張振東，田小毅，黃 亮，白靜漪，汪玲玲

(江蘇省氣象服務(wù)中心，江蘇 南京 210008)

引 言

由于風(fēng)向的不固定性和風(fēng)的陣性變化使其成為水上、航空、公路和鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾ｋU(xiǎn)因子之一。國(guó)內(nèi)外早期通過(guò)分析風(fēng)對(duì)車輛的影響來(lái)研究評(píng)估大風(fēng)條件下車輛的安全性能，研究表明大風(fēng)除了會(huì)對(duì)車輛穩(wěn)定性造成影響外[1-3]，還直接與車輛事故有關(guān)[4]。由于船舶行駛的特殊性，在行駛過(guò)程中風(fēng)力和風(fēng)向的變化更易造成影響。特別是當(dāng)風(fēng)向垂直于船體時(shí)易出現(xiàn)橫風(fēng)，會(huì)造成船舶保向困難和橫漂，導(dǎo)致碰撞、沉船、進(jìn)水等事故發(fā)生[5-6]。SPYROU等[7]使用Melnikov方法評(píng)估橫風(fēng)條件下船舶傾覆的臨界值，并將大量船舶幾乎對(duì)稱和強(qiáng)烈不對(duì)稱性晃動(dòng)時(shí)的觀測(cè)記錄與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確率較高。之后有研究嘗試采用先進(jìn)的概率計(jì)算方法，引入耦合了橫搖和橫擺的非線性方程，分析橫風(fēng)對(duì)內(nèi)河集裝箱船的影響，發(fā)現(xiàn)之前簡(jiǎn)化的方法對(duì)其危害性估計(jì)過(guò)高[8]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，劉成曄等[2]建立不同等級(jí)強(qiáng)橫風(fēng)和不同車速條件下的轎車參數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)各級(jí)強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)車輛運(yùn)行均具有較大影響。解以楊等[9]通過(guò)調(diào)查黃渤海船舶事故，建立了大風(fēng)浪條件下船舶風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以往對(duì)強(qiáng)橫風(fēng)風(fēng)災(zāi)事故的研究多集中于陸上交通，但橫風(fēng)對(duì)內(nèi)河航運(yùn)的影響研究較少。另外，研究多集中在風(fēng)力對(duì)船舶受力、運(yùn)行變化的探討，較少討論橫風(fēng)的季節(jié)變化、時(shí)空分布以及風(fēng)力經(jīng)過(guò)水面時(shí)的變性作用對(duì)航運(yùn)的影響。

長(zhǎng)江航道江蘇段作為國(guó)內(nèi)重要的內(nèi)河航運(yùn)通道，為江蘇發(fā)展創(chuàng)造了優(yōu)越的運(yùn)輸通道。但由于長(zhǎng)江江蘇段航道彎曲多變，水流湍急，入海處還受到潮汐影響，同時(shí)江面寬闊，風(fēng)經(jīng)過(guò)江面時(shí)有充足的變性時(shí)間，對(duì)船舶水上安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。本文對(duì)近年來(lái)長(zhǎng)江航道江蘇段大風(fēng)觀測(cè)資料和船舶事故資料進(jìn)行分析，揭示大風(fēng)時(shí)空變化與風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生的內(nèi)在聯(lián)系，以期為航道管理提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

利用江蘇省海事局提供的長(zhǎng)江江蘇段2015—2017年險(xiǎn)情明細(xì)表中長(zhǎng)江航道事故數(shù)據(jù)，依據(jù)表中記載的事故轄區(qū)和遇險(xiǎn)時(shí)間，提取2015—2017年該沿線21個(gè)自動(dòng)氣象站實(shí)測(cè)資料，包括溫度、陣風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向、10 min風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)，形成長(zhǎng)江航道事故信息庫(kù)。

