西藏東南地區(qū)鐵路沿線氣象站網(wǎng)合理化布局和重點(diǎn)觀測要素的研究

索朗多旦 旺珍 扎西拉姆 阿桑 多吉次旦

（1.工布江達(dá)縣氣象局；2.察隅縣氣象局，西藏 林芝 860000）

1 研究背景和意義

眾所周知現(xiàn)代交通設(shè)施與沿線氣象條件有著十分密切的關(guān)系，尤其是鐵路對氣象災(zāi)害的敏感程度很高。近年來，隨著全球氣候變暖，極端天氣現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對鐵路運(yùn)輸造成了極大的影響。影響鐵路運(yùn)行的災(zāi)害性天氣有暴雨、暴雪、雷電、凍雨、大霧、沙塵、大風(fēng)、低溫等，其主要通過影響道面狀況、能見度及鐵路電力設(shè)施等方面影響鐵路運(yùn)行［1］。鐵路客運(yùn)安全與廣大乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全緊密相連，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年僅因?yàn)樘鞖庠蛟斐傻蔫F路安全事故超過百起。在國內(nèi)外由于氣象災(zāi)害導(dǎo)致的鐵路重特大事件時有發(fā)生。1975 年8 月5日，河南發(fā)生特大暴雨，日最大雨量達(dá)到1005mm，板橋水庫等幾十座大小水庫相繼漫頂潰壩，導(dǎo)致京廣鐵路被沖毀，中斷行車18天，影響運(yùn)輸四十余天。1981年7月9 日，四川境內(nèi)發(fā)生特大泥石流災(zāi)害，造成橋梁沖毀和成昆鐵路列車顛覆，死亡130 人，成為我國鐵路史上迄今為止最為慘烈的事故。2007 年2 月28 日，由烏魯木齊開往阿克蘇方向列車在吐魯番境內(nèi)，遭遇瞬時大風(fēng)襲擊，造成11節(jié)車廂被大風(fēng)吹翻，造成3 人死亡，34 名旅客受傷［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年用于鐵路災(zāi)害搶修、工程修復(fù)等方面的費(fèi)用合計(jì)達(dá)到3.5億元左右［3］。同樣在國外多次出現(xiàn)大風(fēng)、強(qiáng)降水、低溫等原因造成的列車安全事件。這些血淋淋的事件都證明了鐵路安全運(yùn)行與氣象條件密切相關(guān)。

2021 年6 月25 日拉林鐵路正式全線開通，從此結(jié)束了西藏東南地區(qū)不通鐵路的歷史。列車從拉薩站出發(fā)向東南方向行徑山南市所屬的貢嘎縣、扎囊縣、桑日縣、加查縣后進(jìn)入林芝市境內(nèi)，經(jīng)過林芝市所屬的朗縣和米林縣后到達(dá)終點(diǎn)林芝站，全程列車時速為160km/h。拉林鐵路沿線地形復(fù)雜，海拔高度變化大，區(qū)域氣象要素分布不均，并且在全球氣溫變暖的背景條件下，極端天氣現(xiàn)象也隨之增加，而拉林鐵路沿線氣象觀測站網(wǎng)分布稀少，可對鐵路安全運(yùn)行提供的有效氣象數(shù)據(jù)少之又少，進(jìn)而對鐵路沿線的精細(xì)化氣象服務(wù)及氣象災(zāi)害的研究帶來了較大的困難。因此開展拉林鐵路沿線主要?dú)庀鬄?zāi)害時空分布特征分析，研究鐵路沿線氣象觀測站網(wǎng)合理化布局及不同區(qū)域需要重點(diǎn)觀測的氣象要素，對拉林鐵路安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

2 林鐵路沿線地理環(huán)境與主要致災(zāi)氣象條件

拉林鐵路位于我國西藏自治區(qū)東南部山南至林芝一帶，其行徑路段多次經(jīng)過重要山脈、江河。首先向南穿過岡底斯山脈后進(jìn)入雅魯藏布江河谷地帶，然后向東跨過山南市所屬貢嘎縣、扎囊縣、桑日縣、加查縣和林芝市所屬朗縣、米林縣等縣域后橫跨雅魯藏布江到終點(diǎn)林芝站，是西藏境內(nèi)唯一一條連接拉薩市與林芝市的鐵路，它也是川藏鐵路的重要組成部分。

