（交通信息工程及控制专业论文）船舶大风浪区动态标绘及安全评价系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 船舶在海上航行时，受水文气象条件的制约是不可避免的。这其中，尤其以 狂风巨浪对船舶安全的威胁最为突出。尽管目前很多船舶使用气象导航公司提供 的气象航线，但由于目前天气科学发展水平的局限，完全准确的天气预报无法得 到，因此，在实际使用气象导航时仍需对一些大风浪天气和天气系统进行绕避。 如果能够对未来航线上的大风浪状况及船舶与之相对位置关系进行动态显 示，并对船舶未来航线的风险度进行预先的估算，进而根据航时最短或其他条件， 得出能够保障船舶航行安全且满足优选条件的最佳航线，对船舶驾驶员和航运安 全管理人员来说，都具有十分重要的理论意义和实用价值。 本文着重总结和归纳了各种水文气象要素对船舶航行安全的影响，并分析了 各种水文气象要素的预报现状；通过与具有丰富航海经验的远洋船长交流、研讨， 对影响船舶安全的水文天气要素进行了分析，指出了对船舶安全影响最为重要的 水文气象要素是大风和大浪这一事实。在此基础上，提出船舶一大风浪区动态标绘 及安全评价系统的构建方法。 本文在对西北太平洋海域水文气象信息的网站对比分析的基础上，选择出适 合本研究的网站；然后根据风险分析理论，确定航线风险度等级，选取船舶在大 风浪中动态安全性评价模型；最后用v c + + 语言编写船舶一大风浪区动态标绘及安全 评价系统的程序。实例仿真分析表明，本系统可动态、直观地显示船舶和大风浪 区的相对位置，能够对船舶驾驶员选取航线的安全性作出评价i 并能够最大可能 地为企业减少不必要的航时和燃油损失，同时可为船长同公司、租家和气导公司 商讨短期绕航航线提供重要的参考依据。 关键词：航行安全；风险评价；航线选优；大风浪动态显示 英文摘要 a b s t r a c t w h e ns a i l i n ga ts e a , t h ee f f e c to fm e t e o r o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n st o s h i p si si n e v i t a b l e p a r t i c u l a r l y ，s t r o n gw i n d sa n dh u g ew a v e sa r et h em o s tp r o m i n e n t t h r e a t st os a f e t yn a v i g a t i o n l i m i t e db yt h ep r e s e n tl e v e lo fm e t e o r o l o g y ，w e a t h e r f o r e c a s tc a l ln o tb ec o m p l e t e l ya c c u r a t e a l t h o u g hm a n ys h i p su s ew e a t h e rr o u t e p r o v i d e db yw e a t h e rr o u t ec o m p a n i e s ，a v o i d a n c et ob y p a s ss o m eh e a v yw e a t h e ra r e a si s s t i l ln e e d e d i tw i l lb eo fg r e a ti m p o r t a n tf o rs h i po f f i c e r sa n ds h i p p i n gs e c u r i t ym a n a g e r st o e n s u r es a f e t yn a v i g a t i o na n dh a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n g sa n dp r a c t i c a l v a l u e s ，i ft h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e ns h i pa n dh e a v ys e aa r e ac a nb ed i s p l a y e d d y n a m i c a l l y ，a n df u r t h e rm o r ee v a l u a t et h er i s kd e g r e eo fa v o i d a n c er o u t e sa n dt h e n ， b a s e do nt h es h o r t e s tr o u t eo ro t h e rc o n d i t i o n st og e tab e s tr o u t e t h et h e s i sm a i n l ys u m m a r i z e da n dc o n c l u d e st h ee f f e c to fv a r i o u sm e t e