張新軍，潘新民，剛 赫，王 舒

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象服務(wù)中心，烏魯木齊 830002；2.新疆金鋒華云氣象科技有限公司，烏魯木齊 830002)

蘭新鐵路第二雙線，是我國“八縱八橫”鐵路網(wǎng)主骨架，也是亞歐大陸橋通道的主要部分[1]。該線東起蘭州，西至烏魯木齊，橫跨新疆、甘肅、青海三省區(qū)，全長l 776 km[2], 線路主要通過甘肅境內(nèi)安西和新疆境內(nèi)的煙墩、百里、三十里、達坂城五大風(fēng)區(qū)。全線大風(fēng)區(qū)線路的長度合計579.599 km,占線路總長的32.6%。新疆境內(nèi)線路通過大風(fēng)區(qū)長度為462.409 km, 占新疆段線路總長的65.1%[3]。五大風(fēng)區(qū)多為戈壁，人煙稀少，自然條件惡劣，大風(fēng)對鐵路的危害主要表現(xiàn)為橫風(fēng)作用下的列車傾覆、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)、列車停運、限速天數(shù)多等問題，嚴(yán)重影響鐵路運營安全[4]。既有鐵路線通車幾十年來，特大強風(fēng)災(zāi)害屢屢危及鐵路列車運行安全，大風(fēng)季節(jié)經(jīng)常中斷列車運行，并多次引發(fā)列車脫軌，甚至吹翻列車，特大強風(fēng)災(zāi)害給旅客帶來不便，給鐵路運輸造成重大損失，直接影響到國家經(jīng)濟發(fā)展與國防建設(shè)。又因風(fēng)區(qū)位于干旱區(qū)和極端干旱區(qū)[5-6]，地表多沙石，植被稀少[7]，風(fēng)常刮起沙石埋沒公路和鐵路，多次吹翻列車，造成脫軌等重大交通事故[5,8-9]。近年來，我國交通運輸業(yè)蓬勃發(fā)展，但在快速發(fā)展和運營的過程中，不利氣象條件對其產(chǎn)生不可低估的災(zāi)害和影響，并且災(zāi)害發(fā)生的頻率和強度有明顯增加趨勢[10]，而新疆鐵路地區(qū)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強勁、風(fēng)力變化劇烈，使新疆成為了我國乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一[11]。在絲綢之路經(jīng)濟帶建設(shè)背景下，鐵路交通氣象保障的需求更加旺盛[12]，為了保證新建蘭新鐵路第二雙線的行車安全及在大風(fēng)環(huán)境下正常運營，大風(fēng)預(yù)報顯得極為重要。作為大風(fēng)預(yù)報的基礎(chǔ)，蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)規(guī)律研究迫在眉睫。

1 資料與方法

1.1 資料的選取

(1)選取蘭新鐵路第二雙線沿線16個新建站點資料，自西向東分別是：白楊河特大橋、頭道河、三十里風(fēng)區(qū)東側(cè)、吐魯番盆地東側(cè)、鄯善盆地、紅臺南、大步南、了墩南、百里風(fēng)區(qū)東側(cè)、煙墩北、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)、紅柳河特大橋、柳園車站西、安北車站東南、疏勒河大橋、玉門市低窩鋪大橋。其中白楊河特大橋、疏勒河大橋為2 m、5 m、10 m、15 m四層觀測，紅柳河特大橋為5 m、10 m、15 m、25 m四層觀測，三百里風(fēng)區(qū)東側(cè)、玉門市低窩鋪大橋為5 m、10 m、20 m三層觀測，煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)為5 m、10 m二層觀測,其余各站均為10 m高度觀測。由于各站資料時間序列不統(tǒng)一，選取相同時間的觀測資料，即2010年7月1日至2014年6月30日風(fēng)向、風(fēng)速資料。文中使用觀測資料如無特別說明均為此時段資料。

(2)典型大風(fēng)天氣過程：根據(jù)大氣環(huán)流形勢和地面實況要素場選取風(fēng)力明顯(十三間房氣象站2 min平均風(fēng)速≥31 m/s,11級)的大風(fēng)天氣過程。選定為2010年6月24日至27日、2011年2月24日至27日、2012年3月18日至22日、2013年3月7至10日共四場天氣過程為典型大風(fēng)天氣過程。

