格庫鐵路青海段沿線大風(fēng)特征統(tǒng)計(jì)分析

鄭玲，孫芙榮，雷春苗，達(dá)海鈺，李寶華

(青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001)

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，尤其是近年來鐵路運(yùn)輸網(wǎng)的建設(shè)，使我國已經(jīng)躍升為高速鐵路第一大國，到2020年底我國的鐵路總營業(yè)里程已達(dá)14.5萬km，其中三分之二位于山區(qū)。近年來，隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生，如持續(xù)低溫、暴雨、暴雪、雷電、大風(fēng)等高影響天氣給鐵路運(yùn)輸造成了極大影響。我國地域遼闊，自然地理情況復(fù)雜，氣象災(zāi)害種類多種多樣，是世界上氣象災(zāi)害較嚴(yán)重的國家之一，鐵路沿線涉及的地理環(huán)境差異更大，氣候類型眾多，因高影響天氣導(dǎo)致的鐵路安全運(yùn)行問題將更加突出。鐵路高影響天氣的形成和發(fā)生與其自身及鐵路地理位置密切相關(guān)[1～3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)樘鞖庠蛟斐傻牧熊囃睃c(diǎn)、停運(yùn)的事件有100多起。近些年來，因氣象災(zāi)害導(dǎo)致的鐵路重大重特大事件的頻率越來越高，2007年2月28日，58074列車在吐魯番境內(nèi)遭遇大風(fēng)沙塵襲擊，最大瞬間風(fēng)力達(dá)到了49.1m/s，造成11節(jié)車廂被吹翻，其中3人死亡、34人受傷。

大風(fēng)是對(duì)高速鐵路運(yùn)行影響最為嚴(yán)重的天氣之一，也是鐵路部門重點(diǎn)防范的氣象災(zāi)害，大風(fēng)可造成列車動(dòng)力系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重時(shí)可造成列車傾覆。高速鐵路的安全很大程度上受到大風(fēng)影響，這是由于高鐵輸電線路在很大程度上會(huì)受到大風(fēng)產(chǎn)生的搖擺和震動(dòng)的影響。由于高速運(yùn)行的列車車體與軌道之間的摩擦力較小，當(dāng)列車走向與風(fēng)向夾角垂直的時(shí)候，高速列車將會(huì)受到橫向風(fēng)的影響，此時(shí)列車的安全運(yùn)行將會(huì)受到威脅。國內(nèi)已有不少研究人員在氣象條件、氣象災(zāi)害對(duì)鐵路的影響方面進(jìn)行了相關(guān)研究。崔新強(qiáng)[4]等通過對(duì)我國1950～2015年期間鐵路沿線氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害分析，發(fā)現(xiàn)大風(fēng)、降雪、雷電、強(qiáng)降雨及其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是影響我國鐵路運(yùn)行的主要災(zāi)害。王志[5]等對(duì)2001～2010年全國760站極大風(fēng)速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用GIS和自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)合人口、經(jīng)濟(jì)等要素，計(jì)算得到高速鐵路大風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并繪制區(qū)劃圖。姜萍[6]等對(duì)蘭新鐵路新疆段內(nèi)兩個(gè)最強(qiáng)風(fēng)區(qū)帶—百里風(fēng)區(qū)和前百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析。潘新民[7]等分析了南疆線前百公里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)時(shí)空分布特征，并與著名的百里風(fēng)區(qū)代表站十三間房氣象站進(jìn)行對(duì)比分析。因此，做好高速鐵路沿線氣象條件的分析以及氣象要素的探測，為鐵路交通的建設(shè)及安全運(yùn)營提供精準(zhǔn)服務(wù)，具有極為重要的意義。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

