劉永祿，董韋敬

（海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116023）

艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)方法研究

劉永祿，董韋敬

（海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系，遼寧 大連 116023）

目的 為在可能導(dǎo)致艦船結(jié)冰的海區(qū)航行的艦船提供結(jié)冰預(yù)報(bào)模型，保證船舶的航行安全。方法基于結(jié)冰表面熱平衡理論，給出艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)模型和預(yù)報(bào)工具。結(jié)果 給出中等艦船結(jié)冰危險(xiǎn)等級，結(jié)冰強(qiáng)度小于1.5 t/h為弱結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)等級，1.5～4.0 t/h時(shí)為中等結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)等級，大于4.0 t/h為強(qiáng)結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)等級。結(jié)論 提出的結(jié)冰預(yù)報(bào)方法和工具簡便易行，對于保障艦船在高緯海區(qū)的安全航行具有重大意義。

船舶結(jié)冰；結(jié)冰預(yù)報(bào)；航行安全

21 世紀(jì)以來，海洋經(jīng)濟(jì)逐漸發(fā)展成為中國國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，海洋在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位和作用日益突出。這不僅表現(xiàn)在中低緯度海域，高緯海域的經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略地位和作用也越來越凸顯。在高緯度海域，當(dāng)大風(fēng)和空氣溫度較低時(shí)，艦船經(jīng)常會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)冰的現(xiàn)象。如果艦船的甲板和船舷、上層建筑和武器裝備、桅桿和索具都結(jié)了冰，則會導(dǎo)致火炮失效、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)失靈、無線電通信中斷，同時(shí)艦船的負(fù)荷、排水量增加，結(jié)冰提高了重力中心，增大了受風(fēng)面積，導(dǎo)致船在風(fēng)暴時(shí)可能失去穩(wěn)定性，突然翻倒甚至沉沒[1—2]。我國艦船要到高緯度海區(qū)航行，勢必會遇到船舶結(jié)冰的問題。為了保障艦船的航行安全，應(yīng)該盡早開展對于艦船結(jié)冰的研究工作，為的艦船做好結(jié)冰預(yù)報(bào)。特別是以后隨著冰層消退，北極航道開通，如果那時(shí)候還不能做好相應(yīng)的預(yù)報(bào)工作，那將是重大的戰(zhàn)略失誤，將會極大地限制我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響戰(zhàn)略部署[3—4]。目前我國在艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究較少，還沒有能夠?qū)嶋H應(yīng)用的結(jié)冰預(yù)報(bào)方法。

文中通過分析普通結(jié)冰和船舶結(jié)冰原理，確定影響艦船結(jié)冰的氣象條件，建立了氣象條件對艦船結(jié)冰影響的數(shù)學(xué)模型。通過艦船結(jié)冰數(shù)值計(jì)算模型，給出艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)圖。利用艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)圖，只要獲得海區(qū)天氣資料，就可以做出相應(yīng)海區(qū)的結(jié)冰預(yù)報(bào)，提供艦船結(jié)冰預(yù)警信息，從而有效保障艦船在高緯度海域活動時(shí)的航行安全。

1 艦船結(jié)冰的機(jī)理和計(jì)算

艦船結(jié)冰的機(jī)理很復(fù)雜而且研究很少，有兩種主要的艦船結(jié)冰形式：噴射型和淡水型[5]。噴射型結(jié)冰是由強(qiáng)風(fēng)和海浪引起的弦外海水向船內(nèi)噴射和注入造成的。淡水型的結(jié)冰是由過冷的沉淀物如雨水、毛毛雨、潮濕的雪以及霧或海中蒸發(fā)的水汽落到船上而形成的。實(shí)際中兩種形式的結(jié)冰往往同時(shí)發(fā)生[6]。

理論研究表明，結(jié)冰強(qiáng)度（冰生長的速度）與水文氣象條件和船的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。目前有幾種計(jì)

式（1）對噴射型和淡水型的結(jié)冰強(qiáng)度計(jì)算都是適用的。對于計(jì)算噴射型艦船結(jié)冰，其基礎(chǔ)是：在艦船實(shí)際結(jié)冰強(qiáng)度與結(jié)冰的綜合理論特征之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。這些理論特征是：規(guī)則形狀的物體如圓柱棒的結(jié)冰速度就是船舶在同樣水文氣象條件下的結(jié)冰速度[8]。結(jié)冰標(biāo)準(zhǔn)N（棒的結(jié)冰速度）按式（2）計(jì)算：

