北太平洋冬季船舶气象导航与航线设计

北太平洋冬季船舶气象导航与航线设计

象导航和因素由于船舶运输能力的显著提高，相应的长期事故往往会造成重大损失。据统计,这些海难事故中70%是由于气象条件不利造成的,因此了解船舶航线的大气和海洋的环境背景、选择最佳航线已成为安全航行的重要保证。船舶气象导航就是根据大洋气候状况及长、中、短期天气和海况预报、结合船舶性能,为船舶选择最佳航线,并在航行中利用不断更新的天气和海况预报修正航线,指导船舶航行,以在时间最短和损失最小的情况下完成航行。我国气象导航经过近20年的发展,许多学者对导航技术进行了研究探讨。齐桂英对冬季洋面上容易发展的爆发性气旋提出了标准纬度地转调整率定义法。余鹤书、林明智、尹尽勇、黄彬等探讨了航线设计原理并对不同航线做了比较分析。上述工作只从气象要素上讨论了航线的设计,船舶在海洋上航行,海洋的因素和气象因素同样重要。在此基础上,通过对北太平洋冬季(本文选取1月作为冬季的典型代表月)大气和海洋环境背景场的分析,结合气象导航的实例,探讨航线设计。1北太平洋冬季环境的背景1.1图像的条件1.1.1冬季北太平洋增势加强北太平洋海平面气压场分布的季节性变化十分明显,夏季低压控制45°N以北的洋面,副热带高压控制40°N以南的洋面;到了冬季低压系统南压,控制北太平洋30°N以北的洋面,25°N以南则为副热带高压。如图1中所示(NECP40年海平面平均气压场),冬季北太平洋深厚而强大的低压系统为阿留申低压,以阿留申群岛为中心。阿留申低压和阿拉斯加湾低压在冬季会合并形成强大而深厚的低压系统,该系统得以不断维持主要是因为北太平洋西部和中部的低压发展加强或爆发性发展加强移入。阿留申低压从10月开始建立,强度随时间逐渐加强,到翌年1月达到最强,通常持续到3月。它占据了150°E到140°W的洋面,其外围甚至延伸到30°N,跨越整个太平洋的中高纬,其中心强度平均在990hPa以下,在1月最甚时可达930hPa以下。由于阿留申低压势力强大,迫使北太平洋副热带高压偏居在北太平洋的东南洋面,势力较弱,副热带高压通过一条沿25°N伸展的高压脊与太平洋西岸东移入海的冷高压相连,因此在冬季高压主要活跃在25°N以南。1.1.2北太平洋典型天气场北太平洋环流形势的季节变化引起的风场也有明显的季节变化。冬季在北太平洋高纬度即在阿留申群岛以北盛行极地偏东风。东风的风速在阿留申低压中心附近是很强的,其风速平均为10～12m/s。但向北,风速很快减小,白令海最北部平均风速小于8m/s。为船舶航行提供了有利的气候背景。图2给出NECP的40年冬季北太平洋平均风场,从海平面气压场可以得出,受阿留申低压的影响北太平洋的中高纬为西风带,是一个季节性的多大风区域,主要是气旋大风和锋面大风。其中,在38°～42°N、140°E～170°W附近的平均风速在11m/s以上,是北太平洋上风速最大的区域。主要是由于此区域为爆发性气旋发展加强的区域,这里通常是冬季船舶航行的危险海区,因此30°N以北的太平洋在冬季多大风。6级以上大风频率大于40%,8级以上大风频率大于5%。大洋西部盛行西至西北风,大洋东部多为西南风。30°N以北其平均风速9～12m/s,由30°N往南,高压南侧盛行东-东北信风,平均风速为6～8m/s。1.2海洋水文条件1.2.1合成浪向的特征风浪和涌浪是海面上最引人注目的波动。风浪由当地风产生,一直处在风的作用下,海面呈波动状态;涌浪则指海面上由其他海区传来的或当地风力迅速减小、平息或风向改变后海面上留下的波动。冬季北太平洋的风浪受季风控制,盛行浪向与风向基本一致;北太平洋冬季涌浪场的分布特点与风浪场相类似,盛行涌向与这一时期的盛行浪向基本一致。本文讨论风浪和涌浪的合成浪(以下简称浪)。浪的方向与盛行风的方向基本一致,利用国家气象中心T213驱动的WAVE-WATCH3的5年的浪高分布。从图3浪高的分布规律可以看出与平均风速大小分布特征基本一致,即在平均风速大的区域浪也高;从10月开始平均浪高逐月增大,到1月为全年最大。当浪高达6m,即使浪向与船舶航行方向一致,船舶也难以航行,因此对海上浪的方向和浪高是航线设计中要考虑的因素。