·s-1，風速相對誤差絕對值減小7.206%，風向絕對偏差減小5.878°。因此，高空風強時，風向不易發(fā)生短時變化。

圖4 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差(a)、絕對偏差(b)、相對誤差絕對值(c)和風向絕對偏差(d)隨V1變化特征Fig.4 Variation of wind speed deviation(a),absolute deviation(b),absolute relative error(c) and absolute wind direction deviation(d) with V1 within 3.5 hours before and after rocket launch

2.5 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異隨高度變化

V1平均值從小到大排序，選取每20%樣本量作為1組樣本(共5組)，其中樣本1為前20%的樣本量，依次類推，樣本5為最后的20%樣本量。5組樣本的風速偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值和風向絕對偏差隨高度變化特征見圖5。由圖5可見，樣本1～樣本5的風速偏差(圖5a)范圍分別為-1.33～0.74 m·s-1，-1.27～0.56 m·s-1，-0.82～1.74 m·s-1，-0.91～0.66 m·s-1和-1.95～0.70 m·s-1，平均值分別為-0.09 m·s-1，-0.23 m·s-1，0.07 m·s-1，-0.31 m·s-1和-1.05 m·s-1；樣本1～樣本5的風速絕對偏差(圖5b)均表現(xiàn)為隨高度增加先增大后減小的趨勢，風速絕對偏差范圍分別為1.06～2.78 m·s-1,1.56～3.27 m·s-1,1.62～3.82 m·s-1,2.04～4.87 m·s-1和1.94～5.44 m·s-1，平均值分別為1.98 m·s-1，2.34 m·s-1，2.67 m·s-1，3.09 m·s-1和3.54 m·s-1，即V1平均值越大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差越大；與風速絕對偏差變化特征相反，樣本1～樣本5的風速相對誤差絕對值(圖5c)均表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大的趨勢，即風速相對誤差絕對值在頂層和底層較大，中層較小，風速相對誤差絕對值范圍分別為14.89%～75.82%，7.94%～85.26%，6.21%～68.30%，5.40%～70.88%和5.20%～68.00%，平均值分別為33.16%，24.53%，20.09%，17.53%和14.60%，即V1平均值越大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速相對誤差絕對值越??；與風速相對誤差絕對值類似，樣本1～樣本5的風向絕對偏差也表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大的趨勢(圖5d)，即風向絕對偏差在頂層和底層較大，中層較小，風向絕對偏差范圍分別為9.34°～51.10°，5.14°～32.86°，4.02°～43.61°，3.78°～36.99°和3.25°～31.21°，平均值分別為23.60°，16.83°，13.94°，11.58°和8.31°，即V1平均值越大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風向絕對偏差越小。由上述分析可知，V1平均值越大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差越大，風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差均越小。

圖5 樣本1～樣本5在火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)的風速偏差(a)、絕對偏差(b)、相對誤差絕對值(c)和風向絕對偏差(d)隨高度變化特征Fig.5 Variation of wind speed deviation(a),absolute deviation(b),absolute relative error(c) and absolute wind direction deviation(d) with height for sample 1-sample 5 within 3.5 hours before and after rocket launch