(3)起風(fēng)時間、停風(fēng)時間：風(fēng)速為17 m/s時作為極大風(fēng)的起風(fēng)時間，期間大風(fēng)(極大風(fēng)速≥17 m/s)持續(xù)，直到極大風(fēng)速小于17 m/s時作為停風(fēng)時間。

1.2 資料訂正方法

對資料缺測較少(連續(xù)缺測少于3 h)的情況，采用插值法補充完整；對于資料缺測較多(連續(xù)缺測大于3 h)的情況，利用臨近站點，通過天氣動力學(xué)相似性分析，利用相關(guān)性插補法、風(fēng)切變法、比值法等插補缺失的資料[13-14]。

2 10 m高度風(fēng)基本特征

2.1 風(fēng)速

圖1 蘭新鐵路第二雙線10 m高度風(fēng)速分布

由圖1可見，新疆蘭新第二雙線10 min平均風(fēng)速最大的為頭道河站，其次為紅臺南站、大步南站，平均風(fēng)速分別為8.3 m/s、6.6 m/s、6.5 m/s；10 min平均風(fēng)速最小的站是吐魯番盆地東側(cè)站，平均風(fēng)速3.2 m/s。10 min平均風(fēng)速最大站與最小站的風(fēng)速差異顯著，頭道河站是吐魯番盆地東側(cè)站的2.6倍。極大風(fēng)速最大的為大步南站，其次為了墩南站、頭道河站，風(fēng)速分別達到44.5 m/s、43.9 m/s、43.0 m/s，極大風(fēng)速各站均超過25.0 m/s，極大風(fēng)速較平均風(fēng)速差異更為顯著，風(fēng)速差5～10倍，這與其周邊地形有很大的關(guān)系；極大風(fēng)速在30 m/s以上的站分別為頭道河、三十里風(fēng)區(qū)東側(cè)、吐魯番盆地東側(cè)、紅臺南、大步南、了墩南、百里風(fēng)區(qū)東側(cè)、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)、煙墩車站北、柳園車站西、安北車站東南等11站。綜合考慮10 min平均風(fēng)速與極大風(fēng)速分布，蘭新第二雙線存在4個相對風(fēng)速大值區(qū)，分別為白洋河特大橋至頭道河段、紅臺南至了墩南、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)至煙墩車站北段、安北車站東南段，其中以紅臺南至了墩南風(fēng)速最大，柳園車站西至安北車站東南段風(fēng)速相對較弱。

2.2 風(fēng)速月變化

選取了四個風(fēng)速相對大值區(qū)的代表站分析發(fā)現(xiàn)，新疆蘭新鐵路第二雙線各站風(fēng)速具有明顯的月變化特征和季節(jié)變化特征，且變化特征較為一致(圖2)。各站均是在1月、11月、12月風(fēng)速偏小，4月至8月風(fēng)速偏大，2月、3月風(fēng)速迅速增大，9月、10月風(fēng)速迅速減小。季節(jié)變化，各站略有不同，但大多以春、夏季風(fēng)速最大，冬季風(fēng)速均最小。平均風(fēng)速越大的站點，月變化和季節(jié)變化越明顯。

圖2 蘭新鐵路第二雙線10 m高度風(fēng)速月分布曲線

2.3 風(fēng)速日變化

從圖3可看出，蘭新鐵路第二雙線風(fēng)速具有明顯的日變化特征。頭道河、紅臺南、大步南、百里風(fēng)區(qū)東側(cè)等站白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大。均是從08時后風(fēng)速迅速減小，15時前后達到最小，18

時后風(fēng)速迅速增大，夜間24時前后風(fēng)速達最大，這是其特殊隘口地形的下坡效應(yīng)和山谷風(fēng)共同作用形成的。安北車站東南、疏勒河大橋、玉門市地窩鋪大橋則是風(fēng)速白天大，夜間小。白天09時后風(fēng)速迅速增大，15時前后風(fēng)速達最大，19時風(fēng)速迅速減小，夜間07時前后達最小，這是其自東南向西北傾斜的特殊地勢和太陽輻射共同作用的結(jié)果。而煙墩車站北和紅柳河特大橋最大風(fēng)速和最小風(fēng)速均出現(xiàn)在白天，夜間風(fēng)速緩慢增大，在10時前后風(fēng)速最大，11—13時風(fēng)速迅速減小，14時前后風(fēng)速達最小。吐魯番盆地東側(cè)站風(fēng)速日變化不明顯?？梢钥闯?，日平均風(fēng)速越大的站，風(fēng)速波動越明顯；風(fēng)速越小，波動相對越弱。

