西南太平洋天氣特征與航天測(cè)量船應(yīng)急機(jī)動(dòng)策略

趙學(xué)洋，周云山，王金林，儲(chǔ)凌劍

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部,江蘇江陰214431)

1 引言

西南太平洋海域氣象條件復(fù)雜多變，天氣系統(tǒng)演變較快，海況較為惡劣。航天測(cè)量船需經(jīng)常在此執(zhí)行測(cè)量任務(wù)，眾多測(cè)控設(shè)備集中在空間有限、動(dòng)態(tài)不定的船上，要使各設(shè)備構(gòu)成一個(gè)整體滿足測(cè)量工況要求，一定范圍內(nèi)對(duì)船舶航向、航速、橫搖等都作了限制。而該海區(qū)幾乎沒有常規(guī)的氣象觀測(cè)站[1]，氣象資料稀缺，國內(nèi)氣象機(jī)構(gòu)又極少關(guān)注，航天測(cè)量船不可避免的會(huì)受到天氣系統(tǒng)及其產(chǎn)生的惡劣海況的影響，在此海況下如何在保證船舶安全的前提下盡可能地提供測(cè)控支持成為亟待解決的新課題。

2 南太平洋海域主要天氣系統(tǒng)

影響西南太平洋海域的天氣系統(tǒng)主要有以下三個(gè)：南太平洋熱帶氣旋、源于澳洲大陸東部的溫帶氣旋和高緯冷空氣，有明顯的季節(jié)變化，但季節(jié)變化不如北太平洋顯著[2-4]。本文分12—3月為夏季，4—5月為秋季，6—9月為冬季，10—1月為春季來分析各天氣系統(tǒng)。全年風(fēng)浪的概況是冬季最強(qiáng)，夏季最弱，風(fēng)浪周期在夏季最短，冬季最長，長周期主要發(fā)生在西風(fēng)帶中。大浪頻率高緯大于低緯，在赤道附近大浪頻率幾乎為零。浪向基本是以33°S，90°W 為中心逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，盛行風(fēng)浪的傳播方向與盛行風(fēng)的方向基本一致。

2.1 熱帶氣旋

南太平洋上熱帶氣旋的年平均發(fā)生數(shù)為8.8個(gè)，占全球臺(tái)風(fēng)總數(shù)的11%。熱帶氣旋活動(dòng)主要出現(xiàn)在12—4月，并且主要集中在15°—25°S、110°E—170°W 的洋面上。熱帶氣旋的生命史較西北太平洋上的相對(duì)短一些，一般為2—5 天，最長的也僅9 天，各月的分布峰值主要出現(xiàn)在1—3月，次峰值出現(xiàn)在4月。它們的強(qiáng)度也較西北太平洋上的熱帶氣旋弱一些，中心最大風(fēng)速一般為20—30 m/s，極少數(shù)達(dá)到12級(jí)；中心最低氣壓一般為1000—980 hPa，極少數(shù)小于980 hPa[5]。

根據(jù)中國衛(wèi)星海上測(cè)控部所發(fā)行的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)資料，熱帶氣旋的移動(dòng)路徑在生成初期為偏西和西南方向，在移動(dòng)發(fā)展過程中會(huì)轉(zhuǎn)向南和南偏東（見圖1）。其移速，偏西移時(shí)為6—8節(jié)，向西南方向轉(zhuǎn)向時(shí)一般為5—7節(jié)[6]。

2.2 溫帶氣旋

圖1 2000—2005年南太平洋熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)

西南太平洋上溫帶氣旋活動(dòng)較為頻繁，年平均數(shù)為15個(gè)，時(shí)段主要在5—9月，集中在30°S附近及其以南洋面，楊祖芳等[7]的研究也表明，澳大利亞東部是溫帶氣旋的主要源地，塔斯曼海是溫帶氣旋的主要形成海域[8]。溫帶氣旋常伴有一至兩條強(qiáng)冷鋒面，鋒面云系寬廣，影響范圍廣大，影響周期為4—5天。

