国内航区气象衡准探讨

冯振玉 浙江欣海船舶设计研究院总工程师

对于船舶完整稳性的计算，在《国内航行海船法定检验技术规则》（以下简称《国内规则》）中有稳性衡准数K的校核，在《2008年国际完整稳性规则》（以下简称《IS规则》）中有气象衡准数K的校核。两部规则对K值的命名不同，正确地说，应叫气象衡准数。因为稳性衡准的参数诸多，它只是其中之一，且与气象条件密切相关。K值大小的决定因素是风压，风压的大小取决于风速，而决定风速大小的又是风级。故气象衡准数的大小，实质上就是反映船舶抵抗自然风级的能力。一般称K=1时为临界气象衡准，此时的抗风能力为气象衡准的最低要求。

两部规则对气象衡准要求的形式不同，对船舶抗风能力的标准也不同。相对而言，在切合实际方面，《IS规则》的标准要优于《国内规则》的标准。现具体分析如下：

气象预报中风级与风速的关系

船舶的抗风能力，应针对气象预报的风级。气象预报是以海平面之上10m高处的平均风速为准，按蒲氏风级进行预报。其风级N、风速V和风压P之间存在着下述关系：

气象预报的风级与风速的关系见表1。

从表1可以看出，每级风的风速大小都有一定的范围，故在预报船舶的可抗风级时，应以可抗某级风的最大风速为准，以便覆盖该级风速的全部范围。例如，对于满足K=1临界衡准时的风速V=28.1m/s，则按28.1m/s在表1的最大风速栏反向插值，求出对应的风级为N=9.9（也可以按公式N=10（lgV+0.0778）/1.5-0.49进行计算）。但预报船舶的抗风等级时，应按气象预报都是整级风的形式，只取N的整数部分。

核算气象衡准时的风压取值

《国内规则》将航区划分为远海、近海、沿海和遮蔽四个航区分别进行风压取值。对于渔船，因为遮蔽航区都在禁渔线之内，不允许渔船作业，故只保留了前三个航区。但不管是交通船还是渔船，其航区风压的取值都是相同的。

表1 气象预报的风级与风速的关系

《IS规则》对风压的取值不分航区，但对于不同的船类取值略有不同。对于商船和船长不小于45m的渔船，其风压取值一律为504Pa。对于船长为24m和45m之间的渔船，其风压依船舶水上侧投影面积中心到水面的高度h不同而变化，也就是考虑了风速梯度系数c的影响。

《IS规则》与《国内规则》计算气象衡准值时，都以距离水面6m高度处的风压为基准，其他高度处的风压系按风速梯度系数c进行修正。对低于6m高度的风压，《国内规则》适用于船长不小于20m的所有船舶；《IS规则》只适用于船长为24m和45m之间的渔船，相当于放宽了校核的标准。两者计算风压取值的对比见表2。

表2中的风速梯度系数c，系指距离水面不同高度处的风速，与距离水面6m高度处的风速之比。这是考虑空气具有粘性，同一时间内在不同高度处的风速不同。从表2所列数据看，《IS规则》与《国内规则》风速梯度系数的取值基本一致。

《IS规则》气象衡准的内容及最低抗风等级

《IS规则》气象衡准的规定是：假定船舶失去动力且处于横风横浪之中，在定常风的作用下，船舶向下风舷横倾了一定的角度，然后在此角度下受波浪的作用共振谐摇。当船舶摇至上风舷最大角度时，刚好受到突然加大的阵风，将船吹向下

风舷产生横倾。用船舶自身抗倾覆能量与这种风浪联合作用倾覆能量的比值K，作为气象衡准数，并规定K≥1。其数学模型见图1，校核的步骤如下：

（1）船舶受到垂直于其中心线的一个定常风压的作用，产生一个定常风倾力臂(lw1)；

（2）假定在波浪作用下，船舶由lw1的平衡角(φ0)向上风一侧最大谐摇至横摇角(φ1)；

（3）然后船舶受到一个阵风风压，产生一个阵风倾侧力臂(lw2)，且lw2=1.5 lw1；

（4）在此情况下，面积“b”应等于或大于面积“a”，即K=b/a≥1。

图1《IS规则》气象衡准

在《IS规则》的数学模型中，设定阵风风压力臂w2与定常风风压力 臂w1之 间 有w2=1.5w1的 关系。由于风压力臂与风压成正比，故阵风的风压P2与定常风的风压P1之间同样存在P2=1.5P1的关系。利用公式（3）V=（P/0.7356）0.5（m/s），可以反推出P2所对应的风速V2，再以V2作为最大风速，反推出可抗的阵风风级。它们之间的对应关系见表3。