2.6 不同季節(jié)火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異

不同季節(jié)火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值和風向絕對偏差隨高度變化特征如圖6所示。由圖6可見，風速偏差(圖6a)除冬季以負值為主外，在其他季節(jié)均表現(xiàn)為正值、負值交替變化，春季、夏季、秋季、冬季的風速偏差范圍分別為-1.48～0.96 m·s-1，-1.11～1.24 m·s-1，-1.08～0.52 m·s-1和-1.26～0.36 m·s-1，平均值分別為-0.25 m·s-1，-0.04 m·s-1，-0.15 m·s-1和-0.74 m·s-1，即各季節(jié)平均風速偏差均為負值，且冬季明顯偏大、夏季明顯偏小；春季、夏季、秋季、冬季的風速絕對偏差(圖6b)均表現(xiàn)為隨高度增加先增大后減小的趨勢，風速絕對偏差范圍分別為1.75～4.22 m·s-1，1.05～3.58 m·s-1，1.73～3.30 m·s-1和1.68～5.11 m·s-1，平均值分別為3.00 m·s-1，2.33 m·s-1，2.43 m·s-1和3.10 m·s-1，由小到大依次為夏季、秋季、春季、冬季；與風速絕對偏差變化特征相反，春季、夏季、秋季、冬季的風速相對誤差絕對值(圖6c)均表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大趨勢，即風速相對誤差絕對值在頂層和底層較大，中層較小，風速相對誤差絕對值范圍分別為6.89%～57.98%，11.34%～93.39%，6.59%～76.33%和5.61%～62.92%，平均值分別為24.67%，23.81%，21.01%和15.62%，由小到大依次為冬季、秋季、夏季、春季；類似風速相對誤差絕對值的變化特征，春季、夏季、秋季、冬季的風向絕對偏差(圖6d)也表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大趨勢，即風向絕對偏差在頂層和底層較大，中層較小，風向絕對偏差范圍分別為5.20°～37.78°，9.13°～48.38°，4.87°～39.64°和3.26°～34.52°，平均值分別為16.33°，19.33°，15.33°和10.20°，由小到大依次為冬季、秋季、春季、夏季。由上述分析可見，冬季火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差較大，風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差較小，夏季火箭發(fā)射前后3.5 h 內(nèi)風速絕對偏差較小、風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差較大，鑒于冬季高空風較大、夏季高空風較小，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異隨季節(jié)的變化與高空風季節(jié)特征有關(guān)，該結(jié)論與圖5基本吻合。

圖6 不同季節(jié)火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差(a)、絕對偏差(b)、相對誤差絕對值(c)和風向絕對偏差(d)隨高度變化特征Fig.6 Variation of wind speed deviation(a),absolute deviation(b),absolute relative error(c) and absolute wind direction deviation(d) with height within 3.5 hours before and after rocket launch in different seasons

3 建模分析

3.1 個例選取

從2014年12月—2020年12月共325組高空風樣本中選取整個高度范圍內(nèi)火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速偏差為正偏差最大值、正偏差次大值、負偏差最大值、負偏差次大值作為研究個例，分析建模效果。研究個例的V1，V2隨高度變化特征如圖7所示。由圖7a可見，7.5～12.0 km高度內(nèi)V2明顯大于V1，偏差為5.84～26.00 m·s-1，平均值為18.31 m·s-1，其他高度層的偏差則表現(xiàn)為正值、負值交替的變化特征。由圖7b可見，大部分高度層的V1明顯小于V2， 4.1～10.3 km高度內(nèi)的偏差為5.1～14.0 m·s-1，平均值為8.88 m·s-1。由圖7c可見，V2在大部分高度層均小于V1，3.3～12.0 km 高度內(nèi)的偏差為-15.00～-6.00 m·s-1，平值均為-10.29 m·s-1。由圖7d可見，2.5～16.0 km 高度內(nèi)V2均明顯小于V1，其他高度層則相反，7.1～13.0 km高度內(nèi)的偏差為-21.00～-5.99 m·s-1，平均值為-14.94 m·s-1。

圖7 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速最大正偏差(a)、次大正偏差(b)、最大負偏差(c)和次大負偏差(d)的V1和V2變化特征Fig.7 Variation of V1 and V2 corresponding to the largest positive deviation(a),the second largest positive deviation(b),the largest negative deviation(c) and the second largest negative deviation(d) of wind speed within 3.5 hours before and after rocket launch