1.2 方法

1.2.1 強(qiáng)風(fēng)定義

根據(jù)我國(guó)內(nèi)河水上交通管理規(guī)定，發(fā)布臨近預(yù)報(bào)的風(fēng)速指標(biāo)為陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)8～10 m·s-1。在實(shí)際業(yè)務(wù)中，對(duì)長(zhǎng)江航道江蘇段水上交通氣象預(yù)警服務(wù)時(shí)，采用極大風(fēng)速(某個(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的最大3 s平均風(fēng)速值)，參考江蘇省海事局要求，即當(dāng)江面風(fēng)速達(dá)8 m·s-1以上，陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)10.8 m·s-1以上時(shí)發(fā)布臨近預(yù)警。因此本文將極大風(fēng)速大于等于8 m·s-1風(fēng)定義為強(qiáng)風(fēng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)8 m·s-1及以上極大風(fēng)速時(shí)記為一個(gè)強(qiáng)風(fēng)日。

1.2.2 強(qiáng)橫風(fēng)范圍的確定

相同的風(fēng)速因?yàn)轱L(fēng)向與船舶航向的不同所造成的影響也不同，當(dāng)風(fēng)以45°～130°作用于船體時(shí)，對(duì)航行影響最大[10]。強(qiáng)橫風(fēng)是滿足上述極大風(fēng)速條件且風(fēng)向?qū)儆跈M風(fēng)范圍的風(fēng)，強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)于水上船舶的安全影響尤為明顯。劉菡等[11]將橫風(fēng)范圍定義為：以航道走向的垂直線為軸，左右各60°，即風(fēng)向與航道夾角為30°～150°范圍，航道兩側(cè)相同，合計(jì)共240°，航道走向是自動(dòng)氣象站所在的局地航段切線方向。

根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)所在航道走向，先確定各站點(diǎn)航向與正北方向夾角，再依據(jù)定義的橫風(fēng)范圍，可得到各站點(diǎn)的橫風(fēng)風(fēng)向范圍。圖1為有事故記載的21個(gè)自動(dòng)氣象站點(diǎn)分布。

圖1 長(zhǎng)江航道江蘇段有事故記載的自動(dòng)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of automatic meteorological stations with wind disaster accidents in Jiangsu section of the Yangtze River waterway

1.3 風(fēng)壓計(jì)算

風(fēng)對(duì)船舶的影響主要為船舶平面上受到的風(fēng)壓力，風(fēng)壓是垂直于氣流方向上單位面積所受到的風(fēng)的壓力。由伯努利方程可得到風(fēng)壓計(jì)算公式如下[12]：

(1)

式中：Wp(kN·m-2)為風(fēng)壓；ρ(kg·m-3)為空氣密度；V(m·s-1)為風(fēng)速。將空氣重度γ(kN·m-3)和空氣密度ρ的關(guān)系式γ=ρg代入(1)式得：

(2)

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可以推導(dǎo)出風(fēng)壓的通用公式：

(3)

根據(jù)江蘇省平均海拔高度和所處緯度(31°N—35°N)，年平均氣壓P=1005 hPa，引入訂正系數(shù)θ計(jì)算風(fēng)壓：

(4)

訂正系數(shù)θ(kg·m-3)，需要考慮空氣密度ρ，得到相應(yīng)溫度訂正、氣壓訂正、高程訂正以及緯度和高度上的重力加速度訂正。其中空氣密度ρ在靜力平衡狀態(tài)下可得：

(5)

公式(5)可以通過(guò)同一地點(diǎn)、高度，氣壓變化時(shí)空氣密度也隨之變化推算出空氣密度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)P=1013.25 hPa時(shí)，ρ=0.00 125 kg·m-3，可求出當(dāng)P=1000 hPa時(shí)，ρ=0.001 234 kg·m-3。

再根據(jù)大氣密度隨高度變化規(guī)律[13]：

(6)

