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论文技巧大全-浅论气象预报在航线设计中的应用
时间:2021-04-20 11:05:26

  海运凭借诸多优势成为了国际物流的主要运输方式,保证海运运输的安全和便捷是首要任务,故而航线的提前设计规划便尤为重要。科学的航线应综合考虑船舶性能要求和船员航行经验;熟悉航次气象,充分利用季风和洋流;了解航区天气特点,避免顶风顶流;掌握航路情况,避开 董险区域。如此才能尽量缩短航程、减小油耗、降低排放、保障海上人命与财产不受损失,达到安全、经济、周密、高效的海运目的,同时响应全球节能减排的号召。而在航线设计工作中关于气象预报是不得不提的话题之一,气象对航海活动有着极其重要的影响,所以合理运用气象预报是航次计划顺利实施的前提因素,只有科学充分的应用气象预报才能保证航次任务的圆满完成。本文对气象预报及其在航线设计中的应用进行简单论述,旨在为积极发挥气象预报在航线设计中的应用提出自己的建议及看法。

  1.1选题背景和意义

  自20世纪90年代以来,随着世界贸易的不断加强、经济全球化的逐步加深以及科技日新月异的进程,世界航运业得到了空前的发展。贸易量达到了全球贸易总量的2/3以上,世界各国商船船队为了增加其竞争力及利润率,船舶运载吨位也逐渐增大,出现了向大型化、高速化、自动化不断发展的趋势,但随之而来的并不是海难事故大幅度降低,相反海难事故数量依然触目惊心,即使总体趋势有所缓解,但情况依旧不容乐观。而在众多的海难事故原因分析中,仅由天气灾害造成海难事故在全球海难事故的占比达到了30%以上。

  近年来航运业持续低迷,有研究报告及数据深度预测表明,当前海运业复苏乏力,是由运力过剩的市场格局导致的,也与产业自身特性密不可分。众所周知,金融 董机之前,航运业前途光明,各国商船船队规模不断增大,致使行业迅速膨胀,造成了僧多粥少的紧张局面。加之航运业本身是高投入、高风险的行业,也是资本十分密集的行业,船舶的高造价使得即便其产能落后也难以淘汰的情况成为了必然,在如此市场环境下,对航运业的复苏好转都会产生不利影响。

  航运业在全球二氧化碳排放总量中的占比逐年攀升。国际海事组织(IMO)同各国政府当局都高度重视船舶所产生的有毒有害气体对大气污染的问题。IMO环境保护委员会(MEPC)出台了相应措施,颁布了一系列有关文件,旨在要求船公司和船舶根据国际国内的法律法规和文件精神制定有效的船舶能效管理计划(SEEMP),以降低船舶排放。

  纵观整个航海史,远在独木舟时期古人们就注意观察气象,选择合适时间和海区出航。而在科技高度发达的今天,我们更应该充分利用现有的科技资源,科学合理的应用气象预报的条件,设计最佳航线,而不能盲目的依靠船舶驾驶员的航行直觉。海上气象情况的提前预知让航行船舶驾驶员对航区海况有更全面的把握,对航线设计有巨大帮助,同时对开航前的工作也能有充分的准备。所以通过气象预报进行最佳航线设计是保证船舶航行安全、降低海难事故率、提高船公司收益、减少船舶排放、避免由海上气象条件给航运带来不利影响的重要前提。

  由此可见,对气象预报的综合应用对最佳航线的选择制定具有积极的现实意义,是保障海上人命财产安全、全面降低世界海难指数的基石;是对全球气候突变、节能减排的响应;也是加快航运业繁荣进程的推手。

  1.2当前的研究现状

  由于气象预报对航运业乃至整个人类生活都有深远的影响,所以气象科学已经成为各国政府普遍关心的重大科学问题之一。在全球范围形成了较为系统的科学研究方案。俨然有不少科学家为之奉献青春。