3.2 建模分析

WRF模式的初始場資料為08:00，設置模式輸出預報產(chǎn)品的時間分辨率為15 min，水平分辨率為9 km，垂直方向1000 hPa至50 hPa分為48層。利用WRF模式可獲取與研究樣本(間隔3.5 h)時間一致的高空風預報場，該3.5 h內(nèi)高空風預報差異以符號ΔVf表示(ΔVf=Vf2-Vf1,Vf1和Vf2分別為WRF模式得到的火箭發(fā)射前3 h和發(fā)射后0.5 h高空風預報)。利用V1和ΔVf，可得到火箭發(fā)射后0.5 h高空風預報Vf，

Vf=V1+ΔVf。

(6)

Vf即為火箭發(fā)射后0.5 h高空風預報。下面以高空風V2為基準，對高空風預報Vf的精度特征進行分析。

在整個高度范圍內(nèi)，3.5 h風速偏差為正偏差最大值、正偏差次大值、負偏差最大值、負偏差次大值所對應的V1，V2和Vf隨高度變化特征見圖8。由圖8可見，與V1相比，Vf更接近V2。在圖8a中，以V2為基準，V1和Vf的平均偏差分別為-6.51 m·s-1和-3.07 m·s-1，平均絕對偏差分別為7.72 m·s-1和5.08 m·s-1，平均相對誤差絕對值分別為24.77%和21.17%，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.96；在圖8b中，V1和Vf的平均偏差分別為-5.93 m·s-1和-1.54 m·s-1，平均絕對偏差分別為6.41 m·s-1和3.18 m·s-1，平均相對誤差絕對值分別為18.88%和10.19%，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.97和0.97；在圖8c中，V1和Vf的平均偏差分別為6.91 m·s-1和1.46 m·s-1，平均絕對偏差分別為7.25 m·s-1和2.95 m·s-1，平均相對誤差絕對值分別為28.59%和12.98%，平均相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.97；在圖8d中，V1和Vf的平均偏差分別為6.40 m·s-1和0.34 m·s-1，平均絕對偏差分別為7.09 m·s-1和1.62 m·s-1，平均相對誤差絕對值分別為48.13%和12.69%，相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.99。以上相關(guān)分析均達到0.01顯著性水平。由上述分析可知，與高空風V1相比，高空風預報Vf更接近高空風V2。

圖8 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速最大正偏差(a)、次大正偏差(b)、最大負偏差(c)和次大負偏差(d)的V1，V2和Vf變化特征Fig.8 Variation of V1, V2 and Vf corresponding to the largest positive deviation(a),the second largest positive deviation(b),the largest negative deviation(c) and the second largest negative deviation(d) of wind speed within 3.5 hours before and after rocket launch

從2014年12月—2020年12月共325組高空風樣本中挑選火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異最大的20%樣本，該樣本在整個高度范圍內(nèi)的平均絕對偏差為3.33～7.72 m·s-1。利用上述模型得到所選樣本的Vf，同樣以V2為基準，分別對V1和Vf的精度進行分析。V1和Vf的精度隨高度變化特征見圖9。對于風速偏差(圖9a)，V1和Vf的偏差分別為-0.55～1.58 m·s-1和-1.54～1.05 m·s-1，平均值分別為0.50 m·s-1和-0.22 m·s-1。與V1的絕對偏差相比，Vf的絕對偏差明顯偏小(圖9b)，V1和Vf的絕對偏差分別為1.92～8.51 m·s-1和1.02～4.52 m·s-1，平均值分別為4.51 m·s-1和3.07 m·s-1。對于相對誤差絕對值(圖9c),V1和Vf的相對誤差絕對值分別為7.79%～70.28%和7.18%～87.24%，平均值分別為25.39%和20.56%。圖9d為V1和Vf的相關(guān)系數(shù)隨高度的變化，分別為0.48～0.91和0.23～0.99，平均值分別為0.75和0.79。即利用模型得到Vf的偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值均偏小，相關(guān)系數(shù)偏大，表明相對于V1，Vf更接近V2。