為了預(yù)報(bào)結(jié)冰，采用兩標(biāo)準(zhǔn)N之間的相關(guān)關(guān)系，一是僅按造成結(jié)冰的水文氣象參數(shù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)N，另一個(gè)是在海上同樣水文氣象條件下實(shí)際艦船的結(jié)冰強(qiáng)度。在建立這些關(guān)系時(shí)，使用了國內(nèi)外從1961年到1972年的數(shù)據(jù)和資料[9—10]。對于小型（2000 t以下）船只，這種關(guān)系的方程為：

式中：R為相關(guān)系數(shù)。

對于中型（2000～6000 t）船只，回歸方程為：對于大型（6000 t以上）船只：

從方程可見，在同樣水文氣象條件下，排水量越少的船只結(jié)冰越慢。

2 艦船結(jié)冰的預(yù)報(bào)

2.1 水文氣象條件

通過上述艦船結(jié)冰的計(jì)算公式，可以看出，艦船結(jié)冰有關(guān)的水文氣象條件有冰的結(jié)晶熱和蒸發(fā)熱、冰的單位熱容量和水的單位熱容量、空氣溫度、在淡水或噴射型云霧中水粒的溫度、氣壓、海水溫度、風(fēng)速、浪高、海水和冰的密度、結(jié)冰鋒面上的溫度、海水的運(yùn)動黏度、空氣的熱導(dǎo)率等。

另外有一種公認(rèn)的觀點(diǎn)認(rèn)為，在北半球最適于艦船結(jié)冰的條件與冷空氣入侵有關(guān)，通常冷空氣攜帶著雨和雪。在北風(fēng)、西北風(fēng)和西風(fēng)條件下，以上情況一般發(fā)生在氣旋的后部。在東北風(fēng)和東風(fēng)條件下，船結(jié)冰有時(shí)也出現(xiàn)在氣旋前部。風(fēng)吹的方向，大多數(shù)情況下與預(yù)報(bào)區(qū)域的位置有關(guān)[11—12]。例如，在西伯利亞和加拿大東岸，冷空氣經(jīng)常從西北向吹來，在格陵蘭海和丹麥海峽主要是東北風(fēng)，而在挪威海，巴倫支海和波羅的海，風(fēng)從東甚至從東南吹來。在不同海域不同風(fēng)向情況下，船結(jié)冰重復(fù)率的數(shù)據(jù)見表1。

表1 在不同風(fēng)向條件下船舶結(jié)冰的重復(fù)率Table 1 The repetition rate of ship icing in different wind directions %

氣旋的后部是船最危險(xiǎn)的結(jié)冰區(qū)域，這個(gè)區(qū)域距離冷鋒有一定的距離。自1967至1970年的綜合數(shù)據(jù)見表2，可以看出，在除了波羅的海、巴倫支海和挪威海之外的所有海域，大多數(shù)結(jié)冰情況發(fā)生在氣旋后部。在波羅的海、巴倫支海和挪威海，最大艦船結(jié)冰重復(fù)率發(fā)生在氣旋前部[13—14]。

表2 在不同天氣條件下船舶結(jié)冰的重復(fù)率Table 2 The repetition rate of ship icing under different weather conditions %

綜上所述，對影響船舶結(jié)冰的氣象條件有了籠統(tǒng)的認(rèn)識，但是不能看出其主要因素，目前科學(xué)家們根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，總結(jié)出了影響艦船結(jié)冰的主要?dú)庀髼l件就是風(fēng)速、海水溫度、海水鹽度、空氣溫度，而這之中最主要的便是風(fēng)速和空氣溫度[15]。

2.2 數(shù)值模型

通過對艦船結(jié)冰的深入研究，得出結(jié)冰氣象條件后，由艦船結(jié)冰的氣象條件，得知影響艦船結(jié)冰的主要?dú)庀髼l件是海區(qū)的風(fēng)速和空氣氣溫。因此可以針對海區(qū)的風(fēng)速和空氣溫度這兩個(gè)要素建立數(shù)值模型，并通過數(shù)值模型來進(jìn)行艦船結(jié)冰的預(yù)報(bào)。通過查閱文獻(xiàn)，可以得到風(fēng)速和空氣溫度對艦船結(jié)冰的影響數(shù)據(jù)擬合，如圖1所示。

圖1中，曲線1、曲線2、曲線3分別對應(yīng)弱結(jié)冰、中等結(jié)冰、強(qiáng)結(jié)冰情況，計(jì)算出所對應(yīng)的函數(shù)為：。所擬合的三條曲線與數(shù)據(jù)點(diǎn)較為接近，用擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法，計(jì)算出相應(yīng)的相關(guān)指數(shù)分為：；，由此可見，擬合的效果較理想。