o r o l o g i c a l a n dh y d r o l o g i c a le l e m e n t st o s a f e t yn a v i g a t i o n ，a n da n a l y z e d t h ep r e s e n tf o r e c a s t s i t u a t i o no ff o r e c a s to ft h o s ee l e m e n t s b a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o n sa n dd i s c u s s i o n s 、 r i 也n u m e r o u so fe x p e r i e n c e dc a p t a i n sa n dt h ea n a l y s i so ft h o s ee l e m e n t s ，p o i n t e do u t t h a ts t r o n gw i n da n dh u g ew a v e sa r et h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t s o nt h eb a s i so fa b o v e c o n c l u s i o n s ，p r o p o s e dt h es t r u c t u r i n gm e t h o d o fs h i p h e a v ys e aa r e ad y n a m i c d i s p l a ya n ds a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ew e b s i t e sa b o u tm e t e o r o l o g i c a la n d h y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o ni nn o r t h w e s tp a c i f i ca r e a , w e b s i t e st h a ta p p l y t ot h er e s e a r c h h a sb e e nc h o s e n a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo fr i s ka n a l y s i s ，t h er o u t er i s k d e g r e ec a nb ec o n f l r m e d ，a n dt h ed y n a m i cs a f e t ye v a l u a t i o nm o d e lo fs h i p si nh e a v ys e a c a nb ec h o s e n f i n a l l y ，u s i n gv c + + t oc o m p i l et h ep r o g r a mo fs h i p h e a v ys e aa r e a d y n a m i cd i s p l a ya n ds a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e s y s t e mc a l ld y n a m i c a l l ya n dv i s u a l l yd i s p l a yt h er e l a t i v ep o s i t i o n sb e t w e e ns h i pa n d h e a v ys e aa r e a , a n dc a l lg i v es a f e t ye v a l u a t i o no ft h er o u t e sc h o s e nb yt h es h i po f f i c e r s i tc a nm a k et h es a i l i n gt i m es h o r t e ra n dt h ef u e lo i ll o s ss m a l l e rf o rs h i p p i n gc o m p a n i e s ， 英文摘要 a n dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rc a p t a i n st od i s c u s st h es h o r t t e r md e v i a t i o nr o u t e sw i 也 s h i p p i n gc o m p a n i e s ，c h a r t e r sa sw e l la st h ew e a t h e rr o u t ec o m p a n i e s k e yw o r d s ：s a f e t yn a v i g a t i o n ；r i s ke v a l u a t i o n ：o