  在航海业也有为数众多的学者付出了不少努力,目的都是为了推动航海事业的发展。例如陈家辉学者在其著作《传真天气图在航海中的应用──高科技数值天气预报与现代航海》中讲述了数值天气预报在现代航海中的应用,包括数值天气预报的简介,所带来的气象定线(气象导航)的好处。让航海人员对气象预报有了更深入的了解,同时也为船舶驾驶员对发挥气象预报的积极作用具有很大的帮助。但由于该著作于1997年发表,加之科技的飞速革新,所以对当前船舶驾驶员只具有部分参考价值。

  而上海远洋运输有限公司李长宏船长在其著作《气象导航在船舶航线设计中的应用》一文中讲述了气象导航对船舶航线设计的影响和应用以及对控制船舶排放的意义,利用两船舶在远东至巴拿马运河航线中是否采用气象导航所带来的的船舶经济效益进行比较,直观的说明了气象导航的优势。对船舶驾驶员对于采取气象导航具有相当大的参考价值。但对于气象预报没有讲解,在对航线设计的具体应用方面也缺乏详细的说明。

  所以今后我们需要投入更多的心力,提供更加充分、详细的数据结合当前的气象科学的发展趋势为航海活动做有力支撑,对航海工作中特别是在航线设计方面为船舶驾驶员提供更有力的参考价值。

  1.3专题研究的主要内容

  本专题主要是对气象预报在航线设计中的综合应用进行分析,包括气象预报的原理介绍、气象预报的益处与不足和对航线设计的帮助,对气象预报在航线设计中的应用方面做简单阐述,以及如何更好的应用气象预报、发挥其应有的特点提出自己的建议,从而为未来在航线设计规划中的船舶驾驶员提供有一定价值的参考。

  第二章:气象预报的综合分析

  2.1气象预报的由来

  因为航海活动的需要而使得气象预报得到了大发展。1854年11月的一天在欧洲东南部的黑海,当时的英法联军正与沙皇俄国作战,英法联合舰队停泊在黑海。但风平浪静的黑海却突然出现狂风骤雨,没多久巨浪将所有军舰全部掀翻,给英法联军带来了巨大的损失。消息传回后使法国朝野震惊,法国皇帝拿破仑三世命令巴黎天文台调查原因。

  最后一个叫勒威耶的天文学家通过气象数据的收集得知此次风暴是由一个低气压造成的,这个低气压最早出现在欧洲西部大洋上,从西北向东南方向运动,到了黑海,就造成了这场大灾难。勒威耶弄清了风暴的来历并写了一份调查报告,建议建立气象观测网,绘制天气图,这样就可以预报气象了,并利用电报快速传送气象情报。如此气象预报才逐渐发展起来。不久以后,法国和英国正式开始天气预报工作,并很快推广到全世界。

  2.2气象预报的内容、特性和船舶获取气象信息的途径

  2.2.1气象数据的获取及系统介绍

  气象预报是对大气物理过程以及气象要素的相互作用中所发生的各种物理现象进行分析,利用现代科学手段所得到的气象观测资料,同时辅助应用多门学科的原理方法对某一区域的未来一定时段的气象状况做出科学的分析和预测。气象预报之所以能够对气象进行准确的观测离不开先进设备的研发。正是有了这些硬件基础,才为天气预报提供了重要条件。

  目前主流的气象数据的获取是通过发射同步气象卫星、安装气象雷达以及建立地空气象观测站通过数学模型和高性能计算机对各类气象因子进行分析计算,推测未来的天气状况。同时再用气象站的观测数据对计算机的计算结果进行验证。

  气象卫星进行卫星云图的拍摄,对云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位以及陆地表面和海洋表面状况进行观测,如冰雪、风沙、海洋表面温度、海冰和洋流等。同时监测大气环境中的水汽总量、温湿度、降雨区域和雨水总量以及大气环境中臭氧的分布及其含量。

  气象雷达是用于探测气象要素和各种天气现象的雷达,气象雷达可以为船舶航行提供准确和连续的图像,气象雷达装置主要由各种硬件设备与计算机图形处理器组成。雷达通过发射电磁波,然后对回波进行接收处理,进而探测观测目标的物理特性。比如利用空气中的雨滴对电磁波的散射来观测求取大气降水或云层水滴的总量和位置等,也可以探测热带气旋、锋面情况等。也能对云层的顶底高度、不同高度大气层的风向、风速和气压、温湿度等气象要素进行观测。

