0.   引言

热带气旋(以下简称TC)所带来的狂风恶浪, 曾造成了无数的海上船舶灾难事故。为了避免悲剧的发生, 船员一般采取避让的航法^[1]。在选择船舶绕避TC方案时, 确定TC周围的危险区域是关键。若与TC中心距离不够远, 则可能会因为受到TC中心附近狂风恶浪的影响, 发生货损或船舶本身的损坏, 造成风浪损失事故; 若与TC中心距离太远, 则会因绕航距离过大而产生过多的船期损失和燃油损失, 带来非事故性损失, 降低航运企业的经济效益^[2]。对于航运企业来说, 保障航行安全无疑是最重要的, 但由于目前运费和燃油价格不断攀升, 由绕避TC带来的过多的船期损失和燃油费用也是不能承受的, 因此, 如何科学地确定TC周围的危险区域, 在有效地保证船舶航行安全的前提下, 尽量减少船期和燃油消耗带来的损失, 对航运企业具有很大的意义。

1.   确定TC周围危险区域方法分析

中国船员最为熟悉的是日本JMH通过气象传真机和互联网发布的72 h TC路径预报及相应的警告区域, 见图 1。日本JMH的做法实际上是给出TC中心当前的实测位置, 以及当前的7级大风(风速不小于30 kn)和10级大风(风速不小于50 kn) 的范围; 然后, 以未来24、48和72 h的TC预报位置为圆心, 以近年来上述3个时间段的TC中心位置预报的平均误差为半径, 画出TC中心未来落入概率为70%的概率圆; 再将10级大风半径套在相应的概率圆外面, 得到24、48和72 h的10级以上大风的警告区。美国海军联合台风警报中心(JTWC)也在互联网上发布TC路径预报, 并给出相应的警告区域, 提醒过往船舶注意绕避。中国中央气象台(NMC)在互联网上发布24 h TC路径预报和大风警戒区域图, 给出了TC中心目前的位置、24 h后的位置以及7级大风和10级大风的警戒区。可以看出, 中、日、美三国对警戒区域的定义、原理和具体做法都基本相似。

图  1  TC路径预报和警告区域

Figure  1.  TC track forecast and warning areas

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国内航运安全指挥部门和船长们所使用的方法主要以经验性的为主。一般的做法是, 在对各种TC预报资讯进行分析后, 在可以假定气象部门的TC路径预报基本准确的前提下, 提出几种绕避TC的方案^[3]。有些公司规定将航线确定在距离TC中心一定距离以外, 如中远(COSCO)规定, 船舶必须距离TC中心300 n mile以外, 不得进入8级大风圈, 气压要保持在1 000 hPa以上, 等等。

国家气象中心所属的北京全球气象导航技术有限公司, 则是当被导船舶航区附近出现TC时, 根据TC路径预报的结果和船舶实际可能的航速, 绘制船舶-TC综合动态图。由此图得到船舶-TC中心之间相对方位和距离的变化情况, 船舶是否将进入TC的7级和10级大风圈及进入大风圈的时间, 船舶-TC中心之间最短距离及出现时间, 以及出现对船舶最不利的风向和风力的时间和位置。然后, 根据船舶的抗风能力, 将TC周围的海区按风浪强度划为安全区、风险区和危险区, 得到与船舶抗风能力及绕避TC风险等级相对应的绕避TC航行方案, 称为目标圆方法^[4]。

气象预报机构给出的警告区域, 是目前各航运企业确定绕避TC距离的重要依据。但是, 这其中仍然存在几个问题, 这些问题对船舶绕避TC的安全性和经济性有着较大影响。

首先, TC中心未来落入概率圆的概率较小, 仅为70%, 不能做到尽可能将绝大多数TC包含在内, 因此, 对绕避TC航线选取的安全保障程度尚有缺欠。

其次, 由于TC路径预报存在误差, 未来TC中心位置的准确性难以保证, 因此, 必须同时考虑多家预报台对同一TC的预报情况, 而如何将多个来源的TC路径预报科学有效地进行综合考虑, 则是一个属于多源信息融合的科学问题, 尤其是当几个预报台给出的预报结果之间差别较大的时候。

再者, 各警告区域都是仅以大风为标准, 没有考虑大浪区。实际上, 对于海上船舶而言, 大浪的影响和所造成的损失要远大于风的影响。而且, 大浪区并不完全与大风区重合(图 2)。

图  2  风场和浪场

Figure  2.  Wind field and wave field

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航运部门在实际绕避TC时, 仍使用以经验或公司规定的风浪和气压指标来确定距TC中心距离, 同时采取“边走边看”的方法。在确定绕避TC中心的距离时, 对船舶的抗风能力、TC的强度以及不同气象台对同一个TC移动情况的预报误差等具体条件, 都没有给出一个综合性的评估和考虑。有的公司甚至采用“一刀切”的办法, 对所属的所有船舶规定一个统一的绕避TC风级。实际上, 不同的TC有着不同的尺度和不同的大风浪范围, 而且差距非常大。