式中：z為長(zhǎng)江沿線自動(dòng)氣象站觀測(cè)高度，約為3 m；z0為均質(zhì)大氣厚度(約8000 m)；ρ0(kg·m-3)為參考狀態(tài)下大氣密度；由此可計(jì)算出觀測(cè)站所在高度ρz(約0.001 233 kg·m-3)。在考慮重力加速度和空氣密度的綜合影響后可得θ=0.986。

橫風(fēng)分量V0(m·s-1)為垂直于船舶長(zhǎng)軸的風(fēng)速[14]：

V0=VsinA

(7)

式中：A為船舶長(zhǎng)軸與風(fēng)向的夾角，則風(fēng)壓公式可表示為：

(8)

2 結(jié)果分析

2.1 風(fēng)災(zāi)事故與強(qiáng)風(fēng)的季節(jié)分布

長(zhǎng)江水道江蘇段出現(xiàn)大風(fēng)往往與天氣過(guò)程有關(guān)，而不同季節(jié)的天氣過(guò)程也不同。圖2為2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同季節(jié)強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)橫風(fēng)和風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率。可以看出，強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)夏、秋兩季發(fā)生頻率低，冬、春兩季發(fā)生頻率高，其中春、夏兩季強(qiáng)橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)發(fā)生頻率相差最大分別可達(dá)14.7%和11.2%。事故發(fā)生頻率夏、秋、冬季基本一致，春季明顯較高，比秋季高19.0%。主要是因?yàn)榻K春季冷空氣活動(dòng)頻繁與西南暖濕氣流結(jié)合產(chǎn)生擾動(dòng)形成江淮氣旋，氣旋過(guò)境時(shí)出現(xiàn)大風(fēng)天氣。同時(shí)春季冷暖氣流交匯易出現(xiàn)對(duì)流性大風(fēng)，當(dāng)不穩(wěn)定能量充足時(shí)甚至出現(xiàn)颮線、龍卷等局地強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)。而這些天氣系統(tǒng)移速快，局地性強(qiáng)，提前預(yù)報(bào)和預(yù)警難度大，經(jīng)過(guò)江面時(shí)容易造成風(fēng)災(zāi)事故，因此春季是大風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警的重要季節(jié)。

冬季也是強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)多發(fā)季節(jié)，均占全年28.0%。這是因?yàn)?1月至次年2月是江蘇地區(qū)冷空氣南下高峰期，易形成大風(fēng)。每當(dāng)較強(qiáng)冷空氣南下時(shí)就會(huì)伴隨一次大風(fēng)過(guò)程，風(fēng)力強(qiáng)度一般為6～8級(jí)，由于冬季大風(fēng)過(guò)程容易提前預(yù)報(bào)，長(zhǎng)江航運(yùn)和汽渡公司常采取停航和錨泊避風(fēng)等措施以減少事故發(fā)生，因此冬季水上事故發(fā)生頻率較低。

夏季和秋季的強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)主要源于強(qiáng)對(duì)流天氣和臺(tái)風(fēng)天氣過(guò)程。2015—2017年，江蘇受臺(tái)風(fēng)或強(qiáng)熱帶氣旋直接或外圍氣流影響次數(shù)較少，其中2015年2次，2016和2017年沒(méi)有明顯臺(tái)風(fēng)或熱帶氣旋影響，因此夏季和秋季的強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率較低。

圖2 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同季節(jié)強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)橫風(fēng)和風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率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 風(fēng)災(zāi)事故與強(qiáng)風(fēng)的日變化

