國際國內氣象衡準的抗風等級

馮振玉 浙江欣海船舶設計研究院 總工程師

《2008年國際完整穩性規則》（以下簡稱《IS規則》）與《國內航行海船法定檢驗技術規則》（以下簡稱《國內規則》）對船舶氣象衡準的要求有所不同。在《IS規則》中，氣象衡準并沒有航區的劃分，其臨界衡準數對應的極限抗風能力，應是唯一的。而《國內規則》氣象衡準歷來都按三種類型的航區分別進行要求，每類航區的臨界衡準都對應著不同的極限抗風能力（其具體數值見表3）。但在《國內規則》完整穩性的1.1.2又同時規定，如果滿足《IS規則》的穩性要求，對遠海航區的大部分船舶也可以等效認可。這種等效認可為什么避開近海和沿海航區？各種臨界氣象衡準的極限抗風能力，究竟相差多少？以下就來分析《IS規則》臨界氣象衡準的極限抗風能力，并與《國內規則》的衡準進行類比。

《IS規則》氣象衡準的數學模型

《IS規則》氣象衡準的數學模型如圖1所示，其物理意義是：船舶失去控制并處在橫風橫浪的狀態下進行諧搖。其中，受定常風（風壓力臂lw1）的作用，船舶會向下風舷橫傾一個φ0角來與定常風壓保持平衡；另受波浪的作用，船舶會以φ0角為中心左右橫搖。當船舶自平衡角φ0向上風舷搖至最大角度φ1即將回搖時，恰巧受到一陣突風（風壓力臂lw2=1.5lw1）吹向下風舷，此時，用船舶的抵抗傾覆能量b與風浪聯合作用下的傾覆能量a之比K=b/a，來衡量船舶抵抗風浪的能力，并稱K為“氣象衡準數”。其中a和b分別為標注在圖1中劃有不同方向斜線區域的面積。

在該數學模型中所謂的一陣突風，相對于天氣預報來說，應是指最大風力的陣風。

天氣預報中風級與風速的關系

天氣預報的風級與風速對應的范圍，以及全發展海況所需的時間和波高的關系見表1，其中，風級與風速兩者之間的關系為：

式中：N—蒲氏風級；

V—距離海平面10m高處的平均風速，m/s 。

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。

圖1 突風與橫搖

表1 天氣預報的風級、風速以及全發展海況所需的時間和波高

規則中風壓與風速的關系

規則中風壓與風速的關系為：

式中：P—風壓，kg/m2；

CS—船舶形狀修正系數，一般取CS=1.2；

ρ—空氣的質量密度，取15℃的ρ=0.1251 kg.s2/m4；

V—風速，m/s 。

將確定的參數值代入，并按1kg=9.8N更換風壓單位，上述關系式可以簡化成：

《IS規則》所設定的風壓

在該規則中設定的定常風壓，分成固定值與可變值兩大類：具體數值見表2的P1。

在《IS規則》的數學模型中，設定陣風風壓力臂lw2與定常風風壓力臂lw1之間有lw2=1.5lw1的關系。由于風壓力臂與風壓成正比，陣風風壓P2與定常風風壓P1之間的關系同樣是P2=1.5P1。再利用公式（3），可以反推出設定陣風風壓P2所對應的風速V，其結果見表2。

《IS規則》氣象衡準抗風能力的預報

一是按K=1進行臨界預報。剛好滿足K=1時稱為臨界氣象衡準，臨界衡準所對應的風級為極限風級，按極限風級預報抗風能力應是無可挑剔的。因為既然其數學模型規定允許K=1，按允許值解析出的答案進行預報也是理所當然的。況且，在《IS規則》序言第3條已經明確指明：“在制定本規則時，已基于最新技術和知識考慮到一系列的影響，諸如‘癱船’狀態、對受風面積大的船舶的風力影響、橫搖特征、惡劣海況等”。意即該數學模型中已經考慮了若干不利因素的影響，故按其解析的答案進行預報應是科學可信的，不必另行多慮。

從表2中P2對應的極限風級N可以看出，滿足《IS規則》臨界氣象衡準的船舶，至少可以抗陣風10級（只能取整，因天氣預報的風級只有整數）。對于船長小于45m的漁船，風壓取值的變化是按實際情況考慮了風速梯度變化后的放寬。即距離海平面6m以下時，考慮了空氣的粘性阻力，風速隨高度的不同而呈現梯度性的變化。至于表列中的N低于10.9的各個風級，是規則設定風壓所對應風速的風級，即考慮風速梯度變化后的相當風級。若反過來換算成天氣預報的風速，同樣對應的也是陣風10級。