鐵路沿線氣候復(fù)雜,極端天氣事件發(fā)生頻繁,尤其是大風(fēng)和強(qiáng)降水以及低溫引起的冰雪天氣現(xiàn)象，給鐵路建設(shè)和安全運(yùn)營帶來一定困難。從地理位置空間分布來講西藏東南部臨近孟加拉灣,同時受印度洋暖濕氣流的影響,該區(qū)域常年雨量充沛，溫暖濕潤，為整個西藏區(qū)域內(nèi)年降水量最為豐富的一帶。雨季開始較早,通常在3、4 月份開始自東向西進(jìn)入雨季［4］，而且雨季時段較長，通常為4 月至9 月。連陰雨、暴雨和短時強(qiáng)降水造成的洪澇、泥石流和山體滑坡以及冬季強(qiáng)降雪造成的道路結(jié)冰為該區(qū)域內(nèi)的主要次生地質(zhì)災(zāi)害。一般說來,西藏東南部自西向東海拔高度逐漸降低，在某些區(qū)域內(nèi)海拔高度落差大，鐵路沿線多為山地、峽谷地帶，冬季以及冷暖季節(jié)交匯時節(jié)午后易出現(xiàn)大風(fēng)，夏季氣溫相比其他區(qū)域較高，冬季低溫現(xiàn)象頻繁，日溫差較大。因此在拉林鐵路沿線對鐵路安全產(chǎn)生影響的主要致災(zāi)氣象條件有強(qiáng)降雨、大風(fēng)、低溫等。

本文根據(jù)氣象學(xué)上的定義，大風(fēng)日是指在資料有效時段內(nèi)出現(xiàn)日極大風(fēng)速≥17 米每秒的日為一個大風(fēng)日；低溫日是指在資料有效時段內(nèi)出現(xiàn)日最低溫度低于-2℃的日為一個低溫日；而強(qiáng)降水的指標(biāo)對不同區(qū)域而言有不同的標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)西藏東南部的降水特征，以及結(jié)合東南部地理?xiàng)l件和鐵路沿線的土質(zhì)特性，充分考慮強(qiáng)降水可能導(dǎo)致的山洪、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的臨界閾值，將強(qiáng)降水日定義為出現(xiàn)日降水量≥25mm為一個強(qiáng)降水日。

3 資料與方法

3.1 資料

本文依據(jù)“區(qū)域氣候的代表性”和“距離鐵路沿線就近”的兩個原則，選取了目前氣象部門在拉林鐵路沿線已經(jīng)建設(shè)投入使用的拉薩站、扎囊站、桑日站、加查站、朗縣站、米林站、林芝站等7 個氣象站點(diǎn)，主要利用氣象站近十年的氣象數(shù)據(jù)，對鐵路沿線的風(fēng)、降水、溫度等與鐵路正常運(yùn)行密切相關(guān)的氣象要素進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)，分析其時空分布特征，研究拉林鐵路沿線氣象站網(wǎng)合理化布局和重點(diǎn)觀測項(xiàng)目，為拉林鐵路安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

3.2 計(jì)算方法

本文根據(jù)鐵路沿線選取的氣象站點(diǎn)分布情況和拉林鐵路車站的區(qū)域分布，將拉林鐵路全線分為六段，分別為拉薩至扎囊段、扎囊至桑日段、桑日至加查段、加查至朗縣段、朗縣至米林段、米林至林芝段，再根據(jù)鐵路沿線區(qū)域氣候特征和常見氣象災(zāi)害種類，定義拉林鐵路沿線出現(xiàn)大風(fēng)日、強(qiáng)降水日、低溫日等主要?dú)庀鬄?zāi)害的臨界閾值。利用鐵路沿線氣象站點(diǎn)近十年（2010—2020 年）數(shù)據(jù)資料對三種氣象災(zāi)害值進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)，最后對數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，形成拉林鐵路沿線主要?dú)庀鬄?zāi)害時間、空間分布特征表。

