船舶西風帶布放氣象浮標作業窗口與操縱技術

沈權 趙炎平 汪雷 肖志民

摘要：隨著極地科考、旅游和其他商業行為越來越多，如何確保船舶安全通過西風帶的關鍵因素之一就是獲取準確的天氣預報。盡管世界上絕大部分區域的氣象分析和天氣預報精準度較高，但西風帶是少數預報精度較差的區喊之一。為了提高天氣預報精度，在西風帶布放氣象浮標是必要環節。因此，本文通過介紹“雪龍”號科考船實施我國第一次西風帶布放氣象浮標的作業過程，為其他船舶西風帶作業發現難點并找到解決方案提供經驗。

關鍵詞：西風帶;作業窗口;操縱技術

1作業背景

近年來，在各個政府加大南極洲科學考察的基礎上，由于其特有的地理位置、自然風光和資源豐富等特點，逐漸吸引了更多國家和公司加入到南極洲科學考察和商業開發中來。前往南極洲的主要交通工具為船舶，由于南極洲與其他大陸之間橫亙著南大洋（南緯40°-60°之間稱為“西風帶”），如何保障船舶安全穿越南大洋，順利進入南極洲，成為航行安全亟須解決的問題。

2作業必要性

2.1西風帶可供實測氣象水文數據的陸地資源少，影響氣象預報精度

除了麥夸里島、赫德島和凱爾蓋朗島等幾個島嶼外，廣闊的南大洋上沒有其他適合建立氣象臺的陸地。陸基氣象水文觀測點僅能提供少量的實際觀測數據，無法為氣象預報提供大數據支持。到目前為止，西風帶仍是世界上氣象預報準確性較差的地區之一。

該區域氣象預報精度缺少更多的手段對天氣資料進行實時的觀測和發布，所以布放浮標收集和發布實時天氣數據對特定區域的預報資料進行補充、提升天氣預報的正確性，以便更好地提高氣象預報的準確性，更好地為來往科考船及郵輪提供航行安全保障。

2.2西風帶氣象預報精度影響船舶航行安全

西風帶氣旋的生成、發展以及消亡變化的速度很快，來得快、強度大、路徑變化大，常年平均風力5—6級，海況4-6級為主（浪高5-6m），最大時可達20m以上的驚濤駭浪，被稱為“咆哮西風帶”;再者，該水域氣象預報精度較差，對于穿越南大洋的船舶，如果選擇穿越和作業的時間窗口有較大的偏差，將會面臨較大的航行安全風險。

因此，布放氣象浮標收集和發布實時天氣數據對南大洋的預報資料進行補充、提升天氣預報的正確性，以便更好地提高氣象預報的準確性，更好地為穿越西風帶或在西風帶作業的船舶提供航行安全保障。

3作業難點

3.1作業窗口少，時間短

根據歷年氣象資料統計得知，西風帶出現滿足氣象浮標布放條件的海況占比約為5%，作業窗口非常少。即使出現了窗口期，窗口時間也比較少。如何在這樣的環境中找到適合作業的窗口（2-3級海況下方可進行浮標的布放），是完成本次作業的先決條件，也是南大洋進行浮標布放面臨最大的困難。

3.2航次計劃受氣象條件約束大

氣象浮標布放作業站位于53°S、176°E附近，新西蘭基督城至該作業站約580n mile。航次計劃需要充分考慮如何在前后兩個氣旋的影響下找到一條航線，快速進入西風帶，按時抵達預定位置，為浮標布放和繼續穿越西風帶爭取較長的窗口時間。

3.3

非專業船舶布放

“雪龍”號船不是浮標專用布放船，浮標布放專用設備較少，船員相關操作經驗不足，也是本次作業的難點之一。

4作業窗口的選擇與驗證

4.1作業窗口選擇

根據2018年12月30日的氣壓場實況分析圖（見圖1），本次從新西蘭穿越西風帶和布放浮標主要是受到1和2號氣旋影響。1號氣旋（中心強度974hPa）在新西蘭南部海域自西東移，2號強氣旋（中心強度965hPa），當前位于100°E左右，未來將快速東移。浮標作業站位（簡稱A點）天氣和海浪預測表明，A點受到1號氣旋的涌浪影響，之后涌浪減小，2號氣旋影響之前，A點最好風浪環境為風力4-5級、波高2-2.5m，預計時間2019年1月1日15：00-19：00。第二個因素是“雪龍”號需在1日15：00前到達A，此時新西蘭東南海域正受到1號氣旋的影響，若想在浮標作業窗口前到達A作業站，“雪龍”號需要2018年12月30日起航沿1號低壓后部的4m涌浪南下。根據以上分析，“雪龍”船出發時間由原定31日20：00離港提前到30日22：00，為后續穿越和布放浮標打下基礎。