表2 《IS規則》對船長不小于24m船舶設定的風壓及其對應陣風的風速與風級

二是按K＞1的實況進行預報。當K＞1時，表明船舶可抗的風級“有可能”超過了《IS規則》設定風壓的風級。之所以說“有可能”超過，是因為《IS規則》尚有對平衡角φ0的限制，該φ0又與船型的特點及風級的風速密切相關。只有當各項限制全部滿足時，才能確定其可抗的風級，具體應按下述步驟確定：

（1）在K值最小裝載工況的突風與橫搖圖（見圖1）上，調整lw2逐步增大，使b和a的面積相等或者使φ0達到限定值（兩者以先到者為準）。該逐步調整的原則是：φ1應保持不變；lw1同步調整并保持lw1=lw2/1.5；φ0隨著lw1的增加而增加；當φ0達到限定值（取甲板邊緣浸水角的80%與16°中的較小者）時或者當b和a的面積相等時，調整lw2的工作即行結束。

（2）量取調整結束時陣風的風傾力臂lw2（m）；

（3）計算陣風的風壓

式中：Δ—排水量，t；A—水線以上受風面積之和，m2；Z—受風面積中心至平均吃水一半處的距離，m；

（4）用公式（3）計算陣風的風速：VW2=（PW2/0.7356）0.5（m/s）；

（5）在表1的最大風速中，插值出VW2所對應的陣風風級NW2；

（6）將插值出的風級NW2，舍去小數部分，即可預報為該船K＞1的可抗陣風的風級。

《IS規則》與《國內規則》臨界氣象衡準可抗風級的對比

按照前述的步驟，同樣可以求出《國內規則》臨界氣象衡準的極限抗風級別，其與《IS規則》臨界氣象衡準的極限抗風級別對比見表3：

從表3可以看出，就臨界氣象衡準的極限抗風能力而言，《IS規則》與《國內規則》的三個航區相比，是一低、一高、一持平：即其較國內遠海航區要求低，風速低了10.7m/s、風級低了2.4級；其較國內沿海航區要求高，風速高了9.8m/s、風級高了2.4級；其較國內近海航區基本持平，風速高0.5m/s、風級高0.1級。

由此可以推斷，前述《國內規則》1.1.2“對遠海航區某些船舶若符合《IS規則》可以等效認可其完整穩性”的規定，實質上是對遠航航區氣象衡準的一種放寬，比較務實地考慮了遠海航區常見的營運工況，以降低過高的風級要求。所謂務實，一是國內航行船舶的航線距岸有限，只有極少數的船只涉及到規則所規定的遠海航區；二是憑借現在的綜合科技手段，完全可以保障國內航行的船舶不會遭遇到遠海航區暴風的襲擊。

如果再大膽一點，《國內規則》直接引用《IS規則》的穩性衡準，肯定是更令人稱贊的務實。一般而言，能夠滿足國際航行要求的船舶，國內航行應該沒有問題，國內標準目前還不宜超越國際標準，因國內自身的技術條件還說不清楚。若如此務實好處有三：一是降低了對船舶風壓的拔高要求（海南島東、南的遠海航區，包括臺灣以東海域，其惡劣天氣狀況不會超過南太平洋和北大西洋），明顯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標準，對減少多發事故的船舶提供了更可靠的技術保障；三是去繁從簡，統一了衡準。何樂而不為呢。

表3 《IS規則》與《國內規則》臨界氣象衡準時可抗陣風的風級

特別提示

盡管船舶的氣象衡準只與風力有關，而波浪力只與結構強度有關，但必須明確指出，船長必須依據本船的特點和具體尺度來靈活地應對所在航區的浪高，這個道理應是極其淺顯的。另外，氣象衡準數的大小，并不代表船舶安全系數的高低。在惡劣的海況下，船舶的安全往往取決于船長的航海技藝。為此，《IS規則》里明確地寫有警示：“符合穩性衡準并不保證船舶由于忽視周圍環境而傾覆或免除船長的責任。因此，船長應謹慎從事，掌握良好的航海技術，密切注意季節、天氣預報和航行區域，根據周圍環境，適當調整航速和航向”。并在第5章的規定中，詳細地闡述了防止船舶傾覆的操作要領。同樣，《國內規則》也有“船舶穩性計算雖已符合本章的要求，但船長仍應注意船舶裝載和氣象、海況等情況，謹慎駕駛和操作。在船舶遭遇特殊情況或緊急情況而采取應變措施時，應注意船舶的穩性，防止發生傾覆的危險”的警示性規定。對規則的相關規定，不僅船長需要牢記，船舶專業人員也都應有清醒的認識，既不能忽視航行的海況，也不能隨意拔高船舶的氣象衡準，要兼顧船舶營運效能和船舶設計能效的要求，共同提高船舶的能效指數。