新疆克拉瑪依至塔城鐵路風雪災害特征研究

羅新文

(新疆鐵道勘察設計院地路分處，烏魯木齊 830011)

新疆克拉瑪依至塔城鐵路風雪災害特征研究

羅新文

(新疆鐵道勘察設計院地路分處，烏魯木齊 830011)

風吹雪災害是克塔鐵路選線及設計中的重點和難點問題，研究風雪災害特征，有效避免和減少災害段落，對線路方案選擇及雪害防治具有重要的理論與現實意義。利用既有氣象資料，結合現場考察和數值天氣預報模式、大氣污染模式中氣象模塊的模擬結果，得出冬季的主導風向為東、東南風，夏季的主導風向為西、西北風，風向季節交替明顯，東、西大風相繼出現；冬季風普遍大于夏季風，風雪災害防治的重點是冬季的風吹雪。利用衛星影像和區域氣候模擬分析得出，南方案(老風口展線方案)可能發生風吹雪的段落比北方案(瑪依塔斯走行方案)長24.2km，頻次也較多。

鐵路；風吹雪；災害特征；模擬分析

1 概況

1.1 工程概況

克拉瑪依至塔城鐵路全長約290 km，其中約70 km穿越新疆塔城著名的老風口—瑪依塔斯風區，該段也是世界上罕見的暴風雪重災害地段[1-3]，冬季在大風作用下輸雪量驚人，風吹雪和積雪現象非常嚴重，常常阻斷交通，極易發生交通和人員傷亡等事故。雪害是鐵路選線及工程設計中面臨的“瓶頸問題”，也是鐵路建設和運輸組織中不可避免、必須考慮的控制性因素。

1.2 線路方案概況

如圖1所示，線路主要有北方案(瑪依塔斯走行方案)和南方案(老風口展線方案)。兩方案比較起點里程：CK148+900=C2K148+900，比較終點里程CK280+000=C2K285+607.5。

北方案沿鐵廠溝—白楊河山間洼地與克塔高速公路伴行，跨201省道后折向北，沿吾爾喀什山脈南麓丘陵走行進入塔額盆地，全長131 km。線路多以路堤工程順直通過風雪區，走向與冬季主導風向近平行。

南方案線路自鐵廠溝—白楊河山間洼地向西走行在南部加依爾山剝蝕丘陵區，至老風口沿加依爾山西緣折向北走行，進入塔額盆地，全長137 km。方案有17 km線路走向與冬季主導風向大角度相交。

圖1 克塔鐵路方案示意

1.3 地形地貌

塔城地區從西北至東南依次為塔爾巴哈臺山、塔額山間盆地、吾爾喀什爾山、加依爾山及準噶爾盆地，整個地勢東高西低；地貌特征是高山、盆地高差大，走廊型山間盆地貫穿于山地之間，形成了狹長的大氣環流通道。

1.4 氣候特征

新疆地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，具有明顯的溫帶大陸性氣候特點，冬、夏季冷熱變化懸殊，氣溫日較差大，干燥少雨，光照豐富，全年大風頻繁。塔城地區分南、北兩大氣候區；老風口—瑪依塔斯風區，是新疆九大風區之一，位于吾爾喀什爾山和加依爾山之間的狹長通道中，以老風口至鐵廠溝70 km段的大風影響最為嚴重。冬季，西伯利亞重冷空氣進入塔城盆地，會因谷地的“狹管效應”，產生強勁偏西大風，而當冷空氣控制準噶爾盆地，形成東高西低的氣壓形勢時，就會在谷地內產生強勁的偏東大風。降雪時在風雪流作用下極易形成風吹雪和積雪災害。

2 新建鐵路風雪災害特征研究大綱簡介

2.1 研究內容

(1)鐵路沿線風況特征及強風分布規律

充分收集研究區內既有氣象站、自動測風站、風電場測風站歷年的資料，分析鐵路沿線大風風向與風速變化規律；實地考察訪問，了解風區自然條件、微地形、地表植被覆蓋及風、雪災害等情況；應用數值天氣預報模式WRF數據和大氣污染模式CALPUFF中的CALMET氣象模塊，模擬研究區的風場環境數據，并利用既有的觀測資料進行驗證等工作方法，深入分析鐵路沿線風場特征、主導風向，大風分布規律及風與雪害的關系。