其中具體用到兩種算術(shù)方法：第一種方法為計(jì)算各類氣象災(zāi)害在鐵路沿線的空間分布特征的公式：

式中Di為出現(xiàn)i 類氣象災(zāi)害的年平均日數(shù)，A 為上車站臨近氣象站近N 年內(nèi)出現(xiàn)i 類氣象災(zāi)害日數(shù)的總和，B 為下車站臨近氣象站近N 年內(nèi)出現(xiàn)i 類氣象災(zāi)害日數(shù)的總和、i=1為強(qiáng)降水、i=2為大風(fēng)、i=3為低溫，N為統(tǒng)計(jì)資料總共年數(shù)。計(jì)算結(jié)果保留一位小數(shù)。

第二種方法為計(jì)算各類氣象災(zāi)害在鐵路沿線的時間分布特征的公式：

式中i為統(tǒng)計(jì)年份，j為月份，X（k,i,j）為第i 年j 月份中出現(xiàn)k 類氣象災(zāi)害日數(shù)總和，k=1 為將降水、k=2 為大風(fēng)、k=3 為低溫，N 為統(tǒng)計(jì)資料總共年數(shù)。計(jì)算結(jié)果取整數(shù)。

4 拉林鐵路沿線災(zāi)害性天氣的時空分布

影響林拉鐵路的氣象災(zāi)害主要有大風(fēng)、強(qiáng)降水及低溫雨雪冰凍災(zāi)害。而不同氣象災(zāi)害種類影響鐵路安全運(yùn)行的方式各不相同。下面分災(zāi)種對拉林鐵路沿線氣象災(zāi)害時空分布特征進(jìn)行分析討論。

4.1 強(qiáng)降水

強(qiáng)降雨氣象災(zāi)害對鐵路造成的影響方式主要分為兩種：第一種為強(qiáng)降雨引發(fā)誘導(dǎo)的洪澇、河水泛濫等災(zāi)害，導(dǎo)致破壞、沖毀列車鐵軌和橋梁、鐵路通訊以及電力等設(shè)施。第二種為強(qiáng)降雨引發(fā)誘導(dǎo)的泥石流、山體滑坡、塌方等次生地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致沖毀鐵路各種設(shè)施、掩埋和沖斷鐵軌，造成列車運(yùn)行中斷、顛覆等嚴(yán)重鐵路安全事故［5］。

從表1中拉林鐵路沿線強(qiáng)降水日的空間分布特征來分析，拉林鐵路沿線強(qiáng)降水日最多出現(xiàn)在林芝區(qū)域內(nèi)，其中米林至林芝段強(qiáng)降雨日數(shù)最多為5.9d，其次朗縣至米林段強(qiáng)降雨日數(shù)為3.6d，拉薩至扎囊段和加查至朗縣段的強(qiáng)降水日數(shù)超過2.0d，其余路段中強(qiáng)降雨日數(shù)較少。從表2 中拉林鐵路沿線強(qiáng)降水日的時間分布特征來分析，強(qiáng)降水日數(shù)主要出現(xiàn)時段集中在4月至9月，最多出現(xiàn)在7 月為4.0d，其次出現(xiàn)在6 月、8 月和9 月均為3d，而其余月份當(dāng)中出現(xiàn)強(qiáng)降水日的可能性較小。

表1 拉林鐵路沿線氣象災(zāi)害空間分布特征

表2 拉林鐵路沿線氣象災(zāi)害時間分布特征

總體來看，在拉林鐵路沿線可能發(fā)生強(qiáng)降水氣象災(zāi)害的區(qū)域主要集中在林芝區(qū)域內(nèi)，其中米林至林芝段相比其他路段出現(xiàn)強(qiáng)降水的可能性最大，其次為朗縣至米林段。而拉薩至扎囊段和加查至朗縣段也存在發(fā)生強(qiáng)降水氣象災(zāi)害的可能性，需適當(dāng)關(guān)注此類氣象災(zāi)害，其余路段一年中出現(xiàn)強(qiáng)降水的日數(shù)為一天左右，發(fā)生強(qiáng)降水氣象災(zāi)害可能性較小。出現(xiàn)時段主要集中在6月至9月。

4.2 大風(fēng)

