长江航道江苏段风灾事故分析

2020-07-06张振东田小毅白静漪汪玲玲

干旱气象 2020年3期

张振东，田小毅，黄亮，白静漪，汪玲玲

(江苏省气象服务中心，江苏南京 210008)

引言

由于风向的不固定性和风的阵性变化使其成为水上、航空、公路和铁路运输的重要危险因子之一。国内外早期通过分析风对车辆的影响来研究评估大风条件下车辆的安全性能，研究表明大风除了会对车辆稳定性造成影响外[1-3]，还直接与车辆事故有关[4]。由于船舶行驶的特殊性，在行驶过程中风力和风向的变化更易造成影响。特别是当风向垂直于船体时易出现横风，会造成船舶保向困难和横漂，导致碰撞、沉船、进水等事故发生[5-6]。SPYROU等[7]使用Melnikov方法评估横风条件下船舶倾覆的临界值，并将大量船舶几乎对称和强烈不对称性晃动时的观测记录与数值模拟的结果进行对比，发现数值模拟的准确率较高。之后有研究尝试采用先进的概率计算方法，引入耦合了横摇和横摆的非线性方程，分析横风对内河集装箱船的影响，发现之前简化的方法对其危害性估计过高[8]。国内相关研究起步较晚，刘成晔等[2]建立不同等级强横风和不同车速条件下的轿车参数模型，发现各级强横风对车辆运行均具有较大影响。解以杨等[9]通过调查黄渤海船舶事故，建立了大风浪条件下船舶风险等级标准。以往对强横风风灾事故的研究多集中于陆上交通，但横风对内河航运的影响研究较少。另外，研究多集中在风力对船舶受力、运行变化的探讨，较少讨论横风的季节变化、时空分布以及风力经过水面时的变性作用对航运的影响。

长江航道江苏段作为国内重要的内河航运通道，为江苏发展创造了优越的运输通道。但由于长江江苏段航道弯曲多变，水流湍急，入海处还受到潮汐影响，同时江面宽阔，风经过江面时有充足的变性时间，对船舶水上安全运行造成严重影响。本文对近年来长江航道江苏段大风观测资料和船舶事故资料进行分析，揭示大风时空变化与风灾事故发生的内在联系，以期为航道管理提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

利用江苏省海事局提供的长江江苏段2015—2017年险情明细表中长江航道事故数据，依据表中记载的事故辖区和遇险时间，提取2015—2017年该沿线21个自动气象站实测资料，包括温度、阵风风速和风向、10 min风速和风向等数据，形成长江航道事故信息库。

1.2 方法

1.2.1 强风定义

根据我国内河水上交通管理规定，发布临近预报的风速指标为阵风风速达8～10 m·s-1。在实际业务中，对长江航道江苏段水上交通气象预警服务时，采用极大风速(某个时段内出现的最大3 s平均风速值)，参考江苏省海事局要求，即当江面风速达8 m·s-1以上，阵风风速达10.8 m·s-1以上时发布临近预警。因此本文将极大风速大于等于8 m·s-1风定义为强风，当监测站出现8 m·s-1及以上极大风速时记为一个强风日。

1.2.2 强横风范围的确定

相同的风速因为风向与船舶航向的不同所造成的影响也不同，当风以45°～130°作用于船体时，对航行影响最大[10]。强横风是满足上述极大风速条件且风向属于横风范围的风，强横风对于水上船舶的安全影响尤为明显。刘菡等[11]将横风范围定义为：以航道走向的垂直线为轴，左右各60°，即风向与航道夹角为30°～150°范围，航道两侧相同，合计共240°，航道走向是自动气象站所在的局地航段切线方向。

根据各个站点所在航道走向，先确定各站点航向与正北方向夹角，再依据定义的横风范围，可得到各站点的横风风向范围。图1为有事故记载的21个自动气象站点分布。

图1 长江航道江苏段有事故记载的自动气象站点分布Fig.1 The distribution of automatic meteorological stations with wind disaster accidents in Jiangsu section of the Yangtze River waterway

1.3 风压计算

风对船舶的影响主要为船舶平面上受到的风压力，风压是垂直于气流方向上单位面积所受到的风的压力。由伯努利方程可得到风压计算公式如下[12]：

(1)

式中：Wp(kN·m-2)为风压；ρ(kg·m-3)为空气密度；V(m·s-1)为风速。将空气重度γ(kN·m-3)和空气密度ρ的关系式γ=ρg代入(1)式得：

(2)