  船舶气象站则是利用船舶为载体的气象观测系统,通过对船舶航行过程中所能监测到的水文和环境等要素进行长期、稳定、持续的观测,为海上气象预报和气候研究提供实时准确的观测数据,同时也为卫星、雷达等观测到的气象要素提供修正依据。

  2.2.2航海气象预报信息的获取途径

  1.船舶气象传真机直接接收

  现在商船都会配备气象传真机,以用于接受气象传真图,知晓气象预报信息,所以船舶应认真接收气象报告。船舶通过利用气象传真机在规定的时段接收船舶所在位置附近气象站的气象传真,具有良好的直观性、连续性,同时还具有便于分析应用和长期保存的优点。

  全球气象传真广播台大致分为六个区域,分别是亚洲、非洲、南美洲、北美洲、欧洲和西南太平洋。船舶可以通过英版《无线电信号表》第三卷(NP283)中查询所需要气象站的呼号,使用频率、发射时段以及发射内容和节目表。

  气象传真图包括地面图、高空云图、海浪图、海流图和冰况图等

  2.NAVTEX(沿岸)系统

  船舶应按国际海事组织要求配备NAVTEX(沿岸)系统,在国际NAVTEX业务NBDP(窄带直接印字电报)会在518KHz上使用英语播发紧急信息,其中就包括气象信息。在国内也会通过该国主管部门认可的语言在518KHz频率以外播发安全信息,同样可以接收所需要的气象信息。

  3.INMARSAT系统

  目前商船都会配备INMARSAT系统,在A3海区的船舶可以通过INMARSAT系统的子系统INMARSAT-C站中EGC业务,利用船舶EGC接收机接受海上安全信息和船队网信息。其中包括不定时播发大风警告和遇险报告,定时播发气象预报和航行警告。

  4.通过互联网查询下载

  如今,随着互联网功能的不断完善和智能手机的高速发展,给人们带来了巨大的便捷,尤其如今智能手机所提供的良好的用户界面和简便的操作性能,提供了很多我们所需要的信息。互联网上已经拥有很丰富的气象信息,并且时时会进行更新。这样就给我们获取气象信息提供了更多的来源。可以根据船舶航线选择对应国家的海洋气象官方网站提供的气象信息,如果关心的海域不同,还可以选择不同的网站来下载气象信息。具有操作方便快捷,数据清晰等特点。

  5.通过公司辅助查询

  此类情况针对一些特殊情况,如果因为船舶在航行在某些海区由于信号不好或设备损坏等问题无法自行查询也无法接收时,可以给通过给船公司海务船长发送邮件,请求辅助查询。海务船长在陆地上利用互联网去气象站官网查找后打包发送到船上即可。

  6.查看气象类书籍资料

  气象书籍所提供的一般是气象要素在长期的气候变化中所出现的概率平均值,可以弥补航行时间长与普通气象预报时段不足的矛盾。但准确性相对较差,所以在查询此类资料时因注意资料数据的获取时间、详细程度和准确度。

  2.2.3航海气象预报的主要内容

  1.风和浪:船舶航行在海水和空气两种流体当中,长时间的强风是容易导致巨大海浪,是造成海难事故的自然因素之一。强风会引起船舶的不稳定运动,造成船舶机器设备的不正常运作从而导致严重的船损和货损。船舶在巨浪中顶浪航行时,几乎无法前进,且有倾覆的巨大 董险。

  2.海流:海流主要由海风导致,是影响船舶操纵的主要因素之一。会形成对船体的流压,使其偏航,造成碰撞或搁浅的 董险;对船舶舵效舵力以及船速都有双面作用。

  3.雾:浓雾能造成能见度严重降低,对船舶驾驶有很大 董害。船舶在雾区航行时,即便有电子设备进行导航,但船舶碰撞事故仍不能完全避免。

  4.雨:强暴雨也会引起能见度降低,引起船舶驾驶 董险,同时对船舶货物安全构成威胁。

  5.海冰和冰山:是船舶在高纬度海区航行的巨大安全威胁。史上著名的泰坦尼克号就因冰山撞击而沉没,造成空前的海难事故,使得船上千余人丧生。

  6.温湿度:对船舶设备以及所装载货物都有不同程度的影响。

  2.3气象预报的特性分析

  1.气象预报的区域性

  (1)大范围预报:通常指全球预报、半球预报、某一的国家预报或大洲、大洋预报;