2.4 最大、極大風(fēng)速，風(fēng)向

從表1和圖4(看25頁)可以看出，蘭新鐵路第二雙線沿線10 min最大風(fēng)速較大，除了白楊河特大橋站和玉門地窩鋪大橋站風(fēng)速小于20 m/s，相對較小以外，其余各站的最大風(fēng)速都在20 m/s以上。頭道河南站、紅臺南站、大步南、了墩南的最大風(fēng)速都在30 m/s以上，了墩南站風(fēng)速最大,達34.8 m/s。而瞬間極大風(fēng)速除了白楊河特大橋站、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站、紅柳河特大橋站、疏勒河特大橋站以及玉門地窩鋪大橋站低于30 m/s外，其余各站極大風(fēng)速均在30 m/s以上，頭道河南站、大步南、紅層西南、了墩南的極大風(fēng)速都在40 m/s以上，其中大步南站最大,達44.5 m/s。在風(fēng)向方面，從白楊河特大橋至百里風(fēng)區(qū)東側(cè)風(fēng)向較為一致，以偏北風(fēng)為主(NW-NE)，煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)至玉門地窩鋪大橋以偏東風(fēng)為主(NE-SE)，其中煙墩北、安北車站東南至疏勒河大橋瞬間最大

圖3 蘭新鐵路第二雙線10 m高度風(fēng)速日變化曲線

風(fēng)速以偏西風(fēng)為主，而常年主導(dǎo)風(fēng)向以偏東風(fēng)為主。頭道河、大步南、煙墩車站北、安北車站東南四站的各風(fēng)向全年及四季頻率分布來看，頭道河站全年及四季均以西北偏西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向；大步南全年及四季均以西北偏北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，其次是西北風(fēng)；而煙墩車站北和安北車站東南站全年及四季均是以東北偏東風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，其次是東風(fēng)，安北車站東南春、秋、冬季在西風(fēng)方向也出現(xiàn)較高的頻率?？梢姼髡救昙八募局鲗?dǎo)的風(fēng)向分布較一致。

表1 蘭新鐵路第二雙線沿線10 min最大、極大風(fēng)速及風(fēng)向

3 梯度風(fēng)特征

3.1 平均風(fēng)速和極大風(fēng)速

從圖5(等值線采用克里金法插值，見下頁)上看出，蘭新鐵路第二雙線梯度風(fēng)不同高度2 min平均風(fēng)速從低層到高層風(fēng)速逐漸增大，增大幅度略有差異；各高度風(fēng)速均以煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站風(fēng)速最小，疏勒河大橋風(fēng)速最大，風(fēng)速遞增率最大是煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站5～10 m高度。極大風(fēng)速各站從低層到高層隨高度仍然呈增大趨勢，但增大幅度差異較明顯。各高度風(fēng)速以百里風(fēng)區(qū)東側(cè)最大，玉門市地窩鋪大橋最小。風(fēng)速增幅局地性較強，風(fēng)速遞增率最大為煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站5～10 m高度，其次是紅柳河特大橋15～25 m高度。

綜上，可以看出白洋河特大橋、百里風(fēng)區(qū)東側(cè)、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)、紅柳河特大橋、疏勒河大橋和玉門市低窩鋪大橋各站2 min平均風(fēng)速與極大風(fēng)速基本都遵從由低到高，風(fēng)速逐漸增加的規(guī)律，并且在煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站5～10 m高度遞增率最大。2 min平均風(fēng)速與極大風(fēng)速風(fēng)速大值區(qū)不同：2 min平均風(fēng)速同一高度風(fēng)速以煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站風(fēng)速最小，疏勒河大橋風(fēng)速最大；而極大風(fēng)速同一高度以百里風(fēng)區(qū)東側(cè)風(fēng)速最大，玉門市地窩鋪大橋最小。這反映出百里風(fēng)區(qū)東側(cè)至煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)風(fēng)速波動較大，而疏勒河大橋至玉門市地窩鋪大橋風(fēng)速波動小。