大風(fēng)是對鐵路運(yùn)行影響最為嚴(yán)重的天氣現(xiàn)象之一，它會使鐵路行徑橋梁發(fā)生“震蕩”，但是更主要的還是對列車本身的影響。高速運(yùn)行的列車車體與軌道之間的摩擦力非常小，當(dāng)有強(qiáng)風(fēng)從側(cè)面吹來時，列車的動力學(xué)參數(shù)橫向力均顯著增大，在力矩的作用下極易發(fā)生側(cè)翻事故［6］。因此大風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)向都是列車傾覆的重要參數(shù)，當(dāng)線路走向與風(fēng)向夾角垂直，該路段運(yùn)行的高速列車受到橫風(fēng)影響，此時列車安全運(yùn)行的危險(xiǎn)度最大，當(dāng)線路走向與風(fēng)向夾角小于45°時，該地段的線路主要受側(cè)風(fēng)影響，存在站停列車溜逸的危險(xiǎn)［7］。

從表1中拉林鐵路沿線大風(fēng)日的空間分布特征來分析，拉林鐵路沿線各路段年平均大風(fēng)日數(shù)分布特征明顯，主要出現(xiàn)大風(fēng)氣象災(zāi)害的路段為加查至朗縣和朗縣至米林段，年平均出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)分別為183.1d和176.3d，其余路段中拉薩至扎囊段、扎囊至桑日段、桑日至加查段年平均出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)在26.8d 到46.9d 之間，而米林至林芝段內(nèi)年平均出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)不足一日。從表2 中拉林鐵路沿線大風(fēng)日的時間分布特征來分析，出現(xiàn)大風(fēng)日的時間分布比較均勻，在一年當(dāng)中各月份均有出現(xiàn)大風(fēng)日，其中1 月至5 月及11 月至12 月較多，6月至10月相對較少。

總體來看，拉林鐵路沿線一年中出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)較多，尤其在加查至朗縣和朗縣至米林段年平均大風(fēng)日數(shù)接近200 天，其余路段中拉薩至加查段一年也有數(shù)十日會出現(xiàn)大風(fēng)天氣，而米林至林芝段一般不會出現(xiàn)大風(fēng)天氣。在冬季以及冷暖季節(jié)交匯時節(jié)出現(xiàn)次數(shù)較多，夏季相對較少。

4.3 低溫

低溫凍害氣象災(zāi)害對鐵路安全主要影響有三種方式，第一種低溫本身通過影響鐵路基建設(shè)施、列車動力、鐵軌等方面來影響列車安全，當(dāng)然隨著我國科技創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng)，在設(shè)計(jì)列車、鐵軌以及鐵路基建設(shè)施時已經(jīng)考慮和預(yù)防了低溫影響，為此現(xiàn)階段低溫對列車安全的此類影響方式在不斷減少。第二種為低溫使得鐵路沿線出現(xiàn)冰雪天氣，影響鐵路正常運(yùn)行，鐵路沿線及列車鐵軌上過厚的積雪會對火車行駛造成極大危險(xiǎn)。我國京秦鐵路線曾出現(xiàn)過超過兩米厚的積雪，積雪過深直接導(dǎo)致列車無法正常行進(jìn)，嚴(yán)重影響列車安全運(yùn)行。冰雪天氣使軌道表面被冰雪覆蓋，使得列車軌道表面更加光滑，摩擦力減小，從而導(dǎo)致列車牽引力下降，引發(fā)事故［8］。第三種是對供電線路的影響，低溫產(chǎn)生的冰雪會滯留在供電線路上形成電線積冰。2008年我國南方冰凍雨雪災(zāi)害，由于電線積冰成倍增長使得輸電線路桿塔不堪重負(fù)，造成了較大范圍斷電影響。此外低溫導(dǎo)致的冰雪天氣現(xiàn)象還會對通訊信號線路造成影響。

從表1中拉林鐵路沿線低溫日的空間分布特征來分析，拉林鐵路沿線各路段年平均出現(xiàn)低溫日分布均勻，無明顯差異，其中出現(xiàn)最多次數(shù)的路段為桑日至加查段和加查至朗縣段以及拉薩至扎囊段，年平均低溫日分別165d、184d 和198d，其余路線內(nèi)年平均低溫日在113d到143d之間。從表2中拉林鐵路沿線低溫日的時間分布來分析，拉林鐵路沿線出現(xiàn)低溫日的時間分布明顯，主要出現(xiàn)的時段為1 月至3 月和11 月至12 月之間，4 月和10 月當(dāng)中也會出現(xiàn)低溫現(xiàn)象但相對較少，而5月至9月幾乎不會出現(xiàn)低溫現(xiàn)象。