在标准状态下可以推导出风压的通用公式：

(3)

根据江苏省平均海拔高度和所处纬度(31°N—35°N)，年平均气压P=1005 hPa，引入订正系数θ计算风压：

(4)

订正系数θ(kg·m-3)，需要考虑空气密度ρ，得到相应温度订正、气压订正、高程订正以及纬度和高度上的重力加速度订正。其中空气密度ρ在静力平衡状态下可得：

(5)

公式(5)可以通过同一地点、高度，气压变化时空气密度也随之变化推算出空气密度。根据标准状态P=1013.25 hPa时，ρ=0.00 125 kg·m-3，可求出当P=1000 hPa时，ρ=0.001 234 kg·m-3。

再根据大气密度随高度变化规律[13]：

(6)

式中：z为长江沿线自动气象站观测高度，约为3 m；z0为均质大气厚度(约8000 m)；ρ0(kg·m-3)为参考状态下大气密度；由此可计算出观测站所在高度ρz(约0.001 233 kg·m-3)。在考虑重力加速度和空气密度的综合影响后可得θ=0.986。

横风分量V0(m·s-1)为垂直于船舶长轴的风速[14]：

V0=VsinA

(7)

式中：A为船舶长轴与风向的夹角，则风压公式可表示为：

(8)

2 结果分析

2.1 风灾事故与强风的季节分布

长江水道江苏段出现大风往往与天气过程有关，而不同季节的天气过程也不同。图2为2015—2017年长江航道江苏段不同季节强风、强横风和风灾事故发生频率。可以看出，强风和强横风夏、秋两季发生频率低，冬、春两季发生频率高，其中春、夏两季强横风和强风发生频率相差最大分别可达14.7%和11.2%。事故发生频率夏、秋、冬季基本一致，春季明显较高，比秋季高19.0%。主要是因为江苏春季冷空气活动频繁与西南暖湿气流结合产生扰动形成江淮气旋，气旋过境时出现大风天气。同时春季冷暖气流交汇易出现对流性大风，当不稳定能量充足时甚至出现飑线、龙卷等局地强对流大风。而这些天气系统移速快，局地性强，提前预报和预警难度大，经过江面时容易造成风灾事故，因此春季是大风预报预警的重要季节。

冬季也是强风和强横风多发季节，均占全年28.0%。这是因为11月至次年2月是江苏地区冷空气南下高峰期，易形成大风。每当较强冷空气南下时就会伴随一次大风过程，风力强度一般为6～8级，由于冬季大风过程容易提前预报，长江航运和汽渡公司常采取停航和锚泊避风等措施以减少事故发生，因此冬季水上事故发生频率较低。

夏季和秋季的强风和强横风主要源于强对流天气和台风天气过程。2015—2017年，江苏受台风或强热带气旋直接或外围气流影响次数较少，其中2015年2次，2016和2017年没有明显台风或热带气旋影响，因此夏季和秋季的强风和强横风发生频率较低。

图2 2015—2017年长江航道江苏段不同季节强风、强横风和风灾事故发生频率Fig.2 Frequency of strong breeze, strong cross wind and wind disaster accidents in Jiangsu section of the Yangtze River waterway in different seasons during 2015-2017

2.2 风灾事故与强风的日变化

图3为2015—2017年长江航道江苏段不同季节强风、强横风发生频率及风灾事故发生频率的日变化。可以看出，四季强风和强横风发生频率最高的时间段均在13:00—15:00，即午后是强风和强横风的高发时间。对比风灾事故发生时间段来看，风灾事故发生频率从12:00起显著升高，15:00达到峰值，随后逐渐下降，至18:00出现次峰值，随后下降。即风灾事故频率呈双峰型分布，峰值分别与春、夏季强风和强横风峰值对应，说明春夏两季强风和强横风对风灾事故贡献明显。其原因主要是白天日出之后，辐射逐渐增强，不稳定能量逐渐积累，湍流交换增强，在午后达到最大，随着高层动量下传，地面风速也逐渐增大。同时午后是对流性天气的高发期，易出现雷雨大风天气，因此需要重点关注春、夏季午后大风对船舶航行安全的影响。

不同季节强风和强横风日变化特征也有所不同，冬季强风变化幅度较小，峰值与谷值相差最小为3.7%，上半夜强风发生频率高于下半夜，冬季强横风变化与强风相似；秋季强风和强横风昼夜变化幅度比冬季更大；春季强风和强横风峰值出现时间最晚为15:00，随后快速下降；夏季强风峰、谷值相差6.9%，强横风相差6.3%，皆为一年中变化幅度最大，同时下午至上半夜出现强风和强横风的频率高于其他三个季节，这与夏季对流性大风集中出现在午后至上半夜有关。