氣旋的移動(dòng)受南太平洋冷高壓和新西蘭島地形影響顯著，根據(jù)中國衛(wèi)星海上測(cè)控部所發(fā)行的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)資料，其移動(dòng)路徑基本上自西向東移動(dòng)，并且大多數(shù)為向北凸起的弧形路徑。受冷高壓和新西蘭島地形影響,在新西蘭島以西洋面移到50°S以南，當(dāng)溫帶氣旋跨過新西蘭島以后，迅速發(fā)展并東移（見圖2，圖中圈內(nèi)數(shù)字為溫帶氣旋序號(hào)）[9]。

圖2 2000—2005年各年9月南太平洋溫帶氣旋路徑綜合圖

移動(dòng)方向大多為東偏南，強(qiáng)度與黃海氣旋相當(dāng)。他們伴隨著大風(fēng)、強(qiáng)降水及低能見度等惡劣天氣，對(duì)艦船航行造成較為嚴(yán)重的威脅。

船舶在距溫帶氣旋中心12 個(gè)經(jīng)緯距以外的海域航行時(shí)一般所受的影響不大，但如果附近海域還有鋒等相關(guān)天氣系統(tǒng)配合時(shí)，則影響范圍要大得多；另一方面，溫帶氣旋形成的時(shí)間短，引起海況變化十分突然，因此船舶航行時(shí)要提高警惕[10]，不能因?yàn)楦浇臍庑虻蜌鈮合到y(tǒng)強(qiáng)度不大，船舶實(shí)測(cè)海況良好，就認(rèn)為對(duì)船舶影響不大[11]。

2.3 南極冷空氣

南半球的大范圍的冷空氣源地主要是靠近南極大陸的冰洋面，活動(dòng)的平均周期是5—7 天左右。夏季頻率小，大約一個(gè)月有4—5 次冷空氣過程，而且冷空氣位置偏南。冬季冷空氣活動(dòng)最頻繁，一個(gè)月大約有6—8 次冷空氣活動(dòng)過程，而且強(qiáng)度強(qiáng)，位置偏北，春秋季冷空氣活動(dòng)介于冬夏季之間[12]。

冷空氣在剛生成后的發(fā)展加強(qiáng)階段向東北方向移動(dòng)，在消亡階段，當(dāng)冷空氣移到30°—40°S 以后，基本沿緯圈向東移動(dòng)。根據(jù)中國衛(wèi)星海上測(cè)控部所發(fā)行的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)資料，從全年平均來看，在東移的過程中有80%的冷中心都是沿45°—55°S這個(gè)緯度圈移動(dòng)。在新西蘭東部的太平洋海域是冷空氣的一個(gè)減弱消失區(qū)，大部分的冷氣團(tuán)移到此處后都開始變性消失。如圖3 所示，圖中燕尾箭頭表示冷空氣的移動(dòng)路徑禿尾箭頭表示冷空氣從原地生成移出的路徑，細(xì)箭頭表示北移的冷空氣路徑，陰影部分為強(qiáng)消散區(qū)。

3 航天測(cè)量船航次天氣情況統(tǒng)計(jì)

從1999—2008年，某航天測(cè)量船在西南太平洋執(zhí)行了多次任務(wù)，對(duì)歷次任務(wù)所遭遇的天氣系統(tǒng)及采取的規(guī)避措施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：每航次在該海域必然會(huì)遭遇1—3次天氣系統(tǒng)的影響，在受天氣系統(tǒng)影響時(shí)，都未能按計(jì)劃進(jìn)入測(cè)量海域，需要調(diào)整航線機(jī)動(dòng)（見表1）。

圖3 西南太平洋冷空氣活動(dòng)示意圖

（1）冬春季影響該海域的天氣系統(tǒng)主要是冷空氣和溫帶氣旋，兩者都會(huì)對(duì)船舶安全及測(cè)控要求產(chǎn)生很大影響，都是影響航天測(cè)量船的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)。其中冷空氣的影響在時(shí)間上和空間上較溫帶氣旋更廣，而溫帶氣旋的災(zāi)害性更大。奧克蘭以東海域一般會(huì)受溫帶氣旋的影響，同時(shí)會(huì)受冷空氣影響[13]；