總體來看，在拉林鐵路沿線出現(xiàn)低溫現(xiàn)象較為頻繁，拉薩至扎囊段、桑日至朗縣段出現(xiàn)低溫現(xiàn)象次數(shù)相對較高。出現(xiàn)時段主要集中在冬季。

5 結(jié)論

（1）拉林鐵路位于西藏東南部，結(jié)合西藏東南部氣候特征，拉林鐵路沿線主要的氣象災(zāi)害有強(qiáng)降水、大風(fēng)、低溫等直接導(dǎo)致的氣象災(zāi)害，以及強(qiáng)降水引發(fā)的暴雨洪澇、河水泛濫等次生災(zāi)害，泥石流、滑坡、塌方等次生地質(zhì)災(zāi)害，還有低溫造成冰雪天氣引起的道路結(jié)冰、電線積冰等次生災(zāi)害。

（2）拉林鐵路沿線出現(xiàn)強(qiáng)降水時段主要集中在6月至9 月，出現(xiàn)區(qū)域主要集中在林芝境內(nèi)朗縣至林芝段，尤其米林至林芝段相比其他路段出現(xiàn)強(qiáng)降水的可能性更大。為了減少強(qiáng)降水引發(fā)的氣象災(zāi)害對鐵路安全產(chǎn)生影響，氣象部門應(yīng)該在6月至9月時段內(nèi)需加強(qiáng)監(jiān)測林芝境內(nèi)朗縣至林芝段天氣系統(tǒng)，及時發(fā)布強(qiáng)降水預(yù)警信號，鐵路相關(guān)部門需加強(qiáng)防范強(qiáng)降水引發(fā)的山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害對鐵路安全造成的影響。

（3）拉林鐵路沿線一年當(dāng)中均可出現(xiàn)大風(fēng)天氣現(xiàn)象，并且在冬季和冷暖季節(jié)交匯時段內(nèi)發(fā)生大風(fēng)天氣的可能性較大，出現(xiàn)大風(fēng)天氣的主要區(qū)域集中在加查至米林段。為了減少大風(fēng)天氣對鐵路安全產(chǎn)生的影響，氣象部門應(yīng)該在1 月至5 月和11 月至12 月時段內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)測加查至米林段天氣系統(tǒng)，及時發(fā)布大風(fēng)預(yù)警信號，鐵路相關(guān)部門需加強(qiáng)防范大風(fēng)天氣對鐵路安全造成的影響。

（4）拉林鐵路沿線各站點(diǎn)間出現(xiàn)低溫現(xiàn)象較為均勻，其中拉薩至扎囊段、桑日至加查段和加查至朗縣段出現(xiàn)低溫現(xiàn)象次數(shù)相對較高。出現(xiàn)低溫時段主要集中在冬季。為了減少低溫天氣對鐵路安全產(chǎn)生的影響，氣象部門應(yīng)該在1月至3月和11月至12月時段內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)測拉薩至朗縣段天氣系統(tǒng)，及時發(fā)布強(qiáng)降溫預(yù)警信號，鐵路相關(guān)部門需加強(qiáng)防范低溫天氣對鐵路安全造成的影響。

（5）根據(jù)本文分析的拉林鐵路沿線氣象災(zāi)害分布特征，鐵路沿線應(yīng)加快建設(shè)具備監(jiān)測氣壓、溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速等六要素氣象站，提高氣象監(jiān)測站網(wǎng)密集程度。鐵路沿線朗縣至林芝段內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)觀測雨量和風(fēng)向風(fēng)速，減少強(qiáng)降水和大風(fēng)氣象災(zāi)害的影響；加查至米林段應(yīng)重點(diǎn)觀測風(fēng)向風(fēng)速和溫度，減少大風(fēng)和低溫氣象災(zāi)害的影響；拉薩至朗縣段重點(diǎn)觀測溫度，減少低溫氣象災(zāi)害的影響。