國內航區氣象衡準探討

馮振玉 浙江欣海船舶設計研究院總工程師

對于船舶完整穩性的計算，在《國內航行海船法定檢驗技術規則》（以下簡稱《國內規則》）中有穩性衡準數K的校核，在《2008年國際完整穩性規則》（以下簡稱《IS規則》）中有氣象衡準數K的校核。兩部規則對K值的命名不同，正確地說，應叫氣象衡準數。因為穩性衡準的參數諸多，它只是其中之一，且與氣象條件密切相關。K值大小的決定因素是風壓，風壓的大小取決于風速，而決定風速大小的又是風級。故氣象衡準數的大小，實質上就是反映船舶抵抗自然風級的能力。一般稱K=1時為臨界氣象衡準，此時的抗風能力為氣象衡準的最低要求。

兩部規則對氣象衡準要求的形式不同，對船舶抗風能力的標準也不同。相對而言，在切合實際方面，《IS規則》的標準要優于《國內規則》的標準。現具體分析如下：

氣象預報中風級與風速的關系

船舶的抗風能力，應針對氣象預報的風級。氣象預報是以海平面之上10m高處的平均風速為準，按蒲氏風級進行預報。其風級N、風速V和風壓P之間存在著下述關系：

氣象預報的風級與風速的關系見表1。

從表1可以看出，每級風的風速大小都有一定的范圍，故在預報船舶的可抗風級時，應以可抗某級風的最大風速為準，以便覆蓋該級風速的全部范圍。例如，對于滿足K=1臨界衡準時的風速V=28.1m/s，則按28.1m/s在表1的最大風速欄反向插值，求出對應的風級為N=9.9（也可以按公式N=10（lgV+0.0778）/1.5-0.49進行計算）。但預報船舶的抗風等級時，應按氣象預報都是整級風的形式，只取N的整數部分。

核算氣象衡準時的風壓取值

《國內規則》將航區劃分為遠海、近海、沿海和遮蔽四個航區分別進行風壓取值。對于漁船，因為遮蔽航區都在禁漁線之內，不允許漁船作業，故只保留了前三個航區。但不管是交通船還是漁船，其航區風壓的取值都是相同的。

表1 氣象預報的風級與風速的關系

《IS規則》對風壓的取值不分航區，但對于不同的船類取值略有不同。對于商船和船長不小于45m的漁船，其風壓取值一律為504Pa。對于船長為24m和45m之間的漁船，其風壓依船舶水上側投影面積中心到水面的高度h不同而變化，也就是考慮了風速梯度系數c的影響。

《IS規則》與《國內規則》計算氣象衡準值時，都以距離水面6m高度處的風壓為基準，其他高度處的風壓系按風速梯度系數c進行修正。對低于6m高度的風壓，《國內規則》適用于船長不小于20m的所有船舶；《IS規則》只適用于船長為24m和45m之間的漁船，相當于放寬了校核的標準。兩者計算風壓取值的對比見表2。

表2中的風速梯度系數c，系指距離水面不同高度處的風速，與距離水面6m高度處的風速之比。這是考慮空氣具有粘性，同一時間內在不同高度處的風速不同。從表2所列數據看，《IS規則》與《國內規則》風速梯度系數的取值基本一致。

《IS規則》氣象衡準的內容及最低抗風等級

《IS規則》氣象衡準的規定是：假定船舶失去動力且處于橫風橫浪之中，在定常風的作用下，船舶向下風舷橫傾了一定的角度，然后在此角度下受波浪的作用共振諧搖。當船舶搖至上風舷最大角度時，剛好受到突然加大的陣風，將船吹向下

風舷產生橫傾。用船舶自身抗傾覆能量與這種風浪聯合作用傾覆能量的比值K，作為氣象衡準數，并規定K≥1。其數學模型見圖1，校核的步驟如下：

（1）船舶受到垂直于其中心線的一個定常風壓的作用，產生一個定常風傾力臂(lw1)；

（2）假定在波浪作用下，船舶由lw1的平衡角(φ0)向上風一側最大諧搖至橫搖角(φ1)；

（3）然后船舶受到一個陣風風壓，產生一個陣風傾側力臂(lw2)，且lw2=1.5 lw1；

（4）在此情況下，面積“b”應等于或大于面積“a”，即K=b/a≥1。

圖1《IS規則》氣象衡準

在《IS規則》的數學模型中，設定陣風風壓力臂w2與定常風風壓力 臂w1之 間 有w2=1.5w1的 關系。由于風壓力臂與風壓成正比，故陣風的風壓P2與定常風的風壓P1之間同樣存在P2=1.5P1的關系。利用公式（3）V=（P/0.7356）0.5（m/s），可以反推出P2所對應的風速V2，再以V2作為最大風速，反推出可抗的陣風風級。它們之間的對應關系見表3。