p t i m a lr o u t e ；d y n a m i cd i s p l a yo f h e a v ys e aa r e a ； 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 监魑：太丛退匡塾查拯绘丞塞全迸鲶丕统的婴究：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拗尸飞 6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解凳后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) ，、 论文作者签名班导师签名删州钞) 同期：少哆年么月矽同 船舶大风浪区动态标绘及安全评价系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究的意义 船舶在海上航行时，会受到各种水文气象要素的影响，如船舶在雾中航行、 冰区航行、大风浪区航行等等。尽管目前很多船舶使用气象导航公司提供的气象 航线，但由于目前天气科学发展水平的局限，完全准确的水文气象要素的预报无 法得到。因此，在船舶采用气象导航时，仍需对一些大风浪天气和天气系统进行 绕避。尤其对热带气旋、爆发性温带气旋等一些短时间内路线或强度变化较大的 天气系统，船舶必须进行短时的，即一两天之内的绕避。 在船舶对大风浪天气系统或大风浪区实施绕避时，所制定的绕航方案必须满 足以下两个条件：一是必须保证船舶的航行安全，即一定要将对船舶构成威胁的 大风浪区绕开；二是在能保证船舶航行安全的条件下，一定要尽可能少绕远，尽 量节省船期和燃油消耗。 这两个条件似乎是矛盾的，但的确是船舶驾驶员和航运企业安全管理人员在 选择绕避大风浪区的航线时，必须面对而且需要解决的问题。 为了能够直观、方便、快捷地了解未来航线上的大风浪情况等对船舶航行可 能造成威胁的水文气象信息，进而让决策者比较科学有效地选择既能保证船舶航 行安全，又能尽量节省航时和燃油的绕航方案，本文提出一种能够对船舶在未来 一两天内所遇到的大风浪情况进行动态显示、并对未来的各条可能航线进行预先 的风险度估算，进而对航线进行优选的辅助决策系统。 1 2 本课题的研究现状 1 2 1 国外的研究现状 下图为日本气象厅发布的台风路径图，该图直观地给出了台风中心从生成开 始每3 h 一次的实际移动路径和位置，并给出了台风未来7 2 h 的移动趋势预报。 图上的台风风区是不断移动的，即沿着台风生成时刻到实况图发布时刻所走 过的轨迹连续移动，但没有暂停功能，不方便读取图上数据，只能采用截屏的方 第1 章绪论 式读取数据。下图为四个时刻的截屏图。另外船舶驾驶员也不能够在这种图上 对自己的船位进行编辑显示船舶与台风的相对位置关系。 图11 日本气象厅发布的台风路耗图 f i gi it y p h o o nt r a c kb yj m c 图12 是美国w n l 提供的全球风浪显示系统中好望角海域的海浪图，图上对 锋面和海浪的高度做了详细的标注，读取数据比较方便。 但该图每1 2 h 发布一次，时间1 日】隔较长。且该图并非免费获得，使用者每年 需缴纳较高费用。同时，使用者也无法在该图上编辑自己的船位等信息。 船舶大风浪区动态标绘及安全评价系统的研究 f 。= = 。 ， r 一+ 、， 1 1 、 i 一 昌 詈、量、 爹! 一赣，一， 昌 t 昌 、， _ 镶j i i 。、 饕j j 一7 ? + ，一 二 图1 2 w n i 好望舟海浪图 f i g 1 0 w a v e c h a r t o f c a p , o f g o o d h o p e b y w n i 1 22 国内的研究现状 上个世纪9 0 年代，大连海运学校的吴永芬老师提出了在天气图上绘制相对位 移线的方法t “。由于当时认为船舶能否实施自行气象导航的关键和核心是船舶能否 作出航线天气预报，而要作出准确的天气预报必须有准确的地面形势预报为基础。 由于船舶本身在航行、在移动天气系统也在不断的移动、发展变化，两者 均在动，因此，要制作航线上连续不断的天气预报，可利用相对运动原理制作相 第1 章绪论 对位线。在制作的相对位线过程中，要使用实况图、预报图、天气报告等信息， 同时既要考虑在预报时效内天气系统中心位置连续不断的变化，又要考虑此段时 间内船舶相对于天气系统连续不断的位置变化。因此，在天气图上制作的相对位 线可直观地看出航行中的船舶如何动态地通过锋面气旋、热带气旋等天气系统， 。同时可清楚地看( 量) 出，任一时刻船舶位于天气系统中心的什么方位、与天气系 统( 如台风等) 会遇时的距离等等。 但实际上，由于当时不具有船载计算机等条件的限制，这种方法并没有得到 有效地推行。同时，绘制相对位移线的过程中，也存在一些不易解决的问题，如 天气区在移动过程中的变化等。 上世纪9 0 年代，交通部天津海上安全监督局提出港1 2 1 及附近海区船舶动态监 测系统【2 1 。这是将港口及附近海区中运行的船舶通过计算机动态显示在大屏幕( 或 图形显示器) 上，并采用电子海图技术和数据库技术，将海区地理信息、水文信息、 气象信息、人文信息综合分层次显示。