等值線波高、矢量分別代表風速（灰色）、涌向（紅色），1號低壓引起的涌浪減弱到2 m，2號低壓（965hPa）最大涌浪6-8m位于50°S、70°E附近;紅旗為“雪龍”號1日實際船位，藍旗為“雪龍”號2日計劃船位。

4.2作業窗口驗證

根據西風帶氣象窗口，“雪龍”號于2018年12月30日22：00沿1號低壓大涌浪后部南下，順利在1月1日下午抵達浮標布放地點（海浪預報見圖2），并成功進行了西風帶海洋環境監測浮標的布放，實時海洋氣象資料表明涌浪在2 m左右，為此次西風帶穿越中最好海況。1月1日完成西風帶浮標布放后，“雪龍”號陜速直接南下。受2號氣旋鋒面的影響，1日夜間，航路風力增大到7級，涌浪波高增大到3m，并持續1天時間。1月2日晚，“雪龍”號到達60°S，成功完成西風帶穿越。1月3日，在2號氣旋影響下，浮標作業點的有效波高最大為10m，見圖3。

5作業中船舶操縱技術

5.1浮標結構及特點

浮標由浮標體、監測與數據采集系統、數據傳輸系統、供電系統、安全防護系統和錨泊系統等組成，實現數據的自動采集、存儲、傳輸等功能，見圖4。根據預定站位4000-4500m水深情況，錨泊系統選用適用于水深3000-5000m的錨系結構，配置尼龍繩1500m l段，1000m 4段，500m 1段，70m錨鏈和1.5t抓力錨，以滿足倒S型錨系形式的需求。

5.2布放方案

5.2.1布放原則

本次浮標作業中，根據浮標特點和海區水深情況，采取“先標后錨”方法，即先將浮標體吊放到水中，浮標體隨風、水流或操作母船遠離作業船，再布放錨泊系統6000m纜繩，最后布放沉底錨鏈和抓力錨。浮標體和纜繩從中甲板下水，錨泊用的錨鏈和抓力錨從船艉入水。

5.2.2布放程序

準備工作完成后，氣象浮標布放程序主要分為4個階段，分別為：

程序1：船舶穩住后，吊起浮標，通過止蕩繩防止浮標擺動，待浮標接近水面后，釋放脫鉤器，浮標脫鉤入水，回收止蕩回頭繩，浮標遠離至船艉，如圖5所示。

程序2：纜繩通過艉部A架入水，根據船速調節牽引纜繩的速度，避免纜繩打結或張力過大。釋放纜繩過程中，利用繞羊角方式暫停纜繩下放，保證纜繩連接所需的時間，如圖6所示。

程序3：待剩下約200m纜繩時，暫停施放纜繩，纜繩末端接頭與錨鏈連接。完成后，繼續下放纜繩。完成全部纜繩下放后，尾甲板人員將50m錨鏈和錨通過A架和絞車將錨鏈全部下放入水。錨鏈入水后，錨鏈脫鉤，完成錨系入水，如圖7所示。

6結論與展望

通過本次作業，作者認為西風帶作業應該關注以下幾點：

（1）作業窗口的合理選擇是關鍵。西風帶適合作業的天氣概率只有5%，如何做好航次計劃，順利到達指定位置是關鍵。

（2）作業期間控制艏向和速度是基礎。2 m的海浪已經是非常好的天氣海況，但涌浪較長，如何穩住船艏并控制好船速，是氣象浮標布放作業的核心。

（3）盡量減輕錨系布放對浮標的沖擊力。錨系入水前，操縱船舶轉向前往浮標點，縮短船舶與浮標之間的距離可有效避免錨系下沉過程中對浮標的沖擊。

這是我國第一次西風帶氣象浮標布放作業，為更多船舶在西風帶作業探索了路徑，提供了可行性參考。