圖3為2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同季節(jié)強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率及風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率的日變化。可以看出，四季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率最高的時(shí)間段均在13:00—15:00，即午后是強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)的高發(fā)時(shí)間。對(duì)比風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生時(shí)間段來(lái)看，風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率從12:00起顯著升高，15:00達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，至18:00出現(xiàn)次峰值，隨后下降。即風(fēng)災(zāi)事故頻率呈雙峰型分布，峰值分別與春、夏季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)峰值對(duì)應(yīng)，說(shuō)明春夏兩季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)風(fēng)災(zāi)事故貢獻(xiàn)明顯。其原因主要是白天日出之后，輻射逐漸增強(qiáng)，不穩(wěn)定能量逐漸積累，湍流交換增強(qiáng)，在午后達(dá)到最大，隨著高層動(dòng)量下傳，地面風(fēng)速也逐漸增大。同時(shí)午后是對(duì)流性天氣的高發(fā)期，易出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣，因此需要重點(diǎn)關(guān)注春、夏季午后大風(fēng)對(duì)船舶航行安全的影響。

不同季節(jié)強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)日變化特征也有所不同，冬季強(qiáng)風(fēng)變化幅度較小，峰值與谷值相差最小為3.7%，上半夜強(qiáng)風(fēng)發(fā)生頻率高于下半夜，冬季強(qiáng)橫風(fēng)變化與強(qiáng)風(fēng)相似；秋季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)晝夜變化幅度比冬季更大；春季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)峰值出現(xiàn)時(shí)間最晚為15:00，隨后快速下降；夏季強(qiáng)風(fēng)峰、谷值相差6.9%，強(qiáng)橫風(fēng)相差6.3%，皆為一年中變化幅度最大，同時(shí)下午至上半夜出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)的頻率高于其他三個(gè)季節(jié)，這與夏季對(duì)流性大風(fēng)集中出現(xiàn)在午后至上半夜有關(guān)。

2.3 不同航段風(fēng)災(zāi)事故與強(qiáng)風(fēng)變化

長(zhǎng)江航道江蘇段雖然位于平原地區(qū)，但各航段之間所處地理環(huán)境有差異，因此強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)出現(xiàn)特征也不同，因此將航道根據(jù)海拔高度和地形起伏進(jìn)行劃分，其中西段為江寧海事站至豐樂(lè)橋站(共8站)，航道主要位于丘陵地帶，兩岸地形起伏明顯；中段為高港站至張家港站(共6站)，這一段是丘陵地帶逐漸向平原地區(qū)延伸，多出現(xiàn)起伏較低的地形；東段從一干河站至南通搜救站(共7站)，主要為平原地區(qū)，沒(méi)有明顯起伏。

圖4為長(zhǎng)江航道江蘇段沿線不同站點(diǎn)強(qiáng)橫風(fēng)頻率與風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率。可以看出，所有站點(diǎn)的強(qiáng)橫風(fēng)平均發(fā)生頻率為56.7%，其中雙山水廠站橫風(fēng)發(fā)生頻率最高(95.3%)，當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)基本以強(qiáng)橫風(fēng)形式影響船體，這段對(duì)長(zhǎng)江水上運(yùn)輸具有很大危險(xiǎn)性。

風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率峰值出現(xiàn)在華能電廠站(14.3%)和雙山水廠站(12.6%)，與之對(duì)應(yīng)的強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率分別為73.2%和95.3%。從各站點(diǎn)平均強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率看，東段(5.7%)>中段(5.2%)>西段(3.6%)，強(qiáng)風(fēng)同樣?xùn)|段(6.3%)>中段(4.7%)>西段(3.5%)(圖略)。這種現(xiàn)象與不同航段所處地理環(huán)境有關(guān)，航道東段位于長(zhǎng)江入?？冢姹绕渌降缹?，其局地海陸風(fēng)和盛行風(fēng)的疊加作用明顯，再加上所處平原地區(qū)，風(fēng)被摩擦削弱的程度較小，因此出現(xiàn)大風(fēng)概率大大增加。同時(shí)東段在夏、秋兩季受熱帶氣旋影響明顯，即使沒(méi)有臺(tái)風(fēng)正面登陸但受外圍影響也會(huì)造成明顯大風(fēng)天氣。另外從東段園博園站至中段韭菜港站，有明顯的一側(cè)淺灘一側(cè)深槽特征。據(jù)海事局調(diào)研發(fā)現(xiàn)這種情況會(huì)造成急流和紊流現(xiàn)象，加之易出現(xiàn)橫風(fēng)天氣，對(duì)船舶的航行非常不利，因此這段航道的事故也明顯多發(fā)。航道中段周邊地形也以平原為主，同時(shí)南部有太湖，使得無(wú)論是冬季冷空氣南下還是春季江淮氣旋都易造成江面大風(fēng)。