该系统的主要功能是对港口及附近海域的 船舶信息实时显示在大屏幕( 或图形显示器) 上，但对水文气象信息的动态显示方 面所做的工作较少，只是将当天的海流和风浪情况叠加到电子海图上，没有风浪 的预报信息的显示3 j 。 2 0 0 4 年，武汉大学管学理做了高速公路数字模型的研究1 4 1 。该研究建立在数 字高速公路信息平台上，利用三维建模技术，构建真实的高速公路三维场景【5 j ，同 时将高速公路的各站点的车流量、路况、交通状况等多种数据信息集成，并实时 地显示，形成生动、直观的数字高速公路模型。 2 0 0 5 年，南京信息工程大学冯民学做了高速公路交通气象智能化监测预警系 统研究 6 1 ，该研究以沪宁高速公路为试验路段，重点研究探索与高速公路智交通紧 密相关的低能见度、浓雾的监测方法和预警应用技术，为超低能见度的预、路政管 理及驾乘人员提供新的实时信息源；研究全天候实时采集并发布整个路段的气象 能见度和其它气象要素的技术途径，为相关工程设计提供科学依据，为我国智能 交通系统的建设，特别是为改进和提升高速公路智能交通系统的管理功能提供了 技术支撑。 船舶大风浪l 又：动态标绘及安全评价系统的研究 2 0 0 6 年，天津大学杨晓云提出了天津市防洪决策支持系统【刀，该系统所重点 关注的水文气象信息是水雨情的信息。系统通过对历史水文数据的动态分析，计 算降雨、洪水频率值，绘制出相应分布曲线图，利用图形软件界面，当在图形曲 线上移动鼠标时，就可动态显示出相对应频率数值，使用简单，速度快捷【8 l 。 2 0 0 8 年，南京信息工程大学徐春阳、王咏青通过在充分利用s u r f e r 强大绘图 功能的基础上，实现了沂沭泗水系气象等值线图的动态绘制【9 1 。将s u r f e r 强大的绘 图功能与v b 编制交互界面程序的优势相结合，通过v b 调用s u r f e r 的绘图函数f 1 0 1 ， 实现沂沐泗水系气象信息填图、等值线绘图及着色填充，并能动态地显示与输出 这些图形。 综上所述，上述各种理论与方法均不适用于船舶安全管理的使用，有必要开 发研究专门用于航行船舶使用的船舶一风浪信息的动态显示系统。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 根据历史资料和过去的研究成果，结合与具有丰富航海经验的远洋船长 交流、研讨，对影响船舶安全的水文天气要素进行分析，指出对船舶航行安全影响 最主要的水文气象要素。 ( 2 ) 对西北太平洋海域常用气象网站及其重要天气图进行跟踪研究，并对各 重要天气图做了对比分析，推荐出可为船舶驾驶员保证船舶航行安全作为重要参考 的天气预报信息来源。 ( 3 ) 根据风险分析理论，确定航线风险度等级，选取船舶在大风浪中动态安 全性评价模型，建立一种船舶一大风浪区动态标绘及安全评价系统，可以实现船舶一 风浪区的动态显示和航线评价、选优，并使用v c + + 语言编程实现其功能。 ( 4 ) 以一艘船舶的实际航行情况为例，使用本系统进行实例仿真分析。结果 表明该系统可以方便、快捷、直观显示出船舶在未来一两天内所遇到的大风浪情况， 可以对船舶航线安全性作出评价，为船舶驾驶员选择安全、经济的航线提供重要的 参考依据。 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 2 1 水文气象要素概述 从理论上讲，水文气象要素有很多个，如气压、气温、湿度、天空状况( 云 状、云量、云高等) 、能见度、天气现象、海温、海冰、海流和海浪，等等【1 。 目前中国各地气象台对公众发布的日常天气预报内容，并不包含所有上述气 象水文要素，一般来说包括天空状况、天气现象、风向、风力、最高气温和最低 气温。 以大连气象台为例，其日常发布的气象预报形式为：大连市各区“白天晴到 多云，傍晚前后转阴，有小到中雨：南到东南风3 到4 级；今天白天最高气温2 4 0 c ， 最低气温1 8 0 c 。” 其它项目仅在广播电台的整点实况中公布。 至于由气象部门和海洋部门发布的海洋气象预报的项目，则仅有天空状况、 天气现象、风、浪和能见度。见表2 1 。 表2 1 水文气象要素内容一览 t a b 2 1c o n t e n t so fh y d r o l o g i ca n dm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t s 气象水文气象台发布 实例 气象台公布海洋气象 要素内容预报项目实况项目预报项目 天空状况 晴转多云 天气现象 小到中雨 风向风力 s s e 风3 _ 4 级 气温 1 8 2 4 0 c 能见度 、， 气压 湿度 、， 海温 海冰 海浪 海流 船舶一大风浪l x 动态标绘及安全评价系统的研究 这些水文气象要素对船舶航行影响程度的差别是非常大的，有些要素对船舶 航行安全几乎没有影响，有些可造成一定的影响和限制，而有一些则足以给船舶 带来灾难性的后果。 2 2 风对船舶航行安全的影响 ( 1 ) 船舶航行中受风转动规律 船舶在风中航行时，为了保持航迹需克服风压力f 口的作用，必然要保持一定 的风压差角漂角。