3.2 不同風(fēng)速段大風(fēng)分布

從圖6可以看出，蘭新鐵路第二雙線梯度風(fēng)站10 m高度極大風(fēng)速除煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站外，其它各站極大風(fēng)速大都在25 m/s以下。其中極大風(fēng)速≥15 m/s的風(fēng)速以白洋河特大橋出現(xiàn)頻率最多，紅柳河特大橋出現(xiàn)最少；極大風(fēng)速≥20 m/s的以煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站出現(xiàn)頻率最高，紅柳河特大橋出現(xiàn)最少；極大風(fēng)速≥25 m/s和≥30 m/s出現(xiàn)頻率都很小，除煙墩風(fēng)區(qū)東側(cè)站外，其它站頻率都在3‰以下，或沒有出現(xiàn)。

圖4 蘭新鐵路第二雙線頭道河、大步南、煙墩車站北、安北車站東南等站10 m高度風(fēng)玫瑰圖

圖5 蘭新鐵路第二雙線梯度風(fēng)站不同高度2 min平均風(fēng)速(a)和極大風(fēng)速(b)分布

圖6 蘭新鐵路第二雙線梯度風(fēng)站10 m高度極大風(fēng)速不同風(fēng)速段頻率分布

4 典型天氣過程大風(fēng)規(guī)律分析

蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)天氣，往往出現(xiàn)在春夏季，且影響系統(tǒng)較強，這與其特殊的地形和動力條件有很大關(guān)系。文中選擇的典型天氣過程主要是O型和H型，分別為烏拉爾山低槽東移南下影響型和西西伯利亞低槽東移南下影響型，它們共同具有的環(huán)流特征是: 環(huán)流經(jīng)向度較大，受冷空氣東移南下影響，在天山北側(cè)到南側(cè)有一條偏北或西北風(fēng)帶，地面有冷鋒配合，冷空氣在進入新疆后受天山阻擋，冷空氣堆積，形成明顯的氣壓梯度，在蘭新鐵路第二雙線北側(cè)天山隘口處配合“狹管效應(yīng)”和“下坡效應(yīng)”在蘭新鐵路第二雙線出現(xiàn)強風(fēng)天氣。有所不同的是冷空氣源地、冷空氣強度以及北風(fēng)帶的強弱。

從極大風(fēng)速的分布來看，蘭新鐵路第二雙線10 m高度四場典型大風(fēng)天氣過程中，存在四個相對顯著大風(fēng)區(qū)，分別是頭道河段、紅臺南至大步南段、煙墩車站北至紅柳河特大橋段、安北車站東南段；其中風(fēng)速最大的區(qū)域為紅臺南至大步南段，頭道河段次之。這與前文中結(jié)論基本一致，略有不同的是四個風(fēng)速相對大值區(qū)的位置略有不同。按照互補原則，確定蘭新鐵路第二雙線四大風(fēng)區(qū)為：白洋河特大橋至頭道河段、紅臺南至了墩南、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)至紅柳河特大橋段、安北車站東南段。

圖7 蘭新鐵路第二雙線各站典型天氣過程大風(fēng)平均維持時間和各站年平均大風(fēng)累計時數(shù)

從蘭新鐵路第二雙線典型天氣過程大風(fēng)持續(xù)時間分布來看(見圖7)，以頭道河維持大風(fēng)時間最長，平均維持時間在70 h以上；白楊河特大橋次之，平均維持時間在50 h以上；紅臺南至了敦南段平均維持時間在40 h以上；還有兩個大風(fēng)維持時間相對較長的區(qū)域是煙墩車站北及安北車站東南，維持時間均在20 h以內(nèi)。四個大風(fēng)維持時間相對較長的區(qū)域與文中四大風(fēng)區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，其中以白楊河特大橋至頭道河段大風(fēng)維持時間最長，平均維持時間在50 h以上。