  (2)中范围预报:常指省、州和地区范围的预报如某一海区的预报;

  (3)小范围预报:一般是指如县城范围内的预报、某一城市预报和机场、港口的预报等。

  2.气象预报的时效性

  (1)短时预报:根据雷达、卫星探测资料监测局部强风暴在未来几小时内的变化趋势,预报未来24或48小时内即将出现的天气状况;

  (2)中期预报:对未来3到15天内的气象预报,主要包括受何种天气过程影响、能否出现灾害性天气、以及主要的天气变化趋势;

  (3)长期预报:常指1个月至1年内的气象预报;

  (4)超长期预报:预报时效1到5年,并展望未来5年,甚至10年以上的气象预报。

  3.气象预报的准确性

  目前,气象预报的准确性与其时效性密不可分。通常来说,预报时间越短其准确性就越高,如现在的短期天气预报已经能做到精确到以时为单位进行预报。如多普勒雷达系统可以通过向周围发射电磁波束,检测大气中的水汽、尘埃等的运动,来测量同地面平行的各个水平面上的风速、风向。它作出的天气预报十分具体:哪一个地方,几点到几点钟将降落多少毫米的雨。即便是在短期内将发生突然的气流变向,多普勒雷达系统也能作出相当准确的预报。另一种激光多普勒雷达“莱达”,是一种监视地面气象状况的新装置。它装在极地轨道卫星上,每天可测取两次风速。如果有两颗卫星装有“莱达”,这可以监测整个地球的大气状况。采用“莱达”系统以后,可以使7~10天的中期天气预报,同目前的24小时的预报一样准确。

  4.气象预报的必要性

  气象预报对生产生活的重要性毋庸置疑,在航海活动中更是必不可少。从古至今,人们用经验就对天象进行判断来选定出海的时间,不然也只能祈祷神佛庇佑。而到了近现代人类虽然没有全面改变气象状况的条件,但是通过对气象的预测能让人们提前规避不必要的风险,最大限度地减少灾害对人民生命财产造成的损失,提高经济效益。所以气象预报的发展与运用是非常必要的。

  第三章:气象预报在航线设计中的实际应用及方法

  3.1航行前的综合规划

  3.1.1气象导航的投入使用

  气象导航是20世纪50年代初创立,在近几年得到高速发展推广的技术。由在港船舶向气象导航机构提出导航申请,通过对船舶参数及航次任务的综合考量为申请船舶提供合理的气象航线。被导航船舶在开航后将在气象导航机构的指导下进行航行,直至航行结束。

  图3-1-1为M港至N港的恒向线航线对比,航线B为气象机构提供的气象航线,等值线表示波高值(ft)。显而易见,航线A虽然航程较短,但波高达到了28ft以上,对船舶及货物安全都有极大地影响,同时由于过大的波高会使得船速下降,进而增加航时。而在航线B虽然航程有所增加,但波高只有12ft,对船舶航速无太大影响,航行时间相对航线A无太大区别。(T=S/V,A航线V下降,B航线S增加)但航线B的航行安全却能得到保障,不会因恶劣天气造成船损、货损。

  图3-1-1

  3.1.2航线制定的应用方法

  1.航线设计的一般程序

  船舶在开航前由二副负责对航线的制定,完成后交由船长审阅,船长通过后方可执行。目前传统的航线设计步骤大致分为以下六个步骤:

  (1)根据船公司下达的航次命令,选取合适的航海图书资料(海图、《世界大洋航路》、《航路指南》、《进港指南》、《无线电信号表》、《灯标雾号表》、《潮汐表》等);

  (2)查询最新航海通告对航海图书资料进行修正;