圖1 風(fēng)速和空氣溫度擬合曲線Fig.1 Fitting curves of wind speed and air temperature

曲線1下面區(qū)域的點(diǎn)為不結(jié)冰區(qū)，艦船可以在該區(qū)安全航行。曲線1和曲線2之間區(qū)域的點(diǎn)為弱結(jié)冰區(qū)域，艦船在該海區(qū)的航行危險(xiǎn)性較小。曲線2和曲線3之間區(qū)域的點(diǎn)為中等結(jié)冰區(qū)域，艦船在該海區(qū)的航行比較危險(xiǎn)。曲線3之上區(qū)域的點(diǎn)為強(qiáng)結(jié)冰區(qū)域，艦船在該海區(qū)的航行危險(xiǎn)系數(shù)大。

在風(fēng)速和空氣溫度數(shù)值給定的情況下，容易計(jì)算出艦船是弱結(jié)冰、中等結(jié)冰和強(qiáng)結(jié)冰。具體操作如下：將已知的風(fēng)速和空氣溫度表示為坐標(biāo)形式（a，b）；將橫坐標(biāo)值分別代入三條曲線，得到三個(gè)曲線縱坐標(biāo)值，對應(yīng)曲線1、曲線2、曲線3分別為，，；將b值與；；比較，若，則為不結(jié)冰，若，則為弱結(jié)冰，依此類推，則可得出船舶在該海域航行時(shí)結(jié)冰的強(qiáng)弱。

2.3 模型運(yùn)算舉例

已知某海區(qū)某時(shí)刻風(fēng)速和空氣溫度分別為 30 m/s和-3 ℃，求艦船航行在該海區(qū)的結(jié)冰強(qiáng)弱。

對于上述問題，首先將風(fēng)速和空氣溫度表述為坐標(biāo)形式，可表示為（30，-3），將橫坐標(biāo)數(shù)值30分別代入：；836；則此刻該船舶航行在該海區(qū)的結(jié)冰強(qiáng)度為中等結(jié)冰。

2.4 艦船結(jié)冰的預(yù)報(bào)過程

艦船結(jié)冰的預(yù)報(bào)分兩個(gè)階段編制，在第一階段，對預(yù)報(bào)區(qū)域的天氣資料進(jìn)行全面的分析，并確定是否存在易于出現(xiàn)結(jié)冰的水文氣象條件，即空氣溫度是否低于0 ℃，低多少，風(fēng)速怎樣，是否將要下雨，是雨、霧或潮濕的雪，出現(xiàn)平流云的概率怎樣等。這便要首先進(jìn)行充分準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，進(jìn)行了充分的天氣預(yù)報(bào)之后，便得到相應(yīng)海區(qū)的各項(xiàng)天氣信息，最主要的就是風(fēng)速和溫度的信息，之后對預(yù)報(bào)員提出了第二個(gè)更復(fù)雜的問題。他應(yīng)回答結(jié)冰強(qiáng)度將如何的問題，是弱、中等或是強(qiáng)結(jié)冰，而這又與船舶的類型和尺寸，它的速度和相對于風(fēng)和浪的速度以及航向有關(guān)。對于具體的預(yù)報(bào)，提供兩種預(yù)報(bào)方法。

1）概略預(yù)報(bào)。根據(jù)風(fēng)速和溫度對于結(jié)冰影響的圖像，只要知道所在海區(qū)的風(fēng)速和溫度，便可以計(jì)算出艦船結(jié)冰的等級，劃分為弱結(jié)冰，中等結(jié)冰，強(qiáng)結(jié)冰等3個(gè)等級。因此此種方法預(yù)報(bào)步驟為：通過天氣預(yù)報(bào)方法，得出未來該海區(qū)的風(fēng)速和空氣溫度信息；帶入風(fēng)速和溫度計(jì)算模式，確定出在該條件下艦船結(jié)冰危險(xiǎn)等級；發(fā)布結(jié)冰預(yù)報(bào)。

2）精確預(yù)報(bào)。當(dāng)知道根據(jù)空氣和水的溫度、風(fēng)速、浪高和海水的鹽度后，根據(jù)計(jì)算公式可以給出船舶結(jié)冰圖，如圖2所示。

在圖2中，第一象限中的曲線表示在水溫、鹽度和浪高一定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)N與風(fēng)速和空氣溫度之間的關(guān)系；在第二象限，確定對沒有基站水溫?cái)?shù)據(jù)的修正值，每條曲線對應(yīng)著一定的水溫；在第三象限，計(jì)算實(shí)際浪高的影響，每條曲線對應(yīng)著一定的浪高；在第四象限，斜線船型近似為中等艦船（在2000～6000 t之間），反映和N之間關(guān)系的曲線，在這個(gè)象限中，考慮沒有基站海水鹽度的影響，每條曲線對應(yīng)著一定的鹽度。