（2）冷空氣在發(fā)展時(shí)一般向東北移動(dòng)，而在任務(wù)海域附近一般會(huì)沿緯圈向東移動(dòng)，強(qiáng)度也會(huì)逐漸減弱。但在冷空氣向北擴(kuò)散中也會(huì)隨著長短波槽侵入到30°S附近，其形成的冷平流對(duì)任務(wù)海域造成較大影響，而由梯度力和地面系統(tǒng)的沖擊所造成的大風(fēng)大浪影響的范圍較大，時(shí)間較長，對(duì)執(zhí)行任務(wù)和船舶安全的影響不容忽視；

（3）溫帶氣旋在30°S附近的移向一般為東南，和冷空氣相比其影響范圍較小，但它形成時(shí)間短，引起得海況變化十分突然，因此船舶航行時(shí)要提高警惕，不能因?yàn)楦浇臍庑虻蜌鈮合到y(tǒng)強(qiáng)度不大，船舶實(shí)測(cè)海況良好，就認(rèn)為對(duì)船舶影響不大，尤其當(dāng)溫帶氣旋中心離船舶較近時(shí)，其形成的大風(fēng)大浪對(duì)船舶安全有很大影響。

表1 航天測(cè)量船歷次任務(wù)海區(qū)情況統(tǒng)計(jì)表

4 應(yīng)急機(jī)動(dòng)策略

影響海域的天氣系統(tǒng),無論熱帶氣旋、溫帶氣旋還是冷空氣，對(duì)船舶安全和測(cè)量任務(wù)的影響都可能是災(zāi)難性的，航海人員應(yīng)盡可能多地收集到各種氣象資料，綜合利用各種氣象資源，準(zhǔn)確分析每一份氣象信息，總結(jié)7次任務(wù)航海氣象保障的成功案例，探討各種天氣系統(tǒng)時(shí)的船舶機(jī)動(dòng)方案。

4.1 船舶機(jī)動(dòng)原則

不論熱帶氣旋還是溫帶氣旋，在移動(dòng)到測(cè)量海域附近時(shí)都是由西北向東南或偏東方向移動(dòng)，而大風(fēng)區(qū)位于其移動(dòng)方向的左側(cè)。此時(shí)要針對(duì)航天測(cè)量船相對(duì)于氣旋的位置采取不同的方案，機(jī)動(dòng)時(shí)一般堅(jiān)持三項(xiàng)原則，一是目標(biāo)海域相對(duì)遠(yuǎn)離氣旋大風(fēng)浪區(qū)；二是船舶機(jī)動(dòng)不穿越氣旋移動(dòng)路徑[14]，三是最大可能保證測(cè)量任務(wù)。

4.2 機(jī)動(dòng)方案

4.2.1 單氣旋作用

當(dāng)測(cè)量海區(qū)位于氣旋移動(dòng)路徑的左側(cè)時(shí)。根據(jù)船舶機(jī)動(dòng)三原則，由路徑1、3 組成的扇形區(qū)域?yàn)楹教鞙y(cè)量船機(jī)動(dòng)區(qū)域，可在此扇形區(qū)域內(nèi)選擇備用測(cè)量海區(qū)。路徑2 與氣旋的移動(dòng)路徑垂直，可以使船舶在最短的時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離氣旋，路徑1 離氣旋大風(fēng)區(qū)較近，海況最差。以到達(dá)船舶機(jī)動(dòng)的最優(yōu)化（見圖4）。在執(zhí)行航天測(cè)控任務(wù)3遭遇熱帶氣旋、執(zhí)行航天測(cè)控任務(wù)5遭遇溫帶氣旋時(shí)即選擇路徑2成功進(jìn)行了機(jī)動(dòng)。

當(dāng)測(cè)量海區(qū)位于氣旋移動(dòng)路徑的右側(cè)時(shí)。同樣根據(jù)機(jī)動(dòng)三原則，機(jī)動(dòng)路徑在4、6 組成的扇形區(qū)域，路徑5由于與氣旋的移動(dòng)路徑垂直，可以在最短的時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離氣旋，路徑6與氣旋移動(dòng)方向一致，惡劣海況持續(xù)時(shí)間最長，航天測(cè)量船要充分考慮到備用測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量航向后才能確定最佳機(jī)動(dòng)方案[15]。

