船舶西風(fēng)帶布放氣象浮標(biāo)作業(yè)窗口與操縱技術(shù)

沈權(quán) 趙炎平 汪雷 肖志民

摘要：隨著極地科考、旅游和其他商業(yè)行為越來越多，如何確保船舶安全通過西風(fēng)帶的關(guān)鍵因素之一就是獲取準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)。盡管世界上絕大部分區(qū)域的氣象分析和天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度較高，但西風(fēng)帶是少數(shù)預(yù)報(bào)精度較差的區(qū)喊之一。為了提高天氣預(yù)報(bào)精度，在西風(fēng)帶布放氣象浮標(biāo)是必要環(huán)節(jié)。因此，本文通過介紹“雪龍”號(hào)科考船實(shí)施我國(guó)第一次西風(fēng)帶布放氣象浮標(biāo)的作業(yè)過程，為其他船舶西風(fēng)帶作業(yè)發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)并找到解決方案提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：西風(fēng)帶;作業(yè)窗口;操縱技術(shù)

1作業(yè)背景

近年來，在各個(gè)政府加大南極洲科學(xué)考察的基礎(chǔ)上，由于其特有的地理位置、自然風(fēng)光和資源豐富等特點(diǎn)，逐漸吸引了更多國(guó)家和公司加入到南極洲科學(xué)考察和商業(yè)開發(fā)中來。前往南極洲的主要交通工具為船舶，由于南極洲與其他大陸之間橫亙著南大洋（南緯40°-60°之間稱為“西風(fēng)帶”），如何保障船舶安全穿越南大洋，順利進(jìn)入南極洲，成為航行安全亟須解決的問題。

2作業(yè)必要性

2.1西風(fēng)帶可供實(shí)測(cè)氣象水文數(shù)據(jù)的陸地資源少，影響氣象預(yù)報(bào)精度

除了麥夸里島、赫德島和凱爾蓋朗島等幾個(gè)島嶼外，廣闊的南大洋上沒有其他適合建立氣象臺(tái)的陸地。陸基氣象水文觀測(cè)點(diǎn)僅能提供少量的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，無法為氣象預(yù)報(bào)提供大數(shù)據(jù)支持。到目前為止，西風(fēng)帶仍是世界上氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較差的地區(qū)之一。

該區(qū)域氣象預(yù)報(bào)精度缺少更多的手段對(duì)天氣資料進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè)和發(fā)布，所以布放浮標(biāo)收集和發(fā)布實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)對(duì)特定區(qū)域的預(yù)報(bào)資料進(jìn)行補(bǔ)充、提升天氣預(yù)報(bào)的正確性，以便更好地提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更好地為來往科考船及郵輪提供航行安全保障。

2.2西風(fēng)帶氣象預(yù)報(bào)精度影響船舶航行安全

西風(fēng)帶氣旋的生成、發(fā)展以及消亡變化的速度很快，來得快、強(qiáng)度大、路徑變化大，常年平均風(fēng)力5—6級(jí)，海況4-6級(jí)為主（浪高5-6m），最大時(shí)可達(dá)20m以上的驚濤駭浪，被稱為“咆哮西風(fēng)帶”;再者，該水域氣象預(yù)報(bào)精度較差，對(duì)于穿越南大洋的船舶，如果選擇穿越和作業(yè)的時(shí)間窗口有較大的偏差，將會(huì)面臨較大的航行安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，布放氣象浮標(biāo)收集和發(fā)布實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)對(duì)南大洋的預(yù)報(bào)資料進(jìn)行補(bǔ)充、提升天氣預(yù)報(bào)的正確性，以便更好地提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更好地為穿越西風(fēng)帶或在西風(fēng)帶作業(yè)的船舶提供航行安全保障。

3作業(yè)難點(diǎn)