表2 《国内规则》与《IS规则》计算风压的对比

表3 《IS规则》规定的风压及其对应阵风的风速与风级

由表3可见，《IS规则》满足临界气象衡准的最小抗风等级为10.9级。若联想发挥一下，当初规则的设定应该是11.0级，有可能是上述公式推导过程中累计的误差所致。

《国内规则》气象衡准的内容及最低抗风等级

《国内规则》气象衡准的规定是：假定船舶失去动力处在横浪之中共振谐摇，当摇到某一舷最大角度时，受到突然吹向另一舷的横向阵风而发生横倾，用船舶自身抗倾覆能量与这种风浪联合作用倾覆能量的比值K，作为气象衡准数，并规定K≥1（其数学模型略）。

按照前述的步骤，同样可以求出《国内规则》临界气象衡准时的最低抗风级别，具体见表4。

表4 《国内规则》临界气象衡准时可抗阵风的风级

由表4可见，《国内规则》满足临界气象衡准的最小抗风等级分别为：远海航区13.3级；近海航区10.8级；沿海航区8.5级。

国内航区气象衡准的讨论

从表3和表4的对比可以看出，就临界气象衡准的最低抗风能力而言，《IS规则》10.9级的标准与《国内规则》三个航区的标准相比，是一低、一高、一持平。即其较远海航区要求的13.3级低了2.4级；较沿海航区要求的8.5级高了2.4级；较近海航区要求的10.8级高0.1级（持平）。根据国内船舶的航线及营运的实际需求，现对国内航区的衡准提出几点意见供讨论：

（1）《IS规则》适用于全球海域的船舶，应该说中国的海域也不属于例外。即使《国内规则》规定的“南海距岸120n mile(台湾岛东海岸、海南岛东海岸及南海岸距岸超越50n mile)”以外的远海航区，其通常海况的恶劣程度总不会超越“好望角”海域和北大西洋冬季的海况。故将国内航行船舶的抗风等级提高并超越了国际航行的船舶，缺乏令人信服的依据。

（2）航区应是指船舶营运作业的海域。船舶往返于各个港口之间，其最佳航线基本上是固定的，在正常情况下，国际营运船舶偏离航线的距离都有一定的范围。对于国内航行的船舶，偏离航线更会有限。即使按现行的航区划分，除去三沙航线极少数的船舶之外，其他船舶的航线都不经过远海航区，即使航向偏离也不会偏到远海航区。故对国内船舶设定的远海航区，实在没有什么意义。如果仅为南沙航线而设，未免过于偏颇。

（3）现在船舶科技如此发达，无线电通信系统如此先进，通过接受气象传真，船舶或停航或绕道或借港避风，完全可以避开暴风的袭击（我国远洋作业的渔船，一直使用《IS规则》的衡准，而从没有遭遇暴风袭击的事故就是例证）。对于国内航行的船舶，更不可能遭遇12级飓风的袭击，将最低抗风级别定到13级以上，显得过分保守，保守会对社会资源造成巨大的浪费。

（4）满足沿海航区气象衡准的绝大部分都是中小型船。从历年统计来看，该类船发生稳性事故的数量最多，特别是小型渔船。为减少中小型船舶的事故概率，提高该类船的稳性标准是很有必要的。

（5）我国船舶现行的航区稳性，应是当年引进前“苏联船舶登记局”的标准而沿用至今。随着半个多世纪船舶科技的进步，对航区衡准的修订同样也是与时俱进的要求。

综上所述，建议修改我国航区稳性的规定，最务实的举措是直接与《IS规则》接轨。务实接轨的好处有三：一是降低了国内船舶抗风等级的拔高要求，能取得巨大的节能效益；二是对沿海航区大量的中小型船舶提高了抗风级别的标准，对减少事故多发提供了更可靠的技术保障；三是与国际衡准接轨统一，具有去粗取精、删繁就简的功效。何乐而不为呢。