2.3 不同航段风灾事故与强风变化

长江航道江苏段虽然位于平原地区，但各航段之间所处地理环境有差异，因此强风和强横风出现特征也不同，因此将航道根据海拔高度和地形起伏进行划分，其中西段为江宁海事站至丰乐桥站(共8站)，航道主要位于丘陵地带，两岸地形起伏明显；中段为高港站至张家港站(共6站)，这一段是丘陵地带逐渐向平原地区延伸，多出现起伏较低的地形；东段从一干河站至南通搜救站(共7站)，主要为平原地区，没有明显起伏。

图4为长江航道江苏段沿线不同站点强横风频率与风灾事故发生频率。可以看出，所有站点的强横风平均发生频率为56.7%，其中双山水厂站横风发生频率最高(95.3%)，当出现大风时基本以强横风形式影响船体，这段对长江水上运输具有很大危险性。

风灾事故发生频率峰值出现在华能电厂站(14.3%)和双山水厂站(12.6%)，与之对应的强横风发生频率分别为73.2%和95.3%。从各站点平均强横风发生频率看，东段(5.7%)>中段(5.2%)>西段(3.6%)，强风同样东段(6.3%)>中段(4.7%)>西段(3.5%)(图略)。这种现象与不同航段所处地理环境有关，航道东段位于长江入海口，江面比其他航道宽，其局地海陆风和盛行风的叠加作用明显，再加上所处平原地区，风被摩擦削弱的程度较小，因此出现大风概率大大增加。同时东段在夏、秋两季受热带气旋影响明显，即使没有台风正面登陆但受外围影响也会造成明显大风天气。另外从东段园博园站至中段韭菜港站，有明显的一侧浅滩一侧深槽特征。据海事局调研发现这种情况会造成急流和紊流现象，加之易出现横风天气，对船舶的航行非常不利，因此这段航道的事故也明显多发。航道中段周边地形也以平原为主，同时南部有太湖，使得无论是冬季冷空气南下还是春季江淮气旋都易造成江面大风。

图3 2015—2017年长江航道江苏段不同季节强风(a)、强横风(b)和风灾事故发生频率的日变化Fig.3 The diurnal variation of frequency of strong breeze (a), strong cross wind (b) in different seasons and wind disaster accidents frequency in Jiangsu section of the Yangtze River waterway during 2015-2017

图4 2015—2017年长江航道江苏段不同站点风灾事故和强横风发生频率Fig.4 The frequency of wind disaster accidents and strong cross wind at different stations in Jiangsu section of the Yangtze River waterway during 2015-2017

2.4 长江航道事故风压特征

船舶受风压影响主要来自于垂直船舶平面的大气压强，当作用于移动的船舶时，瞬时强风更易造成倾斜或者倾覆，因此需要通过计算作用于船舶的风压来表征船体受大风的影响程度。瞬时风速对于航行船舶的影响更加明显[11]，因此计算风压时采用瞬时风速计算风压。

考虑不同等级风压对船舶造成的影响不同，根据危害程度、影响范围和发生频率对风压进行分级，0120 N·m-25个等级，分别对应危害程度较小、危害程度一般、危害程度较大、危害程度重大、危害程度特别重大。对风灾事故的风压进行统计(图略)，其中危害程度较大等级占40.9%，而且全部为横风造成的事故，由此看出在风压大于40 N·m-2时需要重点关注江面船舶行驶安全。图5为2015—2017年长江航道江苏段不同站点风压在40 N·m-2以上的频率分布，可以看出，中东段发生频率较高，西段发生频率相对较低。

图5 2015—2017年长江航道江苏段不同站点风压超过40 N·m-2的发生频率Fig.5 The frequency of wind pressure more than 40 N·m-2 at different stations in Jiangsu section of the Yangtze River waterway during 2015-2017

