国际国内气象衡准的抗风等级

冯振玉 浙江欣海船舶设计研究院 总工程师

《2008年国际完整稳性规则》（以下简称《IS规则》）与《国内航行海船法定检验技术规则》（以下简称《国内规则》）对船舶气象衡准的要求有所不同。在《IS规则》中，气象衡准并没有航区的划分，其临界衡准数对应的极限抗风能力，应是唯一的。而《国内规则》气象衡准历来都按三种类型的航区分别进行要求，每类航区的临界衡准都对应着不同的极限抗风能力（其具体数值见表3）。但在《国内规则》完整稳性的1.1.2又同时规定，如果满足《IS规则》的稳性要求，对远海航区的大部分船舶也可以等效认可。这种等效认可为什么避开近海和沿海航区？各种临界气象衡准的极限抗风能力，究竟相差多少？以下就来分析《IS规则》临界气象衡准的极限抗风能力，并与《国内规则》的衡准进行类比。

《IS规则》气象衡准的数学模型

《IS规则》气象衡准的数学模型如图1所示，其物理意义是：船舶失去控制并处在横风横浪的状态下进行谐摇。其中，受定常风（风压力臂lw1）的作用，船舶会向下风舷横倾一个φ0角来与定常风压保持平衡；另受波浪的作用，船舶会以φ0角为中心左右横摇。当船舶自平衡角φ0向上风舷摇至最大角度φ1即将回摇时，恰巧受到一阵突风（风压力臂lw2=1.5lw1）吹向下风舷，此时，用船舶的抵抗倾覆能量b与风浪联合作用下的倾覆能量a之比K=b/a，来衡量船舶抵抗风浪的能力，并称K为“气象衡准数”。其中a和b分别为标注在图1中划有不同方向斜线区域的面积。

在该数学模型中所谓的一阵突风，相对于天气预报来说，应是指最大风力的阵风。

天气预报中风级与风速的关系

天气预报的风级与风速对应的范围，以及全发展海况所需的时间和波高的关系见表1，其中，风级与风速两者之间的关系为：

式中：N—蒲氏风级；

V—距离海平面10m高处的平均风速，m/s 。

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。

图1 突风与横摇

表1 天气预报的风级、风速以及全发展海况所需的时间和波高

规则中风压与风速的关系

规则中风压与风速的关系为：

式中：P—风压，kg/m2；

CS—船舶形状修正系数，一般取CS=1.2；

ρ—空气的质量密度，取15℃的ρ=0.1251 kg.s2/m4；

V—风速，m/s 。

将确定的参数值代入，并按1kg=9.8N更换风压单位，上述关系式可以简化成：

《IS规则》所设定的风压

在该规则中设定的定常风压，分成固定值与可变值两大类：具体数值见表2的P1。

在《IS规则》的数学模型中，设定阵风风压力臂lw2与定常风风压力臂lw1之间有lw2=1.5lw1的关系。由于风压力臂与风压成正比，阵风风压P2与定常风风压P1之间的关系同样是P2=1.5P1。再利用公式（3），可以反推出设定阵风风压P2所对应的风速V，其结果见表2。

《IS规则》气象衡准抗风能力的预报

一是按K=1进行临界预报。刚好满足K=1时称为临界气象衡准，临界衡准所对应的风级为极限风级，按极限风级预报抗风能力应是无可挑剔的。因为既然其数学模型规定允许K=1，按允许值解析出的答案进行预报也是理所当然的。况且，在《IS规则》序言第3条已经明确指明：“在制定本规则时，已基于最新技术和知识考虑到一系列的影响，诸如‘瘫船’状态、对受风面积大的船舶的风力影响、横摇特征、恶劣海况等”。意即该数学模型中已经考虑了若干不利因素的影响，故按其解析的答案进行预报应是科学可信的，不必另行多虑。

从表2中P2对应的极限风级N可以看出，满足《IS规则》临界气象衡准的船舶，至少可以抗阵风10级（只能取整，因天气预报的风级只有整数）。对于船长小于45m的渔船，风压取值的变化是按实际情况考虑了风速梯度变化后的放宽。即距离海平面6m以下时，考虑了空气的粘性阻力，风速随高度的不同而呈现梯度性的变化。至于表列中的N低于10.9的各个风级，是规则设定风压所对应风速的风级，即考虑风速梯度变化后的相当风级。若反过来换算成天气预报的风速，同样对应的也是阵风10级。