气导公司的目标圆方法在确定与TC中心最近距离时, 基本上还是根据船公司提出的具体指标来确定的。而船公司并没有对具体船舶进行此方面的定量评估手段, 仍是根据经验人为地估计, 缺乏对具体船舶与TC实际面临风险的评估。

总之, 目前所能见到的确定TC中心周围大风浪危险区域的方法, 均存在有待于改进之处, 以供实际绕避TC决策使用。

2.   TC周围危险区域的不确定性

在实际工作中, 从TC中心的定位到移动情况的预报, 都存在着较大的误差, 这必然会给对TC的避让带来很大的麻烦。以TC中心定位精度为例, 近年来中国与美国等国际先进水平相当, 对TC中心定位的误差平均在20~30 km范围内^[5]。

热带气旋的移动预报更是如此。尽管随着电子计算机技术的飞速发展, 数值天气预报的水平不断提高, 但是, 由于大气是一个高度非线性的混沌系统, 这种混沌特性会使得从2个相差很小的初始状态起步的模式积分, 在积分几天以后变得面目全非^[6]。在TC出没在茫茫大海上, 几乎没有观测站, 观测数据十分贫乏, 所以数值天气预报使用的初值是十分不准确的, 用不准确的初始场作数值天气预报必然会造成预报的不准确。

以2004年为例, 目前世界上公认TC路径预报较为准确的中国、日本和美国, 24 h预报误差基本在100~140 km的水平上; 48 h预报误差一般在180~250 km范围内, 而24、48 h的最大预报误差, 则可能大于600和1 100 km^[7](表 1)。

表  1  预报距离误差

Table  1.  Errors of TC track forecasts

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由于上述误差的存在, 使得在作为船舶避让TC重要依据的传真天气图和TC警报中, 有关TC中心位置、大风范围及移动情况的预报等信息, 全部都具有较大的不确定性。如目前日本JMH使用的24、48 h的概率圆的落入概率只有70%。这样的准确率, 显然不利于船舶绕避TC的安全性。

在同多位具有丰富的绕避TC经验的远洋船长进行研究后, 对TC中心周围危险区域进行了划定。本文将TC中心周围的危险区域划分为强风巨浪区和狂风狂浪区, 具体规定见表 2。

表  2  TC周围危险区域的划定

Table  2.  Determination of dangerous areas around TC

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危险区域名称强风巨浪区狂风狂浪区风力或浪高7级≤风力 < 10级或4 m≤浪高 < 6 m风力≥ 10级或浪高≥ 6 m上述规定主要是根据远洋船舶在实际绕避TC时, 船长或海监室的安全管理人员在实际确定绕避TC距离时, 习惯上的做法、心理上的承受能力和公司的相关规定; 同时, 也参考了蒲氏风级表上相应的风浪等级的名称。只要TC中心周围的大风或大浪的强度可能满足风力或浪高两者中的一个条件, 便当作相应的危险区域。这样, 就把风级和浪高都纳入了考虑的范围之内, 因此, 不完全等同于中国和日本在TC警报图上给出的TC大风警戒区。但是, 这样定义的TC危险区域, 确是与航行安全和企业日常管理和操作一致的, 具有明确的实际意义^[8]。

3.   基于多源预报的TC周围危险区域确定原理

为了在绕避TC决策过程中充分考虑多家不同来源的TC路径和TC中心周围风浪场的预报结果, 同时尽可能地增大TC中心落区的概率, 本文提出基于多源预报的TC中心周围危险区域的确定方法。根据多源信息融合技术的理论和方法, 可将不同来源与结论不同的预报结果进行综合考虑, 从中得出可以进行科学地选择最佳决策方案的参考结论^[9]。对于西北太平洋上的TC, 可主要考虑中国NMC、日本JMH和美国JTWC三家发布的24 h TC中心位置预报。

设中、日、美三家24 h的TC预报位置分别为(λ₁₁²⁴, φ₁₁²⁴)、(λ₂₁²⁴, φ₂₁²⁴)、(λ₃₁²⁴, φ₃₁²⁴), λ为径度, φ为纬度, 由此, 可分别求出3个预报位置之间的距离, 即: 中、日24 h TC中心预报位置之间的距离为

中、美24 h TC中心预报位置之间的距离为

日、美24 h TC中心预报位置之间的距离为

定义中、日、美三家24 h TC中心预报位置的离散度为

由此, 根据2001~2006年TC中心实际位置与中、日、美三家TC中心预报位置的历史资料, 对中、日、美三家24 h TC中心预报位置的离散度与预报平均误差, 即三家TC中心预报位置的重心坐标(λ₂₄, φ₂₄)与TC实际位置(λ₀, φ₀)之间距离的关系, 进行统计。24 h TC中心预报位置的重心坐标为