艦船結(jié)冰圖的使用方法如下：在第一象限，從相應(yīng)于風(fēng)速的點(diǎn)沿y軸負(fù)向引垂線與空氣溫度的曲線相交，相交之后，再從這一交點(diǎn)沿x軸負(fù)向引平行線到第二象限，與海水溫度的曲線相交，從這個(gè)交點(diǎn)引垂線至第三象限，與浪高曲線相交。進(jìn)而，從所得交點(diǎn)引平行線到第四象限與類似中等艦船的回歸方程線相交，再從這一點(diǎn)沿y軸負(fù)向引垂線與海水鹽度曲線相交，然后從這個(gè)交點(diǎn)沿x軸正向引平行線與垂直坐標(biāo)相交，在其上可讀取到冰的最大強(qiáng)度值。

圖2 艦船結(jié)冰圖Fig.2 Ship icing figure

得到結(jié)冰強(qiáng)度值之后，可以由 2.1中風(fēng)速氣溫與結(jié)冰危險(xiǎn)的對應(yīng)關(guān)系，得到艦船的結(jié)冰危險(xiǎn)等級，再在艦船結(jié)冰圖中利用相同的風(fēng)速氣溫得到結(jié)冰強(qiáng)度，這樣就得到結(jié)冰危險(xiǎn)等級與結(jié)冰強(qiáng)度關(guān)系。中等艦船結(jié)冰危險(xiǎn)等級與結(jié)冰強(qiáng)度的關(guān)系：弱結(jié)冰＜1.5 t/h；中等結(jié)冰1.5～4.0 t/h；強(qiáng)結(jié)冰＞4.0 t/h。

在畫圖求解的過程之中，會存在介于兩條曲線之間的數(shù)值。這時(shí)需要根據(jù)插值法進(jìn)行繪圖，并且在繪圖的過程中，注意繪圖的準(zhǔn)確性，最大限度地減小誤差，確保船舶結(jié)冰預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

根據(jù)船舶結(jié)冰圖就可以預(yù)報(bào)船只的結(jié)冰強(qiáng)度，以中等艦船為例，具體預(yù)報(bào)過程如下：通過天氣預(yù)報(bào)方法，得出預(yù)報(bào)海區(qū)未來的風(fēng)速、空氣溫度、浪高的預(yù)報(bào)信息；因?yàn)槊總€(gè)海域的水溫與鹽度變化很小，因此可以通過查閱歷史資料，得出所在海區(qū)預(yù)報(bào)時(shí)間的海水溫度和鹽度；通過艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)圖進(jìn)行結(jié)冰強(qiáng)度預(yù)報(bào)。

2.5 預(yù)報(bào)船舶結(jié)冰強(qiáng)度的舉例

根據(jù)精確預(yù)報(bào)步驟，對海參崴附近海域 2013年1月8號的艦船結(jié)冰情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

通過天氣預(yù)報(bào)方法，得出預(yù)報(bào)海區(qū)未來的風(fēng)速、空氣溫度、浪高的預(yù)報(bào)信息。由2013年1月7號的 FXFE782圖可以預(yù)報(bào)出海參崴附近海域A點(diǎn)2013年1月8號0800的風(fēng)速和空氣溫度，可以看出A點(diǎn)的圖上溫度為-18 ℃。因?yàn)樵搱D的氣壓條件為850 hPa，所以海表空氣溫度應(yīng)該為-9 ℃。同時(shí)也可預(yù)報(bào)出該點(diǎn)風(fēng)速為20節(jié)，即10 m/s。

圖3 850 hPa風(fēng)和空氣溫度預(yù)報(bào)Fig.3 850 hPa Wind and temperature forecast chart

由2013年1月7號的FWPN782圖，可以預(yù)報(bào)出A點(diǎn)2013年1月8號0800的風(fēng)浪＜2 m/s，因?yàn)轱L(fēng)速較大（10 m/s），則浪高應(yīng)預(yù)報(bào)為2 m。通過查閱《日本海水文圖集》，可預(yù)報(bào)出A點(diǎn)的空氣溫度，風(fēng)速為10 m/s，水溫，鹽度s=3.4%，浪高h(yuǎn)=2 m，如圖4所示。