表2 《IS规则》对船长不小于24m船舶设定的风压及其对应阵风的风速与风级

二是按K＞1的实况进行预报。当K＞1时，表明船舶可抗的风级“有可能”超过了《IS规则》设定风压的风级。之所以说“有可能”超过，是因为《IS规则》尚有对平衡角φ0的限制，该φ0又与船型的特点及风级的风速密切相关。只有当各项限制全部满足时，才能确定其可抗的风级，具体应按下述步骤确定：

（1）在K值最小装载工况的突风与横摇图（见图1）上，调整lw2逐步增大，使b和a的面积相等或者使φ0达到限定值（两者以先到者为准）。该逐步调整的原则是：φ1应保持不变；lw1同步调整并保持lw1=lw2/1.5；φ0随着lw1的增加而增加；当φ0达到限定值（取甲板边缘浸水角的80%与16°中的较小者）时或者当b和a的面积相等时，调整lw2的工作即行结束。

（2）量取调整结束时阵风的风倾力臂lw2（m）；

（3）计算阵风的风压

式中：Δ—排水量，t；A—水线以上受风面积之和，m2；Z—受风面积中心至平均吃水一半处的距离，m；

（4）用公式（3）计算阵风的风速：VW2=（PW2/0.7356）0.5（m/s）；

（5）在表1的最大风速中，插值出VW2所对应的阵风风级NW2；

（6）将插值出的风级NW2，舍去小数部分，即可预报为该船K＞1的可抗阵风的风级。

《IS规则》与《国内规则》临界气象衡准可抗风级的对比

按照前述的步骤，同样可以求出《国内规则》临界气象衡准的极限抗风级别，其与《IS规则》临界气象衡准的极限抗风级别对比见表3：

从表3可以看出，就临界气象衡准的极限抗风能力而言，《IS规则》与《国内规则》的三个航区相比，是一低、一高、一持平：即其较国内远海航区要求低，风速低了10.7m/s、风级低了2.4级；其较国内沿海航区要求高，风速高了9.8m/s、风级高了2.4级；其较国内近海航区基本持平，风速高0.5m/s、风级高0.1级。

由此可以推断，前述《国内规则》1.1.2“对远海航区某些船舶若符合《IS规则》可以等效认可其完整稳性”的规定，实质上是对远航航区气象衡准的一种放宽，比较务实地考虑了远海航区常见的营运工况，以降低过高的风级要求。所谓务实，一是国内航行船舶的航线距岸有限，只有极少数的船只涉及到规则所规定的远海航区；二是凭借现在的综合科技手段，完全可以保障国内航行的船舶不会遭遇到远海航区暴风的袭击。

如果再大胆一点，《国内规则》直接引用《IS规则》的稳性衡准，肯定是更令人称赞的务实。一般而言，能够满足国际航行要求的船舶，国内航行应该没有问题，国内标准目前还不宜超越国际标准，因国内自身的技术条件还说不清楚。若如此务实好处有三：一是降低了对船舶风压的拔高要求（海南岛东、南的远海航区，包括台湾以东海域，其恶劣天气状况不会超过南太平洋和北大西洋），明显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标准，对减少多发事故的船舶提供了更可靠的技术保障；三是去繁从简，统一了衡准。何乐而不为呢。

表3 《IS规则》与《国内规则》临界气象衡准时可抗阵风的风级

特别提示

尽管船舶的气象衡准只与风力有关，而波浪力只与结构强度有关，但必须明确指出，船长必须依据本船的特点和具体尺度来灵活地应对所在航区的浪高，这个道理应是极其浅显的。另外，气象衡准数的大小，并不代表船舶安全系数的高低。在恶劣的海况下，船舶的安全往往取决于船长的航海技艺。为此，《IS规则》里明确地写有警示：“符合稳性衡准并不保证船舶由于忽视周围环境而倾覆或免除船长的责任。因此，船长应谨慎从事，掌握良好的航海技术，密切注意季节、天气预报和航行区域，根据周围环境，适当调整航速和航向”。并在第5章的规定中，详细地阐述了防止船舶倾覆的操作要领。同样，《国内规则》也有“船舶稳性计算虽已符合本章的要求，但船长仍应注意船舶装载和气象、海况等情况，谨慎驾驶和操作。在船舶遭遇特殊情况或紧急情况而采取应变措施时，应注意船舶的稳性，防止发生倾覆的危险”的警示性规定。对规则的相关规定，不仅船长需要牢记，船舶专业人员也都应有清醒的认识，既不能忽视航行的海况，也不能随意拔高船舶的气象衡准，要兼顾船舶营运效能和船舶设计能效的要求，共同提高船舶的能效指数。