3.1作業(yè)窗口少，時(shí)間短

根據(jù)歷年氣象資料統(tǒng)計(jì)得知，西風(fēng)帶出現(xiàn)滿足氣象浮標(biāo)布放條件的海況占比約為5%，作業(yè)窗口非常少。即使出現(xiàn)了窗口期，窗口時(shí)間也比較少。如何在這樣的環(huán)境中找到適合作業(yè)的窗口（2-3級(jí)海況下方可進(jìn)行浮標(biāo)的布放），是完成本次作業(yè)的先決條件，也是南大洋進(jìn)行浮標(biāo)布放面臨最大的困難。

3.2航次計(jì)劃受氣象條件約束大

氣象浮標(biāo)布放作業(yè)站位于53°S、176°E附近，新西蘭基督城至該作業(yè)站約580n mile。航次計(jì)劃需要充分考慮如何在前后兩個(gè)氣旋的影響下找到一條航線，快速進(jìn)入西風(fēng)帶，按時(shí)抵達(dá)預(yù)定位置，為浮標(biāo)布放和繼續(xù)穿越西風(fēng)帶爭(zhēng)取較長(zhǎng)的窗口時(shí)間。

3.3

非專業(yè)船舶布放

“雪龍”號(hào)船不是浮標(biāo)專用布放船，浮標(biāo)布放專用設(shè)備較少，船員相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)不足，也是本次作業(yè)的難點(diǎn)之一。

4作業(yè)窗口的選擇與驗(yàn)證

4.1作業(yè)窗口選擇

根據(jù)2018年12月30日的氣壓場(chǎng)實(shí)況分析圖（見圖1），本次從新西蘭穿越西風(fēng)帶和布放浮標(biāo)主要是受到1和2號(hào)氣旋影響。1號(hào)氣旋（中心強(qiáng)度974hPa）在新西蘭南部海域自西東移，2號(hào)強(qiáng)氣旋（中心強(qiáng)度965hPa），當(dāng)前位于100°E左右，未來將快速東移。浮標(biāo)作業(yè)站位（簡(jiǎn)稱A點(diǎn)）天氣和海浪預(yù)測(cè)表明，A點(diǎn)受到1號(hào)氣旋的涌浪影響，之后涌浪減小，2號(hào)氣旋影響之前，A點(diǎn)最好風(fēng)浪環(huán)境為風(fēng)力4-5級(jí)、波高2-2.5m，預(yù)計(jì)時(shí)間2019年1月1日15：00-19：00。第二個(gè)因素是“雪龍”號(hào)需在1日15：00前到達(dá)A，此時(shí)新西蘭東南海域正受到1號(hào)氣旋的影響，若想在浮標(biāo)作業(yè)窗口前到達(dá)A作業(yè)站，“雪龍”號(hào)需要2018年12月30日起航沿1號(hào)低壓后部的4m涌浪南下。根據(jù)以上分析，“雪龍”船出發(fā)時(shí)間由原定31日20：00離港提前到30日22：00，為后續(xù)穿越和布放浮標(biāo)打下基礎(chǔ)。

等值線波高、矢量分別代表風(fēng)速（灰色）、涌向（紅色），1號(hào)低壓引起的涌浪減弱到2 m，2號(hào)低壓（965hPa）最大涌浪6-8m位于50°S、70°E附近;紅旗為“雪龍”號(hào)1日實(shí)際船位，藍(lán)旗為“雪龍”號(hào)2日計(jì)劃船位。

4.2作業(yè)窗口驗(yàn)證

根據(jù)西風(fēng)帶氣象窗口，“雪龍”號(hào)于2018年12月30日22：00沿1號(hào)低壓大涌浪后部南下，順利在1月1日下午抵達(dá)浮標(biāo)布放地點(diǎn)（海浪預(yù)報(bào)見圖2），并成功進(jìn)行了西風(fēng)帶海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的布放，實(shí)時(shí)海洋氣象資料表明涌浪在2 m左右，為此次西風(fēng)帶穿越中最好海況。1月1日完成西風(fēng)帶浮標(biāo)布放后，“雪龍”號(hào)陜速直接南下。受2號(hào)氣旋鋒面的影響，1日夜間，航路風(fēng)力增大到7級(jí)，涌浪波高增大到3m，并持續(xù)1天時(shí)間。1月2日晚，“雪龍”號(hào)到達(dá)60°S，成功完成西風(fēng)帶穿越。1月3日，在2號(hào)氣旋影響下，浮標(biāo)作業(yè)點(diǎn)的有效波高最大為10m，見圖3。