圖4 海浪預(yù)報(bào)Fig.4 Wave forecast chart

海參崴海域2013年1月8日結(jié)冰預(yù)報(bào)如圖5所示，第一象限，從相應(yīng)于 10 m/s風(fēng)速的點(diǎn)沿y軸負(fù)向引垂直線到與空氣溫度為-9 ℃的曲線相交，再從這一交點(diǎn)沿x軸負(fù)向引平行線到第二象限，與海水溫度為3 ℃的曲線相交。因?yàn)閳D5中沒有3 ℃的曲線，所以需要在2～4 ℃曲線之間進(jìn)行內(nèi)插，量取兩線之間的間距，在其平均位置進(jìn)行繪圖，然后從這個(gè)交點(diǎn)引垂線至第三象限，與浪高為3 m的曲線相交。同溫度曲線一樣，3 m/s曲線也需內(nèi)插得到。進(jìn)而，從所得交點(diǎn)沿x軸引平行線到第四象限與中等艦船的回歸方程線相交，再從這一點(diǎn)沿y軸負(fù)向引垂線與海水鹽度為 3.4%的曲線相交，然后從這個(gè)交點(diǎn)沿x軸正向引平行線與垂直坐標(biāo)相交，在其上可讀取到結(jié)冰的最大強(qiáng)度值，為 1.25 t/h。由此可得知這種情況下船舶屬于弱結(jié)冰，危險(xiǎn)系數(shù)較小。

知道上述結(jié)果后，便可發(fā)布結(jié)冰預(yù)報(bào)：結(jié)冰強(qiáng)度為1.25 t/h，危險(xiǎn)等級為弱結(jié)冰。

圖5 海參崴海域2013年1月8日結(jié)冰預(yù)報(bào)Fig.5 Ship icing forecast in Vladivostok sea area on January 8, 2013.

3 結(jié)語

通過對于結(jié)冰條件、結(jié)冰原理、以及天氣預(yù)報(bào)過程和方法進(jìn)行深入的研究與分析，認(rèn)為艦船結(jié)冰主要與所在海區(qū)的風(fēng)速、空氣溫度、海水鹽度和海水溫度有關(guān)，同時(shí)這其中最主要的因素是風(fēng)速和空氣溫度。在得出影響條件的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)報(bào)艦船結(jié)冰的具體方法，并對2013年1月8日海參崴海域艦船結(jié)冰情況進(jìn)行了實(shí)例預(yù)報(bào)，說明這種預(yù)報(bào)方法在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。

該預(yù)報(bào)方法通過對艦船結(jié)冰條件作了客觀、量化的分析計(jì)算，可彌補(bǔ)通常分析中憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷的不足，該方法對艦船在易結(jié)冰海域航行的結(jié)冰情況有重要應(yīng)用價(jià)值。由于目前世界各國對于艦船結(jié)冰的預(yù)報(bào)較少，只能得出預(yù)報(bào)結(jié)冰的氣象條件，并根據(jù)相應(yīng)的氣象條件進(jìn)行分析，而沒有考慮船型、船體結(jié)構(gòu)等的影響。同時(shí)因?yàn)橘Y料的限制，無法對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，只能根據(jù)理論進(jìn)行預(yù)報(bào)。這些也是現(xiàn)在進(jìn)行艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)的局限性。

由于資料限制，對艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)的研究很少，這就要求在以后對各種船型在易結(jié)冰海區(qū)航行的氣象條件、航行情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與積累，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。只有建立了數(shù)據(jù)庫，才能對艦船結(jié)冰進(jìn)行深入研究與驗(yàn)證，艦船結(jié)冰預(yù)報(bào)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性才能得到保障。

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Forecast Methods for Ship Icing

LIU Yong-lu,DONG Wei-jing
(Department of Military Oceanography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

ObjectiveTo propose ship icing forecast tools for supporting ship navigation safety on the high latitude sea area, in order to ensure navigation safety of ships.MethodsThe ship icing forecast model and forecast tool were given based on icing surface thermal equilibrium theory.ResultsThe ship icing risk rank was provided. The risk level was low when the icing strength was less than 1.5 ton/hour. The risk level was medium when the icing strength was between 1.5 ton/hour and 4.0 ton/hour. The risk level was high when the icing strength was larger than 4.0 ton/hour.ConclusionThe proposed ship icing forecast method and tool are easy to operate, and have significance for the navigation safety of ships in the high-latitude sea area.

ship icing; icing forecast; navigation safety

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.023

TJ04

A

1672-9242(2016)03-0140-07

2016-01-16；

2016-04-21

Received：2016-01-16；Revised：2016-04-21

劉永祿（1972—），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檐娛職庀蟆?/p>

Biography：LIU Yong-lu (1972—), Male, from Baotou, Inner Mongolia, Ph.D., Associate professor, Research focus: military meteorology.