漂角的存在说明船舶在风中处于对水的斜航状态，则产生水动 力西。由于风压力和水动力中心都不作用在船中处，则产生风压力矩口和水动 力矩肌，在合外力矩的作用下，改变了船舶的转动状态，使航向角发生变化【1 2 1 。 同理，船舶转动方向取决于合外力矩的方向，即取决于相对风向。 ( 吣m 图2 1 船舶前进中受风受力及运动情况 f i g 2 1w i n d 、f o r c ea n dm o t i o no fs h i pf o r w a r dm o v e m e n t 正横前来风，即0 。 曰 9 0 。的某一方向时，合外力矩的方向取决于水动力中 心和风压力中心的相对位置，如图2 1 ( 口) 所示。船速越高，水动力中心越向前移， 则船首向下风偏移。船体水上侧面积中心越靠近船首，如压载状态的大、中型散 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 货船，风压力中心前移，则船首向下风偏转；反之，船体水上侧面积中心越靠近 船尾，如v l c c 满载时，风压力中心后移，则船首向上风偏转f 1 引。 正横后来风，即9 0 。 矽 o 。图2 2 给出了某1 5 万吨级大型油船在正横受 风( 相对风向= 9 0 。) 时不同水深情况下的漂移速度与船速之间关系的计算结果1 1 4 1 。 苈 t 鹫 副 潞 蘩 船i g ( k n ) 船遮( i c n ) 图2 21 5 万吨级油船不同水深情况下的漂移速度 f i g 2 2d r i f tv e l o c i t yo f15 0 ，0 0 0 - t o no i lt a n k e ru n d e rd i f f e r e md e p t h so fw a t e r 船舶大风浪i 又动态标绘及安全评价系统的研究 从图中不同水深的漂移情况比较来看，在船速和相对风速一定的情况下，在 潜水中( 如图中的水深吃水比h d = 1 3 ) 由于水动力较大而漂移速度较小，随着水 深的增加，水动力逐渐减小，漂移速度逐渐增大。 在水深和相对风速一定的情况下，船速越高，漂移速度越小；随着船速的降 低，漂移速度将逐渐增大。特别在低速情况下，漂移速度将随船速的降低而急剧 增大。当船速“= 0 时，漂移速度最大l ”j 。 在水深和船速一定的情况下，相对风速越大，漂移速度越高；反之，相对风 速越小，则漂移速度越低。 在实践中，由于船速过低致使漂移速度过大而造成碰撞、搁浅等事故屡见不 鲜。特别是压载状态船舶在大风中进行靠离泊或掉头操纵时，由于此时的船速一 般比较低，漂移速度较大，就更增加了碰撞、搁浅等事故的可能性。 2 3 浪对船舶航行安全的影响 ( 1 ) 船舶在波浪中的运动 图2 3 船舶在波浪中的摇荡运动 f i g 2 3s h i ps w i n gm o v e m e n ti nw a v e s 船舶在波浪中的运动如图2 3 所示。如将重心g 取为固定于船体的直角坐标 系的原点，则船舶运动可分解成沿三个坐标轴的线性运动和绕三个坐标轴的转动。 沿坐标轴的运动可分为单向运动和往复运动，往复性运动称为荡动。围绕坐标轴 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 的运动可分为单向转动和往复转性动，往复性回转运动称为荡动f 旧。各运动名称 如表2 2 。 在表2 2 所述运动形式中，与船舶安全操纵有着最密切关系的是横摇、纵摇、 垂荡和首摇。 横摇影响到船舶的稳性，有可能引起货物移位，过大的横摇将使船舶倾覆。 纵摇导致船舶降速，还会引起船首上浪而使甲板上的货物、设备损坏，同时纵摇 使船体特别是船前部受到波浪的冲击，导致船体受损。此外，纵摇还能引起螺旋 桨空转，将给主机运转造成伤害0 1 7 1 。 表2 2 各运动名称 t a b 2 2n a l t l eo fv a r i o u sm o t i o n 种类 直线运动回转运动 名称 坐标心 单向运动往复运动单向同转往复回转 x 轴进退纵荡横倾横摇 y 轴横移横荡纵倾纵摇 z 轴升沉 垂荡 旋回首摇 ( 2 ) 横摇 船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似用下式表示 ( 2 1 ) 式中：目为强制横摇摆幅( 。) ；锄为最大波面角；y 为有效波倾斜系数；孙为 船舶固有横摇周期；死为波浪遭遇周期；k 为横摇衰减系数，一般为0 1 6 - - 0 6 。 从上式可知，船舶在波浪中横摇摆幅大小，除与最大波面角成正比之外，主 要取决于船舶固有横摇周期孙与波浪遭遇周期死之比1 1 8 】。 当孙死1 时，即t r 爹t e ，正如g m 值较小( 即重心较高) 的船舶在短波 中( 即死很小) 快速或顶浪航行，船舶横摇较慢( 即孙很大) ，赶不上波面的变 动，与波浪不协调，船舶易与波浪撞击，甲板上浪较多。相当于大船在波长小的 波浪上，此时船舶几乎不发生横摇运动，如图2 4 ( c ) 所示。 