5作業(yè)中船舶操縱技術(shù)

5.1浮標(biāo)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

浮標(biāo)由浮標(biāo)體、監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?，見圖4。根據(jù)預(yù)定站位4000-4500m水深情況，錨泊系統(tǒng)選用適用于水深3000-5000m的錨系結(jié)構(gòu)，配置尼龍繩1500m l段，1000m 4段，500m 1段，70m錨鏈和1.5t抓力錨，以滿足倒S型錨系形式的需求。

5.2布放方案

5.2.1布放原則

本次浮標(biāo)作業(yè)中，根據(jù)浮標(biāo)特點(diǎn)和海區(qū)水深情況，采取“先標(biāo)后錨”方法，即先將浮標(biāo)體吊放到水中，浮標(biāo)體隨風(fēng)、水流或操作母船遠(yuǎn)離作業(yè)船，再布放錨泊系統(tǒng)6000m纜繩，最后布放沉底錨鏈和抓力錨。浮標(biāo)體和纜繩從中甲板下水，錨泊用的錨鏈和抓力錨從船艉入水。

5.2.2布放程序

準(zhǔn)備工作完成后，氣象浮標(biāo)布放程序主要分為4個(gè)階段，分別為：

程序1：船舶穩(wěn)住后，吊起浮標(biāo)，通過止蕩繩防止浮標(biāo)擺動(dòng)，待浮標(biāo)接近水面后，釋放脫鉤器，浮標(biāo)脫鉤入水，回收止蕩回頭繩，浮標(biāo)遠(yuǎn)離至船艉，如圖5所示。

程序2：纜繩通過艉部A架入水，根據(jù)船速調(diào)節(jié)牽引纜繩的速度，避免纜繩打結(jié)或張力過大。釋放纜繩過程中，利用繞羊角方式暫停纜繩下放，保證纜繩連接所需的時(shí)間，如圖6所示。

程序3：待剩下約200m纜繩時(shí)，暫停施放纜繩，纜繩末端接頭與錨鏈連接。完成后，繼續(xù)下放纜繩。完成全部纜繩下放后，尾甲板人員將50m錨鏈和錨通過A架和絞車將錨鏈全部下放入水。錨鏈入水后，錨鏈脫鉤，完成錨系入水，如圖7所示。

6結(jié)論與展望

通過本次作業(yè)，作者認(rèn)為西風(fēng)帶作業(yè)應(yīng)該關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）作業(yè)窗口的合理選擇是關(guān)鍵。西風(fēng)帶適合作業(yè)的天氣概率只有5%，如何做好航次計(jì)劃，順利到達(dá)指定位置是關(guān)鍵。

（2）作業(yè)期間控制艏向和速度是基礎(chǔ)。2 m的海浪已經(jīng)是非常好的天氣海況，但涌浪較長(zhǎng)，如何穩(wěn)住船艏并控制好船速，是氣象浮標(biāo)布放作業(yè)的核心。

（3）盡量減輕錨系布放對(duì)浮標(biāo)的沖擊力。錨系入水前，操縱船舶轉(zhuǎn)向前往浮標(biāo)點(diǎn)，縮短船舶與浮標(biāo)之間的距離可有效避免錨系下沉過程中對(duì)浮標(biāo)的沖擊。

這是我國(guó)第一次西風(fēng)帶氣象浮標(biāo)布放作業(yè)，為更多船舶在西風(fēng)帶作業(yè)探索了路徑，提供了可行性參考。