格爾木—庫爾勒鐵路(簡稱格庫鐵路)是連接青海省海西蒙古族藏族自治州格爾木市和新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州首府庫爾勒市的國鐵Ⅰ級(jí)客貨共線電氣化鐵路，是中國西北路網(wǎng)骨架的重要組成部分，對(duì)促進(jìn)沿線地區(qū)資源開發(fā)和脫貧致富、推動(dòng)青海新疆兩省區(qū)經(jīng)貿(mào)交流、加強(qiáng)民族地區(qū)團(tuán)結(jié)、服務(wù)“一帶一路”倡議等均具有重要意義。格庫鐵路線路東自青海省格爾木、格爾木南站客貨分線引出，沿昆侖山北麓、柴達(dá)木盆地南緣西行，與集安—阿巴嘎旗公路(國道303線)、西寧—吐爾尕特公路(國道315線)伴行，經(jīng)烏圖美仁、甘森、花土溝至茫崖石棉礦，進(jìn)入新疆境內(nèi)從巴什考埡供口穿越阿爾金山，再經(jīng)米蘭、若羌、尉犁后，西抵終點(diǎn)站庫爾勒市，正線全長1 213.7km，其中青海境內(nèi)505.6km，新疆境內(nèi)708.1km，設(shè)計(jì)速度120km/h，并于2020年12月9日全線貫通運(yùn)營。格庫鐵路青海段沿線所在區(qū)域隸屬青藏高原柴達(dá)木盆地，平均海拔在3000m左右，屬于典型的高原大陸型干旱性氣候，降水少、蒸發(fā)量大，且地下水位深，植被稀少，加之風(fēng)沙地貌類型復(fù)雜多樣，在大風(fēng)作用下，極易形成風(fēng)沙流，對(duì)鐵路(路基、橋梁和涵洞等)產(chǎn)生極大的破壞作用[8]。同時(shí)由于沿線氣象觀測站點(diǎn)稀疏、天氣氣候局地性強(qiáng)，沿線的大風(fēng)、沙塵天氣對(duì)鐵路的安全運(yùn)行和維護(hù)保障影響較大。因此開展格庫鐵路沿線大風(fēng)天氣的監(jiān)測、預(yù)報(bào)工作意義重大，可為格庫鐵路沿線防風(fēng)天氣、火車安全運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于格庫鐵路青海段沿線各站估測資料時(shí)間序列不同，本著既考慮資料的均一性和序列長度，又盡可能反映格庫鐵路青海段沿線大風(fēng)天氣變化事實(shí)的原則，本文選取格庫鐵路青海段沿線茫崖、格爾木、小灶火3個(gè)氣象站1981～2020年，胡楊林、大烏斯、甘森站點(diǎn)2016～2020年逐月平均風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)向風(fēng)速等資料(圖1)。季節(jié)劃分為春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月至翌年2月)。

圖1 格庫鐵路沿線及周邊氣象觀測站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、線性趨勢分析對(duì)大風(fēng)天氣進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析，研究格庫鐵路沿線大風(fēng)天氣的時(shí)間空間分布特征。

2 結(jié)果分析

2.1 平均風(fēng)速

2.1.1平均風(fēng)速特征分析

對(duì)格庫鐵路沿線茫崖、格爾木、小灶火3個(gè)氣象站1981～2020年，胡楊林、大烏斯、甘森站點(diǎn)2016～2020年各月平均風(fēng)速(圖2(a))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，小灶火年平均風(fēng)速最大，為3.5m·s-1，其中，5月平均風(fēng)速最大，達(dá)4.4 m·s-1，12月最小，為2.7 m·s-1。甘森年平均風(fēng)速次之，為3.4m·s-1，其中，5月平均風(fēng)速最大，達(dá)4.4 m·s-1，12月最小，為2.3m·s-1。大烏斯年平均風(fēng)速為3.3m·s-1，其中，4月和5月平均風(fēng)速最大，為4.1 m·s-1，12月最小，為2.3m·s-1。胡楊林年平均風(fēng)速為3.0m·s-1，其中，5月平均風(fēng)速最大，為3.8m·s-1，12月最小，為2.3m·s-1。茫崖年平均風(fēng)速為2.8m·s-1，其中，4月平均風(fēng)速最大，為3.6m·s-1，12月最小，為1.7m·s-1。格爾木年平均風(fēng)速最小，為2.3m·s-1，其中，5月平均風(fēng)速最大，為3.0m·s-1，11月和12月最小，為1.7m·s-1。各站點(diǎn)年平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在4月和5月，之后出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在12月。

從季節(jié)變化看，小灶火、甘森夏季平均風(fēng)速最大，均為4.1m·s-1；格爾木、胡楊林春季和夏季平均風(fēng)速最大，分別為2.7m·s-1、3.4m·s-1；而茫崖、大烏斯春季平均風(fēng)速最大，分別為3.5m·s-1、4.0m·s-1。6個(gè)站點(diǎn)平均風(fēng)速最小都在冬季(圖2(b))。

圖2 格庫鐵路沿線各站月、季平均風(fēng)速

2.1.2平均風(fēng)向特征分析

依據(jù)16方位風(fēng)向資料，從2016～2020年格庫鐵路沿線各站點(diǎn)年平均風(fēng)向頻率分布來看(圖3)，格爾木全年平均風(fēng)向以W為主，占總風(fēng)向的14.01%，其次為 WNW、WSW、NW、SW、C，出現(xiàn)頻率分別為8.41%、5.9%、4.71%、3.09%、3.09%。小灶火全年平均風(fēng)向以WNW為主，占總風(fēng)向的11.91%，其次為 W、SW、NW、WSW、NNW，出現(xiàn)頻率分別為8.38%、5.95%、5.45%、5.06%、3.4%。茫崖全年平均風(fēng)向以NE為主，占總風(fēng)向的6.12%，其次為 ENE、E、ESE、NNE，出現(xiàn)頻率分別為5.55%、4.36%、4.14%、4.1%。甘森全年平均風(fēng)向以NW為主，占總風(fēng)向的8.67%，其次為 WNW、NNW、W、N，出現(xiàn)頻率分別為8.05%、6.06%、6.02%、5.61%。胡楊林全年平均風(fēng)向以W為主，占總風(fēng)向的9.34%，其次為 WNW、WSW、SSW、SW，出現(xiàn)頻率分別為6.33%、6.14%、4.51%、4.46%。大烏斯全年平均風(fēng)向以SSE為主，占總風(fēng)向的6.35%，其次為 WNW、SE、ESE、W，出現(xiàn)頻率分別為6.02%、5.36%、4.89%、4.25%。