(2)鐵路沿線雪深分析及積雪分布特征

①利用MODIS、AMSR-E等衛星的積雪分析產品，研究區內的積雪日數、積雪深度、空間分布及積雪變化；②利用RegCM等氣候模式進行高分辨率模擬，選取模式的雪水當量、雪蓋數據和降雪數據，分析整個研究區的積雪時空演變規律及特征；③利用研究區內氣象站的數據評估源自遙感和模式的積雪產品的精度。

(3)沿線積雪分布規律與風吹雪災害評價

①鑒于現場觀測資料的短缺，基于模式的雪深數據和地形地貌分析鐵路沿線積雪堆積分布特征；②依據風速和降雪量建立關系式，研究風吹雪現象發生的空間分布規律。

2.2 研究目標

為鐵路選線提供風、雪災害時空分布規律，同時為風吹雪防護提供原則性解決方案。

2.3 研究方法

利用有限的站點觀測資料驗證遙感影像和模式數據的適用性，再利用遙感影像和模式數據分析整個研究區域的風場和積雪覆蓋特征。

在研究中，主要通過站點觀測數據及模型模擬得到的研究區內風速風向的空間分布來分析鐵路沿線的相應變化和強風段的分布規律。通過氣象資料得到的區域冬季降水及積雪分布特征[4]，同時應用遙感數據得到的研究區內積雪空間分布信息數據，并結合地形復雜度和雪深數據來分析鐵路沿線積雪堆積情況。最后根據得到的鐵路沿線的風速風向變化和強風段分布規律，以及積雪空間分布規律來分析鐵路沿線風吹雪災害的分布情況。

2.4 技術路線

基于以上整體研究思路和方法，項目研究的具體技術路線見圖2。

圖2 研究技術路線

2.5 資料來源

(1)站點觀測(圖3)

圖3 氣象站點與測風塔分布示意

①氣象站點資料

包括：4個國家基礎氣象站塔城、托里、額敏、和豐近10年風、降水及雪深資料；4個距離線路較近自動站：老風口、瑪依塔斯、鐵廠溝、烏雪特近3年逐時測風資料。

②風電廠測風塔資料

研究區內風電廠的7個測風塔數據及2013年部分風電廠風機測風資料。

(2)模式數據

研究采用了10 km和2 km尺度的WRF模式的10 m逐時數據；Calmet模式的10 km、5 km和1 km分辨率的逐時風速和風向數據。

積雪的雪深和降雪量的數據采用區域氣候模式的逐日數據。雪蓋數據采用長時間序列的遙感影像。

地形數據采用研究區分辨率為30 m的數字高程模型數據。

3 研究區大風特征分析

3.1 大風形成的原因

塔城盆地及老風口至瑪依塔斯一線冬半年出現的區域性偏東大風與蒙古高壓的季節性變化有著密切的聯系，是蒙古高壓維持、發展與當地特殊的地理、地形共同作用的產物。冬半年(10月至翌年4月)蒙古高壓穩定加強，當中亞巴爾喀什湖一帶氣壓出現明顯的急劇減壓時，中亞至蒙古一帶形成東高西低的氣壓場，加之地形“狹管效應”對風速的放大作用，形成風區的偏東大風[1-3]。

大風形成的另一個原因是，冬半年塔城盆地和準噶爾盆地之間存在溫度差，使得兩地空氣流動，風向由高氣壓區吹向低氣壓區[1-2]，故老風口—瑪依塔斯風區偏東大風較多。5～8月大風日數較少，且以西風和偏西風為主，多由天氣系統入侵、鋒面過境或局地強對流天氣所致。

3.2 多年平均風速與主導風向

經統計，該研究區氣象站點的多年平均風速和主導風向見表1。

表1 研究區站點多年平均風速、主導風向

由表1看出各站主導風向不一，沒有相對固定的主導風向；老風口至瑪依塔斯風區內，年平均風速數值相對較大，出現在鐵廠溝、瑪依塔斯，年平均風速6.7 m/s，烏雪特鄉5.2 m/s，老風口4.3 m/s。都沒有達到8級以上的大風，年平均風速不滿足大風研究的需求。風區內4站的多年平均風速雖小，但仍然比周邊其他站點風速大。老風口氣象站位于公路防護林內，數值偏低。