  (3)认真研究航海资料,充分了解航经海区的航路情况;

  (4)制定转向点,计算航程航向数据;

  (5)把航线设计资料呈递船长审阅,签字存档;

  (6)将航线数据输入船舶设备,以作开航前的准备工作。

  通过对航线设计工作步骤的总结可以发现气象预报的作用始终穿插在其中,因为我们在了解途径海区情况时就避免不了去查阅海区的天气和气候情况,比如在英版《航路指南》中我们可以在Part C中查询到所需海区的自然条件,包括海流潮流、海浪与涌、冰况、气候与天气、气候要素换算表等一系列资料;在《世界大洋航路》中,我们可以查找到世界气候图、世界表层洋流分布图、热带风暴表等与气象有关的图表,也可以通过对项目名的索引查到所需海区的水文气象资料。

  然而通过对航海图书资料的查询只能了解海区的历史气候状况,是历史航行经验的规律总结。而天气的变化往往存在较大的突变性和不规律性。所以在航线设计前我们就应该积极从多方面获取气象预报信息,提前将天气的变化情况考虑到航线的规划中去。

  2.考量气象预报的方法介绍

  (1)方法一:对恶劣天气来临日期同航程及船舶到达点的计算规划

  本方法说明了航线设计时不同航线选择给航行计划带来的不同影响,提出了气象预报下气象 董险区域计算的基本思路。对以往航线设计工作与基于气象预报下的设计方法进行对比,体现气象预报的应用给航行计划带来的好处。

  以图3-1-2-1上海-新加坡航线为例:航线A、B均为推荐航线,航线A总航程约为2199.0nm,航线B的总航线约为2301.1nm。在不考虑两航线的客观因素,均为理想状况下:我们假设以开航日期为某年8月1号,船速12kn计算,航线A将比航线B节省航时约8.5h。显然从经济快捷为出发点,我们应选择航线A。但A航线需航经台湾海峡,而每年的气象规律显示台湾海峡每年7至9月热带气旋较为频繁,强劲的风浪严重威胁到船舶的航行安全。

  在此情况下,一般我们会放弃航线A,进而选取航线B为计划航线。这也意味着放弃了更加经济快捷的航行计划。此时我们可以通过对气象预报中关于热带气旋来临日期进行研究,考量台风经过时同计划航线的交叉区域,并保留一定安全半径(以特大台风半径300km计算,即半径162nm)。计算船舶在到达安全区域交叉点所需的时间同时与台风预计到达时间进行比较。

  如图3-1-2-2,假设热带气旋在8月15号到达,O点为台风中心点与计划航线的交叉点,以最大安全半径162nm得到安全交叉点P。通过对航线的大致估算可以发现船舶在上海港出发至P点航程约为318nm,计算可知船舶约需要26.5h到达点P,通过热带气旋 董险区域需要27h,即船舶在2.2天便可从上海港出发直至通过整个 董险区。而台风预计在14天后到达,考量中期气象预报的准确性在五天内的话,船舶也有完全充足的时间通过台湾海峡。故此我们应该选择航线A为计划航线,既达到了航行计划的经济快捷,同时也保证了船舶的航行安全,而不是仅参考航海图书资料中气象规律的总结就放弃适合我船航行的最优航线。

  图3-1-2-1

  图3-1-2-2

  (2)方法二:对航行海区预计天气情况的提前标注

  在船舶航行时由于天气的不确定性,我们可以对航经海区的天气状况提前规划标注,进而当船舶即将进入时做好工作准备及心理准备,更加从容的应对突变的天气,降低航行 董险。

  以图3-1-2-3为所示,船舶在选择A航线后将沿岸航行依次经过宁波、台州、福州、汕头等沿海海域。此时我们可以在航线设计后预计船舶在到达这些地方的时间查看对应区域的气象预报,在海图上进行标注。以保证船舶在进入后有充足的时间提前安排工作,也能提醒船舶驾驶员谨慎驾驶。