c a ) 图2 4 船舶在波浪中的横摇 f i g 2 4s h i p sr o l l i n gi nw a v e s 当孙死1 时，船舶的横摇运动滞后波浪9 0 。，波浪对船舶的扰动力矩方向 在整个周期范围内与横摇方向始终一致，船舶出现横摆谐摇现象，如图2 4 ( a ) 所 示。 ( 3 ) 纵摇和垂荡 当波浪纵向通过船体时，随着船体附近波形的变化，浮心作前后方向的周期 性运动，将引起船舶纵摇f 1 9 】。 当波浪纵向通过船体时，由于其浸水面积变动，因而浮心亦随之上下变动。 船舶重心在其垂直轴上的上下运动就是垂荡运动。 由于船首尾形状不对称，一般船舶在迎浪航行时，同时发生纵摇和垂荡，纵 摇能引起垂荡，垂荡也能引起纵摇。 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 船舶固有纵摇周期可用下式估算： t p = c p 上 ( 2 2 ) 式中：乃为船舶纵摇周期( s ) ；工为船长( m ) ；g 为纵摇周期系数。 船舶固有垂荡周期可用下列近似式估算： t h 2 4 万 ( 2 3 ) 式中：n 为船舶垂荡周期( j ) ；d 为船舶平均吃水( m ) 。 ( 3 ) 首摇 首摇主要是由于船舶在风浪中航行斜向与波浪遭遇时，受到波浪的直接作用 所引起的。此外，波浪所产生的船舶纵摇和横摇运动也会引起首摇。 波浪直接作用引起的首摇 当船舶与波浪斜向遭遇时，原来在船首尾左右舷出现的水压力差异更为明显， 首尾出交互出现的横向压力，产生使船首装卸顺浪或顶浪的回转力矩，这是首摇 的主要原因。当船舶首尾线与波浪船舶方向成4 5 。夹角时，这种首摇最为剧烈。 纵摇与横摇运动的合成引起的首摇 纵摇和横摇的合成运动能引起首摇，其原理与陀螺进动原理一致。在波浪作 用下纵摇和横摇同时发生，引起围绕与此两摇摆轴成直角的垂直轴的进动运动， 即为首摇。这种原因引起的首摇，在纵摇和横摇激烈时明显，但这种首摇较其他 原因所造成的首摇偏转来得d , t 2 0 j 。 横摇引起的首摇 船舶受波浪作用发生横摇时，船体左右舷水下体积交互变化，致使船舶横摇 时两舷水阻力不同而使船首偏转，这种首摇在横摇激烈时较明显。当首倾时，船 体前部的水下侧面积越大，则首摇也就越激烈。因此，在设法减轻横摇的同时， 应避免存在首倾。 船舶大风浪f 孓动态标绘及安全评价系统的研究 2 4 其它水文气象要素对船舶航行安全的影响 2 4 1 雾对船舶航行安全的影响 雾是指悬浮在低层大气中极其微小的小水滴或小冰晶。在低层大气处于稳定 状态时，水气的增加及温度的降低使近海面的空气逐渐达到饱和或过饱和状态， 水气凝结物悬浮在空中，致使海面能见度下降。雾对船舶航行安全的影响主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 采用安全航速导致增加航行时间 船舶被迫在雾影响的低能见度下航行将危机航行安全，尤其在雾的能见度只 有几海里时，海上目力定向的困难较大。在这样的条件下，为了能及时发现和避 开相向而行的船舶以及顺利通过航海情况发杂的地区，如数目很多的小岛、暗礁、 石滩和浅滩，往往不得不把航速降低到安全的程度【2 1 】。 ( 2 ) 雾危及航行安全 在近岸水域和狭窄航区，船舶在低能见度条件下航行非常危险。原因在于， 船舶不能根据岸上目标进行目测定向，从而妨碍甚至阻止船舶行驶的概率剧增， 结果必然产生航时损失【2 2 j 。 雾限制了目力助航的另一方面是不能利用太阳、月亮、星或岛岸路标定位。 有雾时，船舶在雾中进出港或锚地，如果不按雾中航行的规定操作，不加强晾望， 就可能发生碰撞或搁浅事故。 ( 3 ) 雾限制和干扰船舶无线电设备的工作 由于雾对声、光、电波等具有吸收和散射的作用，因此它能缩短灯标的能见 距离和闪光时间，改变音响传播距离【2 3 2 4 1 。雾滴越大，吸收电磁波的能力越强， 因而相遇船的回波越差，反之则越好。 2 4 2 温、湿度对船舶航行安全的影响 ， 气温的过高或过低，空气湿度的过大，对船上的机械设备、电子导航和无线 电航海器材均会造成直接影响。高温和高湿能引起设备内部水汽凝结，导致水分 积聚，结果会出现腐蚀源并产生细菌层，从而导致光学仪器透镜失去透明性，仪 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 器设备和电缆内部产生短路，绝缘材料遭到破坏。低温则不仅会引起仪器和机械 设备中的滑油凝结而造成机件的暂时失灵，还会使柴油机启动困难，并使船舶管 路系统和机械中的水分冻结而导致事故发生等。所以，温度、湿度对船舶安全的 不利影响也应引起航海人员的足够重视。 2 5 海上各种水文气象要素的预报现状 2 5 1 大风的预报现状 天气预报大致可分为超长期预报( 2 年以上) 、长期预报( 1 个月至2 年) 、 延伸时期天气预报( 1 0 至3 0 天预报) 、中期预报( 4 至1 0 天) 、短期预报( 3 天 以内) 、短时预报( 1 2 h 左右) 、超短时预报( 6 h 以内) 等几种，预报准确率的 变化大体上与预报时效的长短成反比，即时效越长准确率越低f 2 5 。2 6 】。 