2.5 风速瞬时增强对船舶的影响

风速的突然增大会造成长江航道船舶稳定难以及时调整，特别是出现突然增大的横风时，瞬时风压将严重影响水上行驶安全。将风速的瞬时增强定义为事故发生前1 h内最大瞬时风速比最大10 min平均风速大2个等级，认为事故发生时风速有瞬时增强。统计风灾事故发现风速瞬时增强事件占总数的58.7%，风速平均增量为4.2 m·s-1。其中2015年“江夏荣”轮在与“明启”轮碰撞时风速增量为9.5 m·s-1，风级相差3级，瞬时风压增加76.1 N·m-2，造成重大人员伤亡。对比风灾事故中稳定大风和瞬时增强大风(表1)发现，瞬时风力增大将造成风压明显增强，而在风力突然增强的事故中有72.9%为横风，平均风压增加量为24.7 N·m-2，可见瞬时横风增强对水上安全会造成严重影响。瞬时增强大风春、夏两季最多，均为30.5%，其次是秋季(25%)，这是因为春、夏季多出现对流性大风天气，高低空层结不稳定，常伴随有风力突然增大现象。

表1 2015—2017年长江航道江苏段瞬时增强大风和稳定大风对比Tab.1 Contrast of instantaneous enhanced strong breeze with stable strong breeze in Jiangsu section of the Yangtze River waterway during 2015-2017

2.6 大风标准化指数计算与分析

通过对长江航道江苏段2015—2017年风灾事故及大风发生频率统计发现，以往经验中只用风力等级作为大风危险性评价有所不足，大风的危险性评估需要通过多个参量进行综合衡量。同时随着精细化预报要求越来越高，对长江航道危险性预报也同样需要考虑这一点。为合理评估长江航道江苏段气象条件标准化的大风危险性，利用统计的风力影响范围、日变化特征、风压及风力是否瞬时增强作为参数，建立长江航道江苏段气象条件标准化的大风危险性指数(WFI)，计算公式如下：

(1+T)×Coef

(9)

式中：R(%)为大风影响航道的百分比，即大风覆盖率；Ws为大风的权重系数，依据风压等级，危害程度较小为1、危害程度一般为2、危害程度较大为3、危害程度重大为4、危害程度特别重大为5；Fi(%)为i时刻的强风发生频率，i为某时刻(i=1,2,3，…，n)；T为是否有大风瞬时增强，是为1，否为0；Coef为归一化系数，其值取0.25。利用WFI可客观评价大风过程对长江航道江苏段的危险性。

为评估WFI的合理性，利用Spearman秩相关系数法，将WFI值和大风日数分别与风灾事故进行相关分析，得到相关系数分别为0.83和0.67，同时两组显著性P<0.01(即通过α=0.05的显著性检验)。说明WFI值和大风日数均与风灾事故呈正相关性，但WFI与风灾事故的相关性更好，比单纯利用大风日数来判断危险性更合理。

2.7 江面风速的变化

由于江苏段航道呈东宽西窄特征，当气流经过水域时，由于陆上和水面物理性质差异，气流中湿度、温度及风速都会发生变化，随着气流受下垫面影响，各气象要素会产生变性[15]，因此江面大风对船舶的影响不仅仅是沿江气象站所测得的实际风速大小，因此利用傅抱璞[15]研究结果来讨论气流通过江面时的风速变化规律。气流从陆上进入水域后，由于下垫面摩擦阻力减小，风速有增大过程，但随着水面阻力和其他力趋于平衡，风速变化趋于一个常值，根据周叶芳[16]研究结果，长江江面风速与气流经过江面时间的经验关系为：

(10)

式中：Vl(m·s-1)为气流进入江面前的风速；Vs(m·s-1)为江面风速；t(s)为气流经过江面的时间；a、b、c均为和水域性质相关的常数，其主要与水陆大气层结的差异和江面附近陆地下垫面粗糙度有关。

根据实验建立如下经验公式：

(1)陆上层结稳定时

(11)

(2)陆上层结不稳定时

(12)

图6 2015—2017年长江航道江苏段4种陆上条件下Vl与Vs的对应关系Fig.6 The relationship between Vl and Vs under the four land conditions in Jiangsu section of the Yangtze River waterway during 2015-2017

在此基础上，对2015—2017年大风进行重新计算，根据自动气象站点位置和所测风向判断大风已经经过江面还是将要进入江面。对于未进入江面的风可根据陆上层结稳定性判断并利用经验公式对所测风速进行修正，计算最大可能风速的风压。而对于经过江面的风，由于长江江苏段江面较宽，气流经过江面后基本已到达最大值，因此所测风速可作为实际风速最大值。经过对比，冬季江面最大可能变性风压比初始风压平均大149%，而夏季江面最大可能变性风压比初始风压大36.6%，由此可见冬季江面大风经过变性后对船舶的影响更大，需要重点关注。