圖4 單氣旋作用下的船舶機(jī)動(dòng)方案

圖5 冷空氣作用下的船舶機(jī)動(dòng)方案

圖6 冷空氣與氣旋共同作用下的船舶機(jī)動(dòng)方案

4.2.2 冷空氣作用

當(dāng)單一冷空氣在測(cè)量點(diǎn)南部由西向東移動(dòng)時(shí)，與冷空氣移動(dòng)路徑垂直的機(jī)動(dòng)路徑2由于能最快遠(yuǎn)離其影響范圍，是為最優(yōu)選擇，而路徑1和路徑3由于仍與冷空氣距離較近，是為次要選擇（見圖5）。

4.2.3 冷空氣與氣旋共同作用

當(dāng)測(cè)量海區(qū)遭受氣旋和冷空氣上下夾擊時(shí)，機(jī)動(dòng)余地非常小，所以應(yīng)優(yōu)先考慮船舶安全，再考慮測(cè)量支持，及時(shí)果斷采取措施，使船舶盡快駛離危險(xiǎn)海域。當(dāng)然，如遇氣旋和冷空氣的勢(shì)力并不強(qiáng)時(shí)，也可兼顧測(cè)量任務(wù)，此時(shí)的最優(yōu)機(jī)動(dòng)路徑為正西方向。在執(zhí)行航天任務(wù)7 時(shí)航天測(cè)量船即遭遇到溫帶氣旋和冷空氣的共同作用，航天測(cè)量船選擇路徑4實(shí)施機(jī)動(dòng)[16]（見圖6）。

當(dāng)測(cè)量海區(qū)位于氣旋和冷空氣的北側(cè)時(shí)。此時(shí)的機(jī)動(dòng)余地比前者大，可以選擇正北，東北和偏東等方向機(jī)動(dòng)。航天測(cè)控任務(wù)6遭遇溫帶氣旋和冷空氣的共同影響時(shí)即按照此方案實(shí)施機(jī)動(dòng)。

4.3 最優(yōu)策略選擇

（1）典型天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)。發(fā)現(xiàn)海區(qū)產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)，除充分利用海區(qū)現(xiàn)有的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品并接受氣象報(bào)告外，還應(yīng)密切注意現(xiàn)場(chǎng)氣象要素的變化，使航天測(cè)量船始終保持在安全距離。一般認(rèn)為安全距離大于系統(tǒng)的平均直徑的一半，具體取值多少還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)情況和船舶的性能而定；

（2）應(yīng)急測(cè)量海區(qū)的選擇。在遵守船舶機(jī)動(dòng)三原則時(shí)應(yīng)急測(cè)量海區(qū)是為重要因素。在系統(tǒng)強(qiáng)度不大時(shí)，船舶機(jī)動(dòng)應(yīng)盡可能考慮到滿足測(cè)量任務(wù)的需要，由于測(cè)控航速、航向選擇有限性，因此在選擇機(jī)動(dòng)方案時(shí)應(yīng)早做準(zhǔn)備，可將機(jī)動(dòng)距離一并計(jì)入，采用邊規(guī)避天氣系統(tǒng)邊執(zhí)行任務(wù)的模式；

（3）航天測(cè)量船最優(yōu)機(jī)動(dòng)方案。選定方案時(shí)要考慮到各系統(tǒng)的平均范圍、大風(fēng)區(qū)分布、最外圍閉合等壓線的平均值等因素，不僅要考慮其離熱帶氣旋越遠(yuǎn)越安全，且要考慮到海域及所應(yīng)完成任務(wù)的實(shí)際情況,因此，最優(yōu)方案往往不是測(cè)量圈次最多或規(guī)避系統(tǒng)最快。

5 結(jié)語

針對(duì)西南太平洋海域不同季節(jié)各系統(tǒng)的對(duì)海區(qū)的影響程度，航海人員應(yīng)依托的各種氣象產(chǎn)品進(jìn)行深入分析，掌握號(hào)幾種典型天氣系統(tǒng)的特征，機(jī)動(dòng)時(shí)應(yīng)充分考慮任務(wù)要求和船舶特點(diǎn)，利用任務(wù)間隙進(jìn)行高低速結(jié)合的方式，同時(shí)也將執(zhí)行任務(wù)所產(chǎn)生的航程航時(shí)納入到整個(gè)預(yù)案中，爭(zhēng)取到了更多的機(jī)動(dòng)時(shí)間，使船舶盡可能地向應(yīng)急測(cè)量海域機(jī)動(dòng)。

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