圖3 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同季節(jié)強(qiáng)風(fēng)(a)、強(qiáng)橫風(fēng)(b)和風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率的日變化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

圖4 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同站點(diǎn)風(fēng)災(zāi)事故和強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率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 長(zhǎng)江航道事故風(fēng)壓特征

船舶受風(fēng)壓影響主要來(lái)自于垂直船舶平面的大氣壓強(qiáng)，當(dāng)作用于移動(dòng)的船舶時(shí)，瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)更易造成傾斜或者傾覆，因此需要通過(guò)計(jì)算作用于船舶的風(fēng)壓來(lái)表征船體受大風(fēng)的影響程度。瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)于航行船舶的影響更加明顯[11]，因此計(jì)算風(fēng)壓時(shí)采用瞬時(shí)風(fēng)速計(jì)算風(fēng)壓。

考慮不同等級(jí)風(fēng)壓對(duì)船舶造成的影響不同，根據(jù)危害程度、影響范圍和發(fā)生頻率對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行分級(jí)，0120 N·m-25個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)危害程度較小、危害程度一般、危害程度較大、危害程度重大、危害程度特別重大。對(duì)風(fēng)災(zāi)事故的風(fēng)壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖略)，其中危害程度較大等級(jí)占40.9%，而且全部為橫風(fēng)造成的事故，由此看出在風(fēng)壓大于40 N·m-2時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注江面船舶行駛安全。圖5為2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同站點(diǎn)風(fēng)壓在40 N·m-2以上的頻率分布，可以看出，中東段發(fā)生頻率較高，西段發(fā)生頻率相對(duì)較低。

圖5 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段不同站點(diǎn)風(fēng)壓超過(guò)40 N·m-2的發(fā)生頻率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 風(fēng)速瞬時(shí)增強(qiáng)對(duì)船舶的影響

風(fēng)速的突然增大會(huì)造成長(zhǎng)江航道船舶穩(wěn)定難以及時(shí)調(diào)整，特別是出現(xiàn)突然增大的橫風(fēng)時(shí)，瞬時(shí)風(fēng)壓將嚴(yán)重影響水上行駛安全。將風(fēng)速的瞬時(shí)增強(qiáng)定義為事故發(fā)生前1 h內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速比最大10 min平均風(fēng)速大2個(gè)等級(jí)，認(rèn)為事故發(fā)生時(shí)風(fēng)速有瞬時(shí)增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)風(fēng)災(zāi)事故發(fā)現(xiàn)風(fēng)速瞬時(shí)增強(qiáng)事件占總數(shù)的58.7%，風(fēng)速平均增量為4.2 m·s-1。其中2015年“江夏榮”輪在與“明啟”輪碰撞時(shí)風(fēng)速增量為9.5 m·s-1，風(fēng)級(jí)相差3級(jí)，瞬時(shí)風(fēng)壓增加76.1 N·m-2，造成重大人員傷亡。對(duì)比風(fēng)災(zāi)事故中穩(wěn)定大風(fēng)和瞬時(shí)增強(qiáng)大風(fēng)(表1)發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)風(fēng)力增大將造成風(fēng)壓明顯增強(qiáng)，而在風(fēng)力突然增強(qiáng)的事故中有72.9%為橫風(fēng)，平均風(fēng)壓增加量為24.7 N·m-2，可見(jiàn)瞬時(shí)橫風(fēng)增強(qiáng)對(duì)水上安全會(huì)造成嚴(yán)重影響。瞬時(shí)增強(qiáng)大風(fēng)春、夏兩季最多，均為30.5%，其次是秋季(25%)，這是因?yàn)榇?、夏季多出現(xiàn)對(duì)流性大風(fēng)天氣，高低空層結(jié)不穩(wěn)定，常伴隨有風(fēng)力突然增大現(xiàn)象。