  图3-1-2-3

  3.2航行中的临时规划

  3.2.1航行安全的避险提醒

  船舶应积极从多方面获取气象预报、认真接收气象报告,全面评估船舶自身状况(特别是抗风浪能力)和可能遭遇的恶劣天气情况,避免冒险航行。

  1.在得知计划航线上存在天气威胁且准备时间充足时应及时报备船公司对航线进行临时调整,避开恶劣区域。

  2.在航船舶遭遇大风、暴雨,应使用安全航速,加强了望,谨慎驾驶,常核定船位,以免受大风浪影响船舶偏航,导致触礁、搁浅事故的发生。

  3.在得知前方海区存在恶劣天气而无法继续航行后,应积极选择安全水域锚泊,同时通知机舱备车,做好用车舵进行抗风抗浪的准备。要注意观察来风,保持船舶顶风状态,不可横向受风,同时要加强与周边船舶和岸站的联系。

  4.在大风浪时船舶不应盲目调头转向,应积极做好船舶抗风抗浪的准备。若必需调头转向,应全面考量船舶的各种性能参数和驾驶条件,确保船舶各项设备可以正常运行后,把握最佳时机,谨慎操作。

  5.加强船对岸、船对船的联系,掌握对即将途径航区的天气情况(特别是恶劣天气),缩短船舶在遭遇不良状况后的反应时间。

  3.2.2设备与货物的保护准备

  船舶驾驶员在得知气象预报,即将面临恶劣天气时应做好对船舶设备及装载货物的保护工作,主要有以下几点:

  1.船舶要做好货物绑扎平舱和系固等工作并认真确认。避免因大风浪情况下货物发生移位和松动,导致船舶重心偏移,影响船舶稳性;做好船上可移动设备及备件的加固工作以克制恶劣天气下船体过度倾摆导致设备的移位碰撞;

  2.认真对船舶水密和排水设施设备进行检查和保养,检查排水设施,确保排水正常;保证各舱盖的完整,水密门窗的封闭良好;

  3.对甲板裸露设备应做好防腐蚀工作,及时除锈上漆;对外部电控设备与精密设备应及时进行遮盖,避免海水上涌或雨水浸泡等情况带来损坏;

  4.全面检查船舶救生设备,对已经损坏过期的设备及时维修更换,以确保在恶劣天气下人员的救生工作。

  3.3航行后的经验积累

  在船舶达到目的港后,船舶驾驶员、船公司以及气象导航机构应做好对航行中船舶所遭遇的天气情况做出总结,以在为日后的相同航线的航线设计提供经验借鉴:

  1.船舶驾驶员应认真记录航海日志、车钟记录簿等,在航次结束后对恶劣天气下的船舶操控工作进行总结;

  2.总结船舶设备及货物在不同天气情况下所采取的工作措施并找出不足之处,为今后船舶遭遇相似天气情况下能有更为迅速的反应机制;

  3.船公司对船舶所传回的航行资料要认真同历史航路对比,找出不同恶劣天气下船舶如何发挥性能积极应对的措施,为船舶提供可靠的情报;

  4.气象导航机构对气象预报的误差进行大数据比对分析,以制定更合理的气象航线,提供更好的导航服务。

  3.4如何合理运用气象预报

  气象的预报是航海活动的保证,合理运用并发挥其功能也是推动气象预报发展的前提,因此有以下几点需要:

  1.要提高气象预报的准确性和时效性,在此方面还有一定的发展距离;

  2.船舶驾驶员应充分了解航次船舶的各种性能,不能由于有了准确的气象预报而忽略应有的职业操守,否则也存在极大的航行风险;

  3.保证通信问题,船舶在航行中应及时收取气象预报的更新信息和修改项,不然也易导致船舶遭遇恶劣天气,带来不必要的损失和安全隐患;

  4.加强船舶驾驶员的航海气象素质,这样才能对气象预报信息能有充分的解读;

  5.电子设备只是辅助工具,应加强传统纸质航线制定的专业性,灵活考虑航线的多样性。

  6.气象预报虽然为船舶的航行计划带来了便利和安全保证前提,但其只是作为提醒建议而存在,作为船舶驾驶员也不能过分依赖于其预报结果,应由船长视当时实际情况与船舶状况而定,决定最终的航行计划。