5 大風(fēng)對鐵路的影響

5.1 大風(fēng)累計時數(shù)分布

從圖7可以看出，蘭新第二雙線大風(fēng)累計時數(shù)以頭道河最大，其次是紅臺南至了墩南段，同時煙墩車站北和安北車站東南相對大風(fēng)時數(shù)也較多，與文中典型大風(fēng)天氣過程的大風(fēng)平均維持時間的結(jié)論較為一致。蘭新鐵路第二雙線存在四大風(fēng)區(qū)，分別是頭道河段、紅臺至了敦南段、煙墩車站北段、安北車站東南段。四大風(fēng)區(qū)大風(fēng)天氣主要是由大型天氣系統(tǒng)，加上特殊地形作用(山峰的阻擋能量蓄積作用、峽口的狹管效應(yīng)及空氣的下坡效應(yīng))共同造成的，所以大風(fēng)天氣的出現(xiàn)往往都是連續(xù)的，也容易出現(xiàn)持續(xù)大風(fēng)天氣。

5.2 平均停輪時間分布

圖8為蘭新鐵路第二雙線沿線站點在不同風(fēng)速段鐵路營運停輪時間分布情況。從圖8可以看出，各風(fēng)速段累計停輪時間以頭道河、紅臺南至大步南段最多，其次是了敦南、煙墩車站北至紅柳河特大橋段，另外安北車站東南停輪時間相對較多，對蘭新鐵路第二雙線的營運有較明顯的影響。另外，8級以上大風(fēng)往往更容易對鐵路的營運造成影響，從不同風(fēng)速段平均停輪時間的貢獻來看，25 m/s以上風(fēng)速貢獻較大的站分別有頭道河、紅臺南、大步南、了敦南、紅柳河特大橋、安北車站東南等站，與蘭新鐵路第二雙線四場典型天氣過程極大風(fēng)速分布結(jié)果有很好的一致性。

圖8 蘭新鐵路第二雙線不同風(fēng)速段平均停輪時間分布

6 結(jié)論

(1)蘭新鐵路第二雙線沿線10 min平均風(fēng)速、極大風(fēng)速變化趨勢基本一致，但風(fēng)速最大站與最小站的差異顯著，這與鐵路線所經(jīng)山區(qū)地形有很大關(guān)系。蘭新鐵路第二雙線存在4個相對風(fēng)速大值區(qū)—白洋河特大橋至頭道河段、紅臺南至了墩南、煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)至紅柳河特大橋段、安北車站東南段，其中以紅臺南至了墩南風(fēng)速最大、安北車站東南段風(fēng)速相對較弱。在風(fēng)向方面，從白楊河特大橋至百里風(fēng)區(qū)東側(cè)以偏北風(fēng)(NW-NE)為主，煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)至玉門地窩鋪大橋以偏東風(fēng)(NE-SE)為主。

(2)新疆蘭新第二雙線風(fēng)速具有明顯的日變化、月變化以及季節(jié)變化特征，且各站變化特征較為一致。日平均風(fēng)速越大的站，風(fēng)速波動越明顯；風(fēng)速越小，波動相對越弱。各站均是在1月、11月、12月風(fēng)速偏小、4月至8月風(fēng)速偏大；季節(jié)變化各站略有不同，但大多以春、夏季風(fēng)速最大，均以冬季風(fēng)速最小。平均風(fēng)速越大的站點，月變化和季節(jié)變化越明顯。

(3)蘭新鐵路第二雙線沿線梯度風(fēng)2 min平均風(fēng)速與極大風(fēng)速基本都遵從由低到高，風(fēng)速逐漸增加的規(guī)律，但增大幅度略有差異，風(fēng)速遞增率最大的是煙墩風(fēng)區(qū)西側(cè)站5～10 m高度。

(4)從典型大風(fēng)天氣過程來看，蘭新鐵路第二雙線10 m高度存在四個大風(fēng)區(qū)，與之前結(jié)論一致；同時，大風(fēng)持續(xù)時間與四個風(fēng)速大值區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，但是平均每場天氣過程大風(fēng)維持時間以白楊河特大橋至頭道河段大風(fēng)維持時間最長，平均維持時間在50 h以上。

(5)從大風(fēng)對鐵路的影響方面來看，蘭新鐵路第二雙線不論是大風(fēng)累計時數(shù)還是鐵路運營停輪時間分布，與文中典型大風(fēng)天氣過程的大風(fēng)平均持續(xù)時間的結(jié)論相符，均是以頭道河最多；從不同風(fēng)速段平均停輪時間的貢獻來看，25 m/s以上風(fēng)速貢獻較大的站與四個大風(fēng)區(qū)段也有很好的對應(yīng)關(guān)系。