我国各省、市气象部门每个月都要根据所出现的实况，对预报结果进行严格 的准确率评分。评分规则详细而严格，有清晰的达标要求，分别对晴雨、暴雨、 低温、霜冻、热带气旋( 含路径、登陆时间、登陆点) 等方面进行评价，并要将 准确率统计结果上报国家气象局。目前，全国大部分气象台短期预报的准确率一 般均在8 0 以上，晴雨预报准确率更是达到或超过9 0 f 2 7 艺8 1 。 由于在广阔的海洋上观测站点十分缺乏，而对那些船舶观测的结果，气象部 门一般因其观测条件受限制、观测仪器不能定期检定、观测人员不能较严格地按 规范进行操作等原因，对其观测结果不予采信，因此，预报结果准确性的验证无 法进行。实际上，目前中国国家气象局仅对陆地大风的准确率进行评定检验，对 海区大风预报暂不进行评分【2 9 1 。 作为航运管理部门和海事管理部门，当气象台预报未来将出现大风时，就会根 据辖区内船舶的抗风等级，对那些抗风等级低于未来大风等级的船舶进行开航限 制。但是，未来大风是否会出现，则是一个未知数。对此，可以通过考察气象部 门多年来对大风预报的准确率来进行了解【3 伽。 但是，气象部门所统计的大风预报准确率，与我们直观理解的概念并不一致。 根据国家气象局1 9 9 0 年5 月对大风预报准确率的统计方法( 见表2 3 ) ，各气象 船舶大风浪区动态标绘及安全评价系统的研究 台在进行大风预报时，可分3 级进行，分别是无大风( 1 6 级大风实况标准为：( 1 0 m i n ) 平均风力 1 6 级或阵风( 瞬时风速) 7 级： 8 级大风实况标准为：平均风力 8 级或阵风 t 9 级； i 1 0 级大风实况标准为：平均风力1 0 级或阵风 1 l 级； 1 2 级大风实况标准为：平均风力1 2 级。 这样，在新的标准下，风速的意义与旧标准下风速的意义有着明显的差别。 主要是阵风风速对风级的影响，与过去的标准完全不同。因为旧标准中，没有将 阵风对风速的关系给予确定，仅考虑每天4 次定时观测和4 次辅助观测时的2 m i n 平均风速。 其次，是大风预报准确率的标准。 新标准中，大风预报的准确率改为所谓“落区预报 ，不再仅仅是定性的( 见 表2 4 ) 。 表2 4 国家气象局2 0 0 5 年大风预报质量检验办法 t a b 2 4m e t h o do fa e c u r a e ys m t i a i cf o rs t r o n gw i n df o r e c a s t ( n m c ，2 0 0 5 ) 预报 实况 无大风6 级 8 级1 0 级1 2 级 风力6 级止确 空报 空报 l o 级 风力 t 8 级正确 漏报 1 2 级 风力1 0 级 漏报 正确 漏报 1 2 级漏报正确 船舶大风浪i 又：动态标绘及安全评价系统的研究 对于上述由于气象部门具体业务规定的变化所引起的大风标准的变化，海事 管理部门、航运企业的安全管理人员以及船舶驾驶员应当及时进行学习和了解， 以免发生理解上的错误，造成安全事故。 大连海事大学刘大刚教授曾对大连气象台1 9 9 6 年至2 0 0 2 年逐日大风风力预 报与大风风力实况做过对比分析。大连气象台近年来的大风等级等气象要素的预 报水平，可以代表我国不同气象台对黄海、渤海沿岸及各海区天气预报的整体水 s i z 2 9 lo 表2 51 9 9 6 2 0 0 2 年大连气象台预报大风风力预报与实况关系 t a b 2 5r e l a t i o n sb e t w e e nf o r e c a s t e ds t r o n gw i n df o r c e sa n df o r c e s ，d a l i a n 1 9 9 6 2 0 0 2 盔 实况次数 预报g 级5 级6 级7 级8 级 合计 5 - 6 级6 9 22 2 71 l 121 1 0 3 3 6 级 3 82 54 4 4 0 l ll 6 7 级1 42 64 0618 7 7 级0l21o 4 表2 6 火连气象台人风风力预报与风力实况的共轭矩阵 t a b 2 6c o n j u g a t em a t r i xo ff o r e c a s t e ds t r o n gw i n df o r c e sa n df o r c e s ，d a l i a n 1 9 9 6 2 0 0 2 年实况频率 预报9 级5 级6 级7 级8 级 5 - 6 级 o 6 70 2 20 1 1 0 0 1 0 0 1 6 级 0 3 40 2 30 4 00 0 4 o 6 7 级 0 1 60 3 00 4 6 0 0 7o 0 1 7 级 0 o 2 5o 5 00 2 5o 统计分析结果表明，当气象台预报某级大风时，实际气象台记录的大风风力 实况要明显低于预报风力。但是，这并不一定表明实际上没有出现预报等级的大 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要紊分析 风。发生这种情况与目前气象部门的有关规定、现有观测仪器以及观测时次密度 都有很大关系。 2 5 2 海浪的预报现状 海浪是一种十分复杂的随机现象，因此海浪的物理机制研究进展缓慢，至今 仍没有理论上严密和完善的海浪预报方法。 