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冯振玉:国际国内气象衡准的抗风等级(Z.2015.8)
新闻来源：中国船检
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冯振玉 2017-07-11
《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》）对低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播也可以等效认可。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：低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播会以φ0角为中心左右横摇。当低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播自平衡角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，用低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的抵抗倾覆能量b与风浪联合作用下的倾覆能量a之比K=b/a，来衡量低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播抵抗风浪的能力，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。
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：
N=10(logV+0.0778)/1.5………（1）
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，故在预报低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的可抗风级时，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。
规则中风压与风速的关系
规则中风压与风速的关系为：
P=1/2 CSρV2
式中：P—风压，kg/m2；
CS—低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播形状修正系数，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：
P=0.7356V2 Pa ……（2）
或V=(P/0.7356)0.5 m/s…（3）
《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、对受风面积大的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的风力影响、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》临界气象衡准的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播，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。
二是按K＞1的实况进行预报。当K＞1时，表明低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播可抗的风级“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
PW2=9810Δlw2/A/Z (Pa)
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“对远海航区某些低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播若符合《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，一是国内航行低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的航线距岸有限，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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播，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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播风压的拔高要求（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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播提高了标准，对减少多发事故的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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。
特别提示
尽管低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，并不代表低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播安全系数的高低。在恶劣的海况下，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，详细地阐述了防止低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播倾覆的操作要领。同样，《国内规则》也有“低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播稳性计算虽已符合本章的要求，但船长仍应注意低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播装载和气象、海况等情况，谨慎驾驶和操作。在低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播遭遇特殊情况或紧急情况而采取应变措施时，应注意低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的稳性，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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播专业人员也都应有清醒的认识，既不能忽视航行的海况，也不能随意拔高低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的气象衡准，要兼顾低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播营运效能和低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播设计能效的要求，共同提高低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的能效指数。
《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：低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播会以φ0角为中心左右横摇。当低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播自平衡角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，用低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的抵抗倾覆能量b与风浪联合作用下的倾覆能量a之比K=b/a，来衡量低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播抵抗风浪的能力，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。
图1 突风与横摇
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：
N=10(logV+0.0778)/1.5………（1）
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，故在预报低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的可抗风级时，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。
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
| 蒲氏风 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| 风名 | 软风 | 轻风 | 微风 | 和风 | 劲风 | 强风 | 疾风 | 大风 | 烈风 | 狂风 | 暴风 | 飓风 | |
| 风速m/s | 最小 | 0.3 | 1.6 | 3.4 | 5.5 | 8.0 | 10.8 | 13.9 | 17.2 | 20.8 | 24.5 | 28.5 | 32.7 |
| 最大 | 1.5 | 3.3 | 5.4 | 7.9 | 10.7 | 13.8 | 17.1 | 20.7 | 24.4 | 28.4 | 32.6 | 36.9 | |
| 平均 | 0.9 | 2.5 | 4.4 | 6.7 | 9.4 | 12.3 | 15.5 | 19.0 | 22.6 | 26.5 | 30.6 | 34.8 | |
| 参考 | 一般波高m | 0.1 | 0.2 | 0.6 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.5 | 7.0 | 9.0 | 11.5 | / |
| 最大波高m | 0.1 | 0.3 | 1.0 | 1.5 | 2.5 | 4.0 | 5.5 | 7.5 | 10.0 | 12.5 | 16.0 | / | |
规则中风压与风速的关系为：
P=1/2 CSρV2
式中：P—风压，kg/m2；
CS—低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播形状修正系数，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：
P=0.7356V2 Pa ……（2）
或V=(P/0.7356)0.5 m/s…（3）
《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。
表2 《IS规则》对船长不小于24m低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播设定的风压及其对应阵风的风速与风级
| 项 目 | 船长小于45m的渔船 | 其他低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播 | |||||
| 受风面积中心距海平面高度h（m） | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | ≥6.0 | |
| 规则设定的定常风压 P1（Pa） | 316 | 386 | 429 | 460 | 485 | 504 | 504 |
|
换算阵风的风压P2=1.5 P1（Pa） |
474 | 579 | 644 | 690 | 728 | 756 | 756 |
| 按公式(3)P2对应风速V(m/s) | 25.4 | 28.1 | 29.6 | 30.6 | 31.5 | 32.1 | 32.1 |
| P2对应表2中最大风速的风级N | 9.3 | 10.0 | 10.3 | 10.5 | 10.7 | 10.9 | 10.9 |
| 风速梯度系数ki=Vi/V6.0 | 0.791 | 0.875 | 0.922 | 0.953 | 0.981 | 1.000 | 1.000 |
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、对受风面积大的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的风力影响、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》临界气象衡准的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播，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。
二是按K＞1的实况进行预报。当K＞1时，表明低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播可抗的风级“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
PW2=9810Δlw2/A/Z (Pa)
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 ：
表3 《IS规则》与《国内规则》临界气象衡准时可抗阵风的风级
| 气象衡准 | 《IS规则》 | 《国内航行海船法定检验技术规则2011》 | ||
| 远海航区 | 近海航区 | 沿海、遮蔽航区 | ||
| 规则设定阵风的风压P1 (Pa) | 756 | 1302 | 712 | 356 |
| 对应天气预报的风压P2=c2 P1 (Pa) | 756 | 1347 | 736 | 368 |
| 按公式（3）P2对应的临界风速V (m/s) | 32.1 | 42.8 | 31.6 | 22.3 |
| 按表2查V对应临界阵风的风级N | 10.9 | 13.3 | 10.8 | 8.5 |
|
注:1) 表中c为风速系数，天气预报距离海平面10m的风速V10与规则设定距离海平面6m的风速V6之比，c= V10/V6 ,《IS规则》的c=1.000;《国 内规则》的c=1.017。 2) 表中的风级N，即对应天气预报阵风的风级。 |
||||
由此可以推断，前述《国内规则》1.1.2“对远海航区某些低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播若符合《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，一是国内航行低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的航线距岸有限，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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播，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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播风压的拔高要求（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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播提高了标准，对减少多发事故的低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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。
特别提示
尽管低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，并不代表低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播安全系数的高低。在恶劣的海况下，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播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，详细地阐述了防止低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播倾覆的操作要领。同样，《国内规则》也有“低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播稳性计算虽已符合本章的要求，但船长仍应注意低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播装载和气象、海况等情况，谨慎驾驶和操作。在低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播遭遇特殊情况或紧急情况而采取应变措施时，应注意低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的稳性，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，低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播专业人员也都应有清醒的认识，既不能忽视航行的海况，也不能随意拔高低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的气象衡准，要兼顾低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播营运效能和低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播设计能效的要求，共同提高低调看直播官网_NBA极速体育直播_jrs西甲直播的能效指数。