圖9 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異最大的20%樣本的V1和Vf的偏差(a)、絕對偏差(b)、相對誤差絕對值(c)、相關(guān)系數(shù)(d)隨高度變化特征Fig.9 Variation of deviation(a),absolute deviation(b),absolute relative error(c),correlation coefficient(d) with height for 20% samples of V1 and Vf with the largest difference with 3.5 hours before and after rocket launch

采用類似的方法，依次挑選出3.5 h內(nèi)高空風差異最小的20%樣本，差異次小的20%樣本，…，差異最大的20%樣本(共5組)，分別記為資料1,資料2,…,資料5, 5組資料的V1，Vf與V2間的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果見表1，其中相關(guān)系數(shù)均達到0.01顯著性水平。由表1可見，相對于V1，除資料1、資料2的Vf偏差略大外，其他情況下的Vf偏差、絕對偏差、相對誤差絕對值均偏小，相關(guān)系數(shù)偏大，即Vf更接近V2。對比表1的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果可見，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異越大，Vf絕對偏差、相對誤差絕對值減小更明顯，即改進的效果越好。

表1 資料1～資料5的V1,Vf與V2數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Mathematical statistics between V1, Vf and V2 of data 1 to data 5

4 小 結(jié)

采用2014年12月—2020年12月間隔3.5 h高空風資料集對火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)的高空風差異進行統(tǒng)計分析，并利用WRF模式和V1建立火箭發(fā)射后0.5 h高空風預報模型，得到主要結(jié)論如下：

1) 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風速、風向偶爾會出現(xiàn)非常明顯的差異特征，且該差異特征與高度層有關(guān)。在325組高空風樣本中，高空最大風速偏差范圍為-24.00～26.00 m·s-1，位于±10 m·s-1范圍內(nèi)占有率為68.30%，達到總數(shù)的三分之二，主要出現(xiàn)在對流層中高層的[6.5 km，11.5 km)高度(49.54%)。高空最大風向偏差范圍為10.00°～180°，在[30°，60°)區(qū)間內(nèi)占有率最高(28.31%)，主要出現(xiàn)在對流層中低層的[1.5 km，6.5 km)高度(68.92%)。

2) 火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風速、風向差異特征與高度層有關(guān)。[11.5 km，16.5 km)高度的風速相對誤差絕對值在[0，10%)的占有率和風向絕對偏差在[0°，10°)的占有率均明顯高于其他高度層，對應的[1.5 km，6.5 km)高度則明顯低于其他高度層。

3) 隨著V1平均值增大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差表現(xiàn)為增大趨勢，但相對誤差絕對值和風向絕對偏差均表現(xiàn)為減小特征，且大部分高度層均表現(xiàn)出類似特征，說明高空風強時，風向不易發(fā)生短時變化。

4) 不同季節(jié)火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異特征不同。冬季火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差較大、風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差較小，夏季火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差較小、風速相對誤差絕對值和風向絕對偏差較大，鑒于冬季高空風較大、夏季高空風較小，火箭發(fā)射前后3.5 h 內(nèi)高空風差異隨季節(jié)變化與高空風的季節(jié)特征有關(guān)。

5) 與高空風V1相比，基于WRF模式和高空風V1建立模型得到的發(fā)射后0.5 h高空風預報Vf，在多種不同情況下均更接近高空風V2，且火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異越大，模型訂正的提升效果越明顯。

通過上述分析可知，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風速、風向偶爾出現(xiàn)明顯差異，且隨V1平均值增大，火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)風速絕對偏差呈現(xiàn)增大趨勢，考慮到V1平均值越大，越不利于火箭安全飛行，因此，若V1平均值較大(如超過30 m·s-1)，不建議以V1作為判斷運載火箭能否安全飛行的依據(jù)。利用WRF模式和V1建模得到的Vf，在多種不同情況下均更接近V2，且火箭發(fā)射前后3.5 h內(nèi)高空風差異越大，模型訂正的提升效果越明顯。因此，若以模型得到的Vf為判斷依據(jù)，有利于降低決策風險，提高運載火箭的安全飛行保障能力。