圖3 格庫鐵路沿線各站2016～2020年平均風(fēng)向頻率玫瑰圖

2.2 大風(fēng)日數(shù)特征分析

2016～2020年格庫鐵路沿線茫崖、格爾木、小灶火大風(fēng)日數(shù)分別為99d、20d、114d。統(tǒng)計(jì)各月大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)情況(圖4)可以得出：大風(fēng)主要集中發(fā)生的季節(jié)各不相同，格爾木主要出現(xiàn)在秋季，大風(fēng)日數(shù)占全年大風(fēng)總?cè)諗?shù)的60%，其次是夏季。小灶火主要出現(xiàn)在夏季，大風(fēng)日數(shù)占全年大風(fēng)總?cè)諗?shù)的46%，其次是春季。茫崖主要出現(xiàn)在春季，大風(fēng)日數(shù)占全年大風(fēng)總?cè)諗?shù)的38%，其次是冬季。

圖4 格庫鐵路沿線各站大風(fēng)出現(xiàn)日數(shù)季節(jié)變化

2.3 極大風(fēng)速特征分析

對(duì)格庫鐵路沿線茫崖、格爾木、小灶火、胡楊林、大烏斯、甘森站點(diǎn)2016～2020年各月平均極大風(fēng)速(圖5(a))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，大烏斯年平均極大風(fēng)速最大，為20.0m·s-1，其中，6月平均極大風(fēng)速最大，達(dá)24.9m·s-1，12月最小，為15.5 m·s-1。甘森年平均極大風(fēng)速次之，為19.2m·s-1，其中，5月和7月平均極大風(fēng)速最大，達(dá)22.6m·s-1，12月最小，為14.3m·s-1。小灶火年平均極大風(fēng)速為18.5m·s-1，其中，6月平均極大風(fēng)速最大，為22.4 m·s-1，1月最小，為14.3m·s-1。胡楊林年平均極大風(fēng)速為17.6m·s-1，其中，5月平均極大風(fēng)速最大，為22.3m·s-1，11月最小，為13.4m·s-1。茫崖年平均風(fēng)速為16.8m·s-1，其中，6月和7月平均極大風(fēng)速最大，為19.8m·s-1，1月最小，為13.3m·s-1。格爾木年平均極大風(fēng)速最小，為15.1m·s-1，其中，4月平均極大風(fēng)速最大，為17.9m·s-1，1月最小，為12.2m·s-1。各站點(diǎn)年平均極大風(fēng)速最大值出現(xiàn)在4～7月，之后出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在11月至翌年1月。

從季節(jié)變化看，大烏斯春季平均極大風(fēng)速最大，為21.7m·s-1；格爾木、小灶火、胡楊林、茫崖、甘森夏季平均極大風(fēng)速最大，分別為17.2m·s-1、21.5m·s-1、20.0m·s-1、19.4m·s-1、21.8m·s-1。格爾木、胡楊林的平均極大風(fēng)速最小都出現(xiàn)在秋季，其余站點(diǎn)的平均極大風(fēng)速最小都出現(xiàn)在冬季(圖5(b))。

圖5 格庫鐵路沿線各站月、季平均極大風(fēng)速

3 結(jié)論

(1)格庫鐵路沿線各站點(diǎn)中，小灶火年平均風(fēng)速最大，甘森年平均風(fēng)速次之，格爾木年平均風(fēng)速最小，各站點(diǎn)年平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在4月和5月，之后出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在12月；小灶火、甘森夏季平均風(fēng)速最大，格爾木、胡楊林春季和夏季平均風(fēng)速最大，而茫崖、大烏斯春季平均風(fēng)速最大，6個(gè)站點(diǎn)平均風(fēng)速最小都在冬季。

(2)格庫鐵路沿線各站點(diǎn)年平均風(fēng)向年頻率分布，格爾木、胡楊林全年平均風(fēng)向以W為主，小灶火全年平均風(fēng)向以WNW為主，茫崖全年平均風(fēng)向以NE為主，甘森全年平均風(fēng)向以NW為主，大烏斯全年平均風(fēng)向以SSE為主。

(3)大風(fēng)主要集中發(fā)生的季節(jié)各不相同，格爾木主要出現(xiàn)在秋季，小灶火主要出現(xiàn)在夏季，茫崖主要出現(xiàn)在春季。

(4)格庫鐵路沿線各站點(diǎn)年平均極大風(fēng)速最大值出現(xiàn)在4～7月，之后出現(xiàn)明顯的減弱，最低值出現(xiàn)在11月到翌年1月。