海浪预报方法的研究始于2 0 世纪如年代。二次世界大战期间，为了军事上的 需要，美国斯克罩普斯海洋研究所s v e r d r u p 和年青的物理学家m u n k ，共同提出了 利用天气图预报海浪的方法。以后他们又提出了关于风浪、涌浪和近岸浪的预报 理论，即著名的有效波预报方法。该方法从提出到6 0 年代末都很盛行，甚至至今 仍被世界各国应用，包括美国和西欧一些国家。但是有效波预报方法也有一些缺 陷，主要是它不能反映海面状态的详细情况，预报准确度的改善也受其方法本身 的限制。为了进一步改善海浪预报方法，提高预报准确度，许多海洋学家转向海 浪数值预报方法的研究，主要从以下三个方面进行了深入的研究：一是把海浪作 为一随机过程来研究：二是研究海浪与风之间的关系，三是研究海浪与地形之间 的关系【3 3 l 。 由于海浪的应用性质很强，应用价值很大，所以应用部门不能等到海浪专家 把海浪生成机制都弄清以后再来研究计算海浪的方法。因此在研究海浪生成机制 的同时已经开始研究怎样利用风来计算海浪。几十年来，在实际应用中研究提出 了许多计算方法，这些方法大致可以分为三类；一是半经验半理论海浪预报方法， 二是经验统计预报方法；三是数值预报方法1 3 4 1 。 我国海浪预报是海洋预报业务中开展较早的项目之一，海浪预报方法研究则 更早。2 0 世纪5 0 年代，基于港口工程建设的需要，我国海洋学家、物理学家和数 学家就对海浪计算和海浪后报方法展开了广泛深入的研究。为了提高海浪预报技 术，分别在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代两次集中力量进行协作研究。 第一次由国家科委海洋组和国家海洋局组织海浪预报方法研究组，在文圣常 教授指导下，以能量平衡方程和海浪谱为基础，进行预报方法研究和预报试验。 随着计算机在海洋预报业务中应用，国家海洋局又组织了第二次全国海浪预报协 船舶大风浪叉动态标绘及安全评价系统的研究 作研究，通过1 9 7 6 年1 9 7 8 年三年时间的研究，提出了适合我国近海和邻近海域 的“一个参数大洋波谱模式 。与此同时，国家海洋环境预报中心还引进了日本 气象厅m a i 海浪数值模式，进行大面积海浪数值预报试验。1 9 8 6 年又引进了西欧 等国发展的w a m 第三代模式1 3 5 】。 从海浪理论和海浪预报方法研究方面看，相对海浪观测技术的差距要小一些。 尤其是海浪理论研究方面一直是具有相当的水平。海浪数值预报方法的研究上我 国侧重理论研究。在应用方面与世界发达国家差距较大。目前我国无论引进的第 一代、第二代、第三代海浪数值模式( 包括我国自己发展的第一代、第二代海浪数 值模式) 都经过详细的理论推导、试验和验证工作。从试验和验证结果看，每个模 式都有自己独特的风格，尤其后报结果与实况吻合较好。但是它们共有的缺点是 海浪预报的精度完全依赖输入气象资料的质量，而对输入气象资料的研究却非常 薄弱，至今还没有一个适合日常海浪业务数值预报使用的天气模式，致使我国海 浪数值模拟一直存在理论研究与实际应用脱节的状况。 2 5 3 其他气象要素的预报现状 ( 1 ) 海雾的预报现状 国外海雾的研究工作开展得较早，最早的海雾研究可以追溯到上世纪2 0 年代， 但在上世纪4 0 年代以前主要进行一些野外观测和统计工作。 我国海雾的数值模拟研究主要从2 0 世纪8 0 年代开始。 胡瑞金和周发绣设计了一个二维数值模式，并应用此模式研究了海洋气象条 件在海雾过程中的影响，指出海温主要影响海雾的生成过程，当海雾生成后，它 的作用就逐渐减小；气温梯度( 暖平流) 较大不利于海雾生成，逆温不是海雾生 成的一个充要条件：相对湿度大小及其分布是海雾能否生成的物理基础；风速大 不利于海雾生成，但海雾一旦生成，则有利于其发展；海雾能否生成、何时何地 生成、如何发展，取决于上述海洋气象条件综合配置结剁3 6 l 。 海雾的预报方法主要有天气学方法、统计学方法和动力模式预报方法。目前 实际预报业务中多采用前两种预报方法。 第2 章影响船舶航行安全的水文气象要素分析 动力模式预报方法是海雾预报的发展方向，我国的数值预报研究主要在“八 五 期间，但鉴于海雾过程的复杂性，至今用于实际预报的还极少。国内曾有人 采用雾的简化动力模式作雾的数值模拟研究，但是总体来看，目前对于海雾预报 的准确率不高主要是因为海雾的定点、连续性观测资料较少，对海雾的生消规律 认识还不透彻f 3 7 】。 ( 2 ) 温、湿度的预报现状 温、湿度与气压场和风场之间存在着相互制约的内在联系，气压场和风场的 变化，必然引起温、湿度的变化。此外，温、湿度的变化还与大气稳定度及云、 雾、降水等天气现象有着密切的关系。 目前陆地上气象测站分布较广且较为密集，有完整的从地面到高空的天气图， 因此，每天最高气温和最低气温的预报误差一般误差不大。湿度预报的准确率不 高，以大连气象台发布的湿度预报为例，预报湿度为“5 0 1 0 0 ”，对于这样的 预报形式，预报的准确率只能认为不高。 2 6 本章小结 综上所述，各水文气象要素对船舶的航行安全都有不通程度的影响。这其中 风、浪的影响