3.3 風速風向年內變化

根據4個自動站2 min和10 min日逐時數據分析，風速變化情況如圖4所示。

圖4 4氣象站點日最大風速變化情況

老風口：冬季主導風向為ESE、ES，其次NW、WNW。冬季風速明顯大于夏季風速。10 min日最大風速小于2 min日最大風速，2011年3月4日分別為16.1 m/s和17.8 m/s(ESE)，歷史極大值為26.8 m/s，風向ESE。鐵廠溝：冬季主導風向為W，WSW，次風向為E。春秋季風速明顯大于夏季風，冬季鐵廠溝的最大風速在32.0 m/s以上。2 min逐時最大風速為30.2 m/s(W)。歷史極大風速為37.0 m/s，風向W。烏雪特：冬季風速明顯大于夏季風速，春秋風速大于夏季風速。冬季主導風向為E，ESE和SE，次風向為WSW，SW。2 min逐時最大風速為22.5 m/s(E)，歷史極大風速為29.2 m/s，風向E。瑪依塔斯：冬季主導風向為ESE，ES，次風向為NW。冬季風明顯大于夏季風，2 min逐時最大風速為25.0 m/s(E)，最大風速33 m/s，風向E。區內風電廠測風塔的情形相似。大風多發生于冬季，因此重點是防治冬季的風吹雪災害。

3.4 研究區內4個氣象站點的主風向

4個自動站年和季節尺度上的風玫瑰圖如圖5所示。

由圖5可見，在研究區內不同地形風向存在明顯差異。4個站點風向在四季存在很大差異。從季節主風向可以發現冬季的主風向比較一致，為平行峽谷的東和東南風。

7個風電廠測風塔情形相似。整體趨勢是冬季風大于夏季風，風向存在季節轉換，東西風向存在明顯的交替(管道效應)：由夏季西風為主轉換到冬季東風為主；后又轉換到夏季西風為主。見圖6。

圖5 4氣象站年和各季風玫瑰圖

3.5 數值模擬分析

采用數值天氣預報模式和大氣污染模式對研究區域內的風場進行了長時間序列的模擬[5-6]。

圖6 2012年6月～2013年5月瑪依塔斯5 min瞬時風速的風向變化

通過與實測站點數據比對，模擬結果與實測數據反映的變化趨勢相同，存在模擬結果偏小的現象，見圖7、圖8。

3.5.1 WRF模式模擬風場結果

采用WRF模式10 km分辨率的輸出結果對研究區內不同月份的風速分布情況進行分析得出：北方案有35 km的大風區(≥8級風速)；南方案有60 km的大風區。

用WRF作為數據源，以2 km為間隔采樣分析計算沿線全年不同風速等級的頻次。鐵路南方案8、9級風速年內出現的小時數均比北方案高，出現的區域也大。南方案9級風速出現的區段29 km，北方案為10 km。北方案主風向為西、西北、東風；南方案主風向為西、西北、東、東南風。

3.5.2 Calmet模式模擬風場結果

采用模式計算獲得分辨率為10 km和5 km的風場數據，通過對比10 km和5 km尺度上風速的變化總體趨勢一致。南北方案主風向均是東或東南風；整體風速南方案大于北方案。模擬的大風區(≥8級)長度結果與WRF模式一致。

綜合2種模式的結果得出：研究區的大風區(≥8級)，北方案有35 km，南方案有79 km；整體風速南方案大于北方案。

圖7 WRF模擬風速、風向與觀測數據對比

圖8 Calmet模擬風速、風向與觀測數據對比

4 鐵路沿線積雪特征

4.1 區域冬季降水分布特征

近50年塔城地區冬季降水極值變化較為劇烈[7]。2009年為冬季降水異常偏多年，1982年為異常偏少年(表2)。目前，塔城地區冬季降水以3.7 mm/10年的速率不顯著增加，冬季降水序列在20年左右的時間尺度上增加趨勢還將持續[8]。