通常,避开大浪海区是航线中谨慎考虑的问题,尤其当船上的装载物为谷物等,对浪的要求更要慎重。在北太平洋中北部海域,冬季因温带气旋和锋面的频繁活动而多大风(风力≥8级),自然也是一个多大浪的区域。1月在约30°～60°N及其附近,波高小于等于3.5m的大浪的频率达20%～30%以上,其中心的大浪频率达40%以上;波高小于等于6m的波浪(狂涛)频率在5%以上,中心区域的狂涛频率在10%以上。主要浪向为西-西北,与盛行风一致。1.2.2美国海岸洋流是航线设计中考虑的又一个重要因素。北太平洋海流-黑潮延续体是北太平洋西部环流的一个重要组成部分,其北部仍是一个亲潮延续体向亚北极冷水的明显过渡区域。在黑潮延续体向东流动的过程中,支流阿拉斯加海流,转向北上,沿着阿拉斯加海岸流动,另一支加利福尼亚海流,则沿美国海岸向南流动。北太平洋海流和黑潮续流在35°～45°N自西向东流动,强度较强,流速大约100cm/s,形成于鄂霍次克海和白令海的亲潮,在白令海北部从东向西流动,后沿着堪察加半岛和千岛群岛向西南方向流动,在白令海南部和黑潮续流合并向东流动。因此对于北太平洋冬季航线,从洋流上和风场上考虑东行的航行,选择中纬度40°N,利用西风带的顺风和顺流,而西行的航线,如果选择中纬度,则逆风逆流,导致船舶失速(实际航速与性能航速之差),但可以利用白令海北部从东向西的洋流。2北太平洋-太平洋连接计划2.1北太平洋环境背景场航道单一化,西风带未达10通过对北太平洋海域大气和海洋要素的分析,冬季北太平洋航行的船舶在选择航线时,一方面要注意风带气候的地域分布、浪高和浪向的分布特点及洋流的方向,参照气候背景;另一方面要根据当时的大气环流和天气背景,参考短期和中期天气预报,来设计航线,并对航线进行及时的修订。具体地讲,当船舶沿北太平洋中高纬大圆航线东行(即从中国至北太平洋东岸的航线)时,航线应根据短期天气预报信息和大洋风、浪、流等气候特点,特别注意应将起航时间选定在移动性锋面气旋后面的高压区中,避开大风大浪,尽量利用阿留申低压外围环流的西风。在40°N附近,风远离低压中心,风力相对较小,洋流自西向东,因此航行时顺风顺流。同时注意船舶与前后两个气旋保持一定的距离,并特别关注后面的温带气旋是否有爆发性发展的可能性。总之,东行船舶较容易避离狂风恶浪的袭击。冬季当船舶沿北太平洋中高纬大圆航线西行(即从太平洋东岸至中国的航线)时,常规航线一般选择中纬度40°N航行,因为高纬度为阿留申低压系统,要彻底摆脱西风带必须航行在30°N以南的中低纬度,但是中低纬度(30°N)航线的航行距离比中纬度(40°N)多500nmile左右,按照普通船舶平均航速14kn,大约多航行35h。如果选择中纬度,西风带对于西行船只来说是顶风,洋流也是逆流,将导致整个航程中船舶失速较大。根据上述冬季北太平洋环境背景场,在高空环流稳定、无强温带风暴活动的情况下,选择高纬度航线是优选航线,可以利用气旋北侧的偏东顺风和顺流(白令海北部平均风速小于8m/s),但选择高纬度航线一定要参考中短期数值天气预报,船舶以西北方向穿过乌尼马克海峡,在白令海沿气旋东移路径的北侧航行。根据上述风场、浪、流的情况,不仅可以利用白令海北部较小的风、浪,同时沿着堪察加半岛和千岛群岛航行,还可以利用亲潮的顺流,提高船舶航速。而且高纬度大圆航行比中纬度缩短航行距离大约1000多nmile。尤其当高空500hPa形势在在阿拉斯加、白令海一带有缓慢西移阻塞高压时,取北面航线(即航行白令海)更为有利。从海洋气象导航中心20年的气象导航船只中,选取冬季北太平洋加拿大—中国的西行200个航线进行分析比较。高纬度航线为船舶由加拿大起航经乌尼马克海峡,阿图岛北,津轻海峡至中国港;中纬度航线为船舶由加拿大起航经40°N、150°W,津轻海峡至中国港;中低纬度为船舶由加拿大起航采用恒向航法至35°N、150°W附近经大隅海峡回中国。由分析统计结果(表1)看出:①虽然许多船长认为离高纬度的阿留申低压中心较远而选择的中纬度航线(40°N),由于航线处于强西风带,对于向西行驶的船舶是逆风逆流,如果遇到发展的气旋和爆发性气旋,船舶失速很大,达到2kn,按照平均航速14kn,中纬度航线的平均航速只有12kn。