表1 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段瞬時(shí)增強(qiáng)大風(fēng)和穩(wěn)定大風(fēng)對(duì)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 大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)計(jì)算與分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江航道江蘇段2015—2017年風(fēng)災(zāi)事故及大風(fēng)發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，以往經(jīng)驗(yàn)中只用風(fēng)力等級(jí)作為大風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)有所不足，大風(fēng)的危險(xiǎn)性評(píng)估需要通過(guò)多個(gè)參量進(jìn)行綜合衡量。同時(shí)隨著精細(xì)化預(yù)報(bào)要求越來(lái)越高，對(duì)長(zhǎng)江航道危險(xiǎn)性預(yù)報(bào)也同樣需要考慮這一點(diǎn)。為合理評(píng)估長(zhǎng)江航道江蘇段氣象條件標(biāo)準(zhǔn)化的大風(fēng)危險(xiǎn)性，利用統(tǒng)計(jì)的風(fēng)力影響范圍、日變化特征、風(fēng)壓及風(fēng)力是否瞬時(shí)增強(qiáng)作為參數(shù)，建立長(zhǎng)江航道江蘇段氣象條件標(biāo)準(zhǔn)化的大風(fēng)危險(xiǎn)性指數(shù)(WFI)，計(jì)算公式如下：

(1+T)×Coef

(9)

式中：R(%)為大風(fēng)影響航道的百分比，即大風(fēng)覆蓋率；Ws為大風(fēng)的權(quán)重系數(shù)，依據(jù)風(fēng)壓等級(jí)，危害程度較小為1、危害程度一般為2、危害程度較大為3、危害程度重大為4、危害程度特別重大為5；Fi(%)為i時(shí)刻的強(qiáng)風(fēng)發(fā)生頻率，i為某時(shí)刻(i=1,2,3，…，n)；T為是否有大風(fēng)瞬時(shí)增強(qiáng)，是為1，否為0；Coef為歸一化系數(shù)，其值取0.25。利用WFI可客觀評(píng)價(jià)大風(fēng)過(guò)程對(duì)長(zhǎng)江航道江蘇段的危險(xiǎn)性。

為評(píng)估WFI的合理性，利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法，將WFI值和大風(fēng)日數(shù)分別與風(fēng)災(zāi)事故進(jìn)行相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.67，同時(shí)兩組顯著性P<0.01(即通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))。說(shuō)明WFI值和大風(fēng)日數(shù)均與風(fēng)災(zāi)事故呈正相關(guān)性，但WFI與風(fēng)災(zāi)事故的相關(guān)性更好，比單純利用大風(fēng)日數(shù)來(lái)判斷危險(xiǎn)性更合理。

2.7 江面風(fēng)速的變化

由于江蘇段航道呈東寬西窄特征，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)水域時(shí)，由于陸上和水面物理性質(zhì)差異，氣流中濕度、溫度及風(fēng)速都會(huì)發(fā)生變化，隨著氣流受下墊面影響，各氣象要素會(huì)產(chǎn)生變性[15]，因此江面大風(fēng)對(duì)船舶的影響不僅僅是沿江氣象站所測(cè)得的實(shí)際風(fēng)速大小，因此利用傅抱璞[15]研究結(jié)果來(lái)討論氣流通過(guò)江面時(shí)的風(fēng)速變化規(guī)律。氣流從陸上進(jìn)入水域后，由于下墊面摩擦阻力減小，風(fēng)速有增大過(guò)程，但隨著水面阻力和其他力趨于平衡，風(fēng)速變化趨于一個(gè)常值，根據(jù)周葉芳[16]研究結(jié)果，長(zhǎng)江江面風(fēng)速與氣流經(jīng)過(guò)江面時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：