表2 《國內規則》與《IS規則》計算風壓的對比

表3 《IS規則》規定的風壓及其對應陣風的風速與風級

由表3可見，《IS規則》滿足臨界氣象衡準的最小抗風等級為10.9級。若聯想發揮一下，當初規則的設定應該是11.0級，有可能是上述公式推導過程中累計的誤差所致。

《國內規則》氣象衡準的內容及最低抗風等級

《國內規則》氣象衡準的規定是：假定船舶失去動力處在橫浪之中共振諧搖，當搖到某一舷最大角度時，受到突然吹向另一舷的橫向陣風而發生橫傾，用船舶自身抗傾覆能量與這種風浪聯合作用傾覆能量的比值K，作為氣象衡準數，并規定K≥1（其數學模型略）。

按照前述的步驟，同樣可以求出《國內規則》臨界氣象衡準時的最低抗風級別，具體見表4。

表4 《國內規則》臨界氣象衡準時可抗陣風的風級

由表4可見，《國內規則》滿足臨界氣象衡準的最小抗風等級分別為：遠海航區13.3級；近海航區10.8級；沿海航區8.5級。

國內航區氣象衡準的討論

從表3和表4的對比可以看出，就臨界氣象衡準的最低抗風能力而言，《IS規則》10.9級的標準與《國內規則》三個航區的標準相比，是一低、一高、一持平。即其較遠海航區要求的13.3級低了2.4級；較沿海航區要求的8.5級高了2.4級；較近海航區要求的10.8級高0.1級（持平）。根據國內船舶的航線及營運的實際需求，現對國內航區的衡準提出幾點意見供討論：

（1）《IS規則》適用于全球海域的船舶，應該說中國的海域也不屬于例外。即使《國內規則》規定的“南海距岸120n mile(臺灣島東海岸、海南島東海岸及南海岸距岸超越50n mile)”以外的遠海航區，其通常海況的惡劣程度總不會超越“好望角”海域和北大西洋冬季的海況。故將國內航行船舶的抗風等級提高并超越了國際航行的船舶，缺乏令人信服的依據。

（2）航區應是指船舶營運作業的海域。船舶往返于各個港口之間，其最佳航線基本上是固定的，在正常情況下，國際營運船舶偏離航線的距離都有一定的范圍。對于國內航行的船舶，偏離航線更會有限。即使按現行的航區劃分，除去三沙航線極少數的船舶之外，其他船舶的航線都不經過遠海航區，即使航向偏離也不會偏到遠海航區。故對國內船舶設定的遠海航區，實在沒有什么意義。如果僅為南沙航線而設，未免過于偏頗。

（3）現在船舶科技如此發達，無線電通信系統如此先進，通過接受氣象傳真，船舶或停航或繞道或借港避風，完全可以避開暴風的襲擊（我國遠洋作業的漁船，一直使用《IS規則》的衡準，而從沒有遭遇暴風襲擊的事故就是例證）。對于國內航行的船舶，更不可能遭遇12級颶風的襲擊，將最低抗風級別定到13級以上，顯得過分保守，保守會對社會資源造成巨大的浪費。

（4）滿足沿海航區氣象衡準的絕大部分都是中小型船。從歷年統計來看，該類船發生穩性事故的數量最多，特別是小型漁船。為減少中小型船舶的事故概率，提高該類船的穩性標準是很有必要的。

（5）我國船舶現行的航區穩性，應是當年引進前“蘇聯船舶登記局”的標準而沿用至今。隨著半個多世紀船舶科技的進步，對航區衡準的修訂同樣也是與時俱進的要求。

綜上所述，建議修改我國航區穩性的規定，最務實的舉措是直接與《IS規則》接軌。務實接軌的好處有三：一是降低了國內船舶抗風等級的拔高要求，能取得巨大的節能效益；二是對沿海航區大量的中小型船舶提高了抗風級別的標準，對減少事故多發提供了更可靠的技術保障；三是與國際衡準接軌統一，具有去粗取精、刪繁就簡的功效。何樂而不為呢。