从表1的统计结果可以看出,船舶失速很大,会导致航行时间延长73h。如果选择中纬度航线(常规航线)同时还应注意东亚大陆的冷高压活动,若东亚大陆有寒潮或强冷空气爆发,则未来1～3天内在下游的西北太平洋将有气旋爆发性发展,船舶应及早调整航线,避离爆发性气旋。②在高空环流稳定、无强温带风暴活动的情况下,尤其当高空500hPa形势出现在阿拉斯加、白令海一带有缓慢西移阻塞高压时,取北面航线(即航行白令海)更为有利。根据短期天气预报,选择高纬度航线并将启航时间选在阿拉斯加海低压的北侧,利用此低压北侧的偏东顺风,同时在白令海利用气旋北部的顺风和顺流及堪察加半岛和千岛群岛亲潮的顺流。这样高纬度航线不仅在航程上比常规的中纬度和中低纬度少1000nmile左右,而且船舶航行的平均失速仅为0.23kn,大约是中纬度航线的1/10,而顺风率却比中低纬度航线高,大风大浪出现频率均比中纬度航线少。③但是在高空环流不稳定并且有强温带气旋活跃在中纬度时,航线则应选择在中低纬度35°N以南,距离气旋中心大于1000nmile,以避开强风暴天气系统的影响。虽然中低纬度(35°N)比中纬度(40°N)多500nmile,但是中低纬度航线避开了中纬度的强西风带和西北太平洋的爆发性温带气旋区,因此船舶失速较小,大约是中纬度航线失速的1/2。相对于中纬度航线来说航速快,从导航的航程分析可以得出,受大风影响的时间短,不仅弥补了中低纬度距离比中纬度多500nmile的缺点,航行时间反而少于中纬度。2.2远河轮天气背景选取高纬度航线和中纬度航线(船长一般选择中纬度航线,称为常规航线)的个例来做具体分析,两条航线都从温哥华出发,目的港都是大连。高纬度航线选择荣城轮,中纬度选择远河轮,图4和图5给出两轮的航线图和船舶报告气象和海洋实况。荣城轮1998年1月17日离开温哥华,航线为温哥华→乌尼马克(53°N/168°W)→阿图岛北→千岛群岛→津轻海峡→大连(图4)。该轮的性能航速为12kn。当时根据中短期预报在30°～40°N/150°W～170°E海域有2个低气压,如果船舶选择中纬度航行,在航程的大部分时间必然遇到3个低压和强低压区造成的8级以上的大风天气,气象导航考虑选择高纬航线,避开大风区,在白令海是顺风和顺流,同时船出了白令海沿着堪察加半岛和千岛群岛航行,再次利用亲潮的顺流,提高航速。根据船舶报告统计,总航程5096.50nmile,航时16天,其中顺流为11天,全程由于大部分时间顺风顺流,平均航速为13.27kn,航速提高1.3kn。没有遇上16m/s以上大风,3m以上大浪天数也仅为1天(表2,3)。远河轮选择中纬度航线(38°N附近)航行,2004年1月16日由温哥华出发,航线为温哥华→38.4°N/161°W→38.6°N/159°E→37.8°N/144°E→30°N/131°E大连(图5)。该轮的性能航速同样为12kn。沿途受到2个低气压的强烈影响,根据船舶报告统计,总航程5966.7nmile,航时24天,其中逆流为23天,全程由于大部分时间逆风逆流,平均航速为10.07kn,航速失速1.93kn。途中遭遇6级风6天,7～8级风8天,9～10级大风5天(表4,5)。2004年1月18～26日高空500hPa环流形势:白令海附近有缓慢西移阻塞高压,相应地面气压形势,在中部太平洋的低气压路径沿着35°～40°N,向东北偏东方向移动,使大风大浪的位置也出现在此海区。由于远河轮在38°N附近航线上,因此受到2个低气压连续的强烈影响,造成长时间的大风大浪影响。而高纬度则避开大风大浪,利用有利的风浪和流。3措施一:顺流和环流背景下的客流选择(1)冬季,当船舶沿北太平洋中高纬大圆航线向东行驶(即从中国至北太平洋东岸的航线)时,航线应根据短期天气预报信息和大洋风、浪、流等气候特点,特别注意应将起航时间选定在移动性锋面气旋后面的高压区中,避开大风大浪,尽量利用阿留申低压外围环流的西风。同时洋流自西向东,因此航行时顺风顺流。同时注意船舶与前后两个气旋保持一定的距离,并特别关注后面的温带气旋是否有爆发性发展的可能性。(2)冬季温带气旋活动较为频繁,西行船舶选择要慎重,应结合中短期天气预报,密切注视气旋的发展变化,在高空环流稳定并且无强温带风