通过对2001~2006年中、日、美三国对96个TC共1 092个时次的24 h TC中心位置预报结果的统计, 得到了中、日、美三国24 h TC中心预报位置离散度与预报平均误差的关系情况, 见表 3。

表  3  不同离散度下的90%落入概率圆半径

Table  3.  Radii of 90% falling probability with different discrete values

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表 4为中、日、美三国单个预报结果的概率圆大小。可以看出, 当离散度在80 n mile以下时, 使用多源预报融合方法得到的90%落入概率的半径明显小于单个预报的结果; 在离散度为80~300 n mile时, 两者结果相当, 但仍然是多源预报融合方法的结果略好; 仅在离散度不小于300 n mile时, 多源预报融合方法的概率圆半径要大些。

表  4  不同预报台预报结果统计

Table  4.  Statistic on results of different forecasters

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出现这样的统计结果, 是由于各预报台所给出的预报误差区域是根据近年来该预报台的TC中心位置预报平均误差制定的, 而实际上, 预报台的TC中心位置预报与具体的TC也有很大关系, 对不同的TC完全采取同一个误差标准来确定TC中心未来位置的落入概率圆, 显然是不够科学的^[10]。因此, 在实际决策时, 可根据中、日、美三国对该TC中心未来位置的预报情况, 求出预报的离散度, 再根据统计得到的预报位置与平均误差的关系, 得出相应的90%落入概率的概率圆范围, 然后将大风浪半径套在此概率圆的外面, 即可得到充分考虑了多家TC预报结果的TC中心周围大风浪危险区域。从而最大程度地增大了TC预报圆的落入概率, 为绕避TC决策提供更加精确的依据。

4.   确定TC危险区域的方法、步骤和实例

在确定TC危险区域时, 先画出目前TC中心位置和未来24 h该TC 90%落入概率圆范围, 再根据日本JMH发布的30和50 kn大风半径, 以及海浪实况图和海浪预报图上面的4和6 m大浪区的半径, 将其分别套在目前TC中心位置和概率圆的外面, 然后, 将相应的实况和预报风浪区联结起来, 即可得到考虑了TC中心预报误差的强风巨浪区和狂风狂浪区的范围(图 3)。TC危险区域的确定流程见图 4。

图  3  TC危险区域模型

Figure  3.  Model of TC dangerous areas

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图  4  确定TC危险区域的流程

Figure  4.  Determining flow of TC dangerous areas

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2007年8月15日14 UTC, 0709号强热带风暴圣帕(SEPAT)位于(128.1°N, 15.7°E)。日本JMH给出的大风浪范围为: 30 kn大风半径为170 n mile, 50 kn大风半径为80 n mile; 4 m大浪区右半圆半径为180 n mile, 前后半圆半径为150 n mile, 左半圆半径为120 n mile; 6 m大浪区右半圆半径为110 n mile, 前后半圆半径为100 n mile, 左半圆半径为75 n mile。

强热带风暴圣帕24 h后的中、日、美三国分别预报位置为(125.6°N, 17.2°E)、(126.6°N, 17.5°E)、(126.2°N, 17.7°E)。

由此, 可算出中、日、美三国预报位置的重心坐标为(126.1°N, 17.5°E), 预报离散度为63 n mile。根据前面统计得到的相关性, 可知未来24 h该TC中心的位置有90%的概率将落入以(126.1° N, 17.5°E)为中心, 半径为98 n mile的圆内。

日本JMH预报的24 h后该TC大风浪范围为: 30 kn大风半径为170 n mile, 50 kn大风半径为80 n mile; 4 m大浪区右、后半圆半径为225 n mile, 前半圆半径为180 n mile, 左半圆半径为150 n mile; 6 m大浪区右、后半圆半径为150 n mile, 前、左半圆半径为120 n mile。

综合以上信息, 即可得到0709的强风巨浪区和狂风狂浪区见图 5。经与有丰富绕避TC经验的远洋船长讨论, 认为这样得到的TC危险区域, 对TC大风浪的实况、TC路径预报的不准确性、多家预报台TC路径预报的结果等, 均给予了考虑, 能够较好地满足航运企业和船上实际进行绕避TC决策时的要求, 具有很好的实用性和科学性。

图  5  TC危险区域划定

Figure  5.  TC dangerous areas

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5.   结语

提出基于多源预报的TC中心周围危险区域确定方法, 使用多源信息融合技术, 科学、有效地将多个预报台对同一TC未来移动状况的预报结果进行全面考虑, 以提高船舶绕避TC决策的安全性, 又能最大限度地维护企业经济效益。