(10)

式中：Vl(m·s-1)為氣流進(jìn)入江面前的風(fēng)速；Vs(m·s-1)為江面風(fēng)速；t(s)為氣流經(jīng)過(guò)江面的時(shí)間；a、b、c均為和水域性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)，其主要與水陸大氣層結(jié)的差異和江面附近陸地下墊面粗糙度有關(guān)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立如下經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)陸上層結(jié)穩(wěn)定時(shí)

(11)

(2)陸上層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)

(12)

圖6 2015—2017年長(zhǎng)江航道江蘇段4種陸上條件下Vl與Vs的對(duì)應(yīng)關(guān)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

在此基礎(chǔ)上，對(duì)2015—2017年大風(fēng)進(jìn)行重新計(jì)算，根據(jù)自動(dòng)氣象站點(diǎn)位置和所測(cè)風(fēng)向判斷大風(fēng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)江面還是將要進(jìn)入江面。對(duì)于未進(jìn)入江面的風(fēng)可根據(jù)陸上層結(jié)穩(wěn)定性判斷并利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)所測(cè)風(fēng)速進(jìn)行修正，計(jì)算最大可能風(fēng)速的風(fēng)壓。而對(duì)于經(jīng)過(guò)江面的風(fēng)，由于長(zhǎng)江江蘇段江面較寬，氣流經(jīng)過(guò)江面后基本已到達(dá)最大值，因此所測(cè)風(fēng)速可作為實(shí)際風(fēng)速最大值。經(jīng)過(guò)對(duì)比，冬季江面最大可能變性風(fēng)壓比初始風(fēng)壓平均大149%，而夏季江面最大可能變性風(fēng)壓比初始風(fēng)壓大36.6%，由此可見(jiàn)冬季江面大風(fēng)經(jīng)過(guò)變性后對(duì)船舶的影響更大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)江航道江蘇段春季風(fēng)災(zāi)事故發(fā)生頻率明顯高于其他三個(gè)季節(jié)，這與春、冬季強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率較高有關(guān)，但由于冬季大風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較好，一定程度上減少了事故的發(fā)生。14:00—18:00是風(fēng)災(zāi)事故高發(fā)期，也是強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)發(fā)生頻率最高的時(shí)期，主要與午后對(duì)流性大風(fēng)天氣高發(fā)有關(guān)。

(2)強(qiáng)橫風(fēng)在長(zhǎng)江航道江蘇段的東段和中段發(fā)生頻率較高，而風(fēng)災(zāi)事故高發(fā)峰值也在東、中段，其原因與東、中段平原地區(qū)風(fēng)速摩擦削弱較小，易產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)有關(guān)，并且與海陸風(fēng)產(chǎn)生疊加效果增加了危險(xiǎn)性。而西段由于丘陵阻擋，風(fēng)速摩擦削弱較大不易產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)，降低了風(fēng)災(zāi)事故的發(fā)生頻率。

(3)建立長(zhǎng)江航道江蘇段風(fēng)壓預(yù)警等級(jí)，其中風(fēng)災(zāi)事故多出現(xiàn)于風(fēng)壓超過(guò)40 N·m-2時(shí)，而且東、中段地區(qū)更易出現(xiàn)危害程度較大以上的風(fēng)壓。風(fēng)力瞬時(shí)增強(qiáng)也是引起風(fēng)災(zāi)事故的重要原因之一，它可以使作用于船舶上的風(fēng)壓瞬時(shí)增強(qiáng)，直接影響船體穩(wěn)定性。

(4)利用多個(gè)影響參數(shù)綜合計(jì)算出的大風(fēng)危險(xiǎn)性指數(shù)WFI作為航道危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)更合理。