表2 近50年托里與額敏冬季降水分布 mm

4.2 區域積雪分布特征

塔城地區10月下旬到12月為非穩定積雪期，1月到2月為穩定積雪期，3月至4月為融雪期。統計結果表明：2003～2012年，積雪雪深2月累積最多，1月、3月次之，11月、12月居第三，4月和10月積雪很少(表3)。依據1961～2005年塔城地區實測積雪資料分析，塔城地區積雪時空分布不均，地域差異大。近45年除裕民站外，其余各站積雪日數均呈現減少趨勢，各站最大積雪深度與冬季降水量的變化表現一致，最大積雪深度介于40～65 cm[9]。

表3 托里縣與額敏縣2003～2012年冬季雪深統計 cm

4.3 遙感資料的區域積雪覆蓋特征

遙感數據因為其時效性可以滿足大區域的宏觀觀測，近些年MODIS積雪產品在生態和水文等研究領域得到廣泛應用[10-11]。因此，在對積雪信息的反演上，利用積雪日數據對積雪天數進行統計，并且使用了TM影像做精度驗證，符合率達74%。

將區域的數據按照每隔1 km對南北方案進行點數據的提取，對比結果：北方案月積雪累積天數大于南方案；南北方案在1月份和2月份的積雪累積天數比較大，并且南方案的積雪累積天數沿鐵路線的變化要比北方案大。

5 克塔鐵路雪害區段劃分

5.1 風吹雪積雪堆積區

根據風速和地形復雜度相結合提取出風吹雪堆積等級區劃圖。主要使用模式中積雪的相關變量，結合地貌信息，提取風吹雪積雪堆積區，最終評估風吹雪發生區域。積雪堆積區[12]，是根據地形復雜度結合雪深進行不同等級的統計和劃分獲得。地形復雜度則采用雙線性插值方法獲得，是對30 m的數字高程模型數據升尺度到40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，90 m，100 m，110 m，120 m的水平分辨率，然后再重采樣降尺度到水平分辨率30 m，分別計算降尺度后的30 m分辨率與原始30 m模型數據的標準差，從而獲得地形復雜度的指標。

根據模式的雪深數據和南北方案經過區域的地形復雜度，來評估風吹雪的堆積區，將堆積的等級分為較少，一般，較嚴重，嚴重四個等級(表4)。其中，地形復雜度是根據不同分辨率的數字高程做標準方差后獲得，雪深由模式數據直接獲得。結果與較高精度的遙感影像結合地形起伏做對比，基本一致(圖9)。

圖9表明：北方案經過了等級較高的風吹雪堆積區，南方案則相反；北方案經過了42 km風吹雪的堆積區，其中堆積很嚴重的區域分布不集中，多是一般和較嚴重的區域。

表4 風吹雪堆積等級劃分指標

圖9 風吹雪積雪堆積區域示意

5.2 風吹雪發生區

根據風速和降雪量推測可能發生風吹雪的區域，并根據風吹雪的累積次數來判定該區域是否為風吹雪頻發區。

根據新疆積雪的物理特性和北美地區風吹雪研究結果，當風速在3～11 m/s，同時有降雪現象的發生，即可發生風吹雪現象。在本研究中，采用氣候模式的降雪數據和WRF模擬的10 m風速作為基礎數據，判斷研究區內的風吹雪災害發生地段。

由圖10可看出鐵廠溝到老風口、瑪依塔斯區域內，北方案CK148+900～CK157、CK172～CK176段為風吹雪較嚴重區；CK157～CK172為風吹雪嚴重區；CK176～CK193+800為風吹雪一般區。南方案C2K148+900 ～C2K155、C2K161～C2K186、C2K206～C2K210段為較嚴重區；C2K155～C2K161、C2K186～C2K206段為嚴重區；C2K210～C2K218為一般區。

南北方案都經過了風吹雪發生頻次較多的區域，南方案發生風吹雪災害的里程數比北方案多，而其他地段風吹雪災害相對較輕。這與現場實際情況吻合。

6 結論

通過2012年冬季實地考察訪問，分析統計沿線風電廠的測風數據及周邊氣象站的觀測數據，結合模擬分析結果，得出如下主要結論。

(1)北方案35 km、南方案79 km是大風區(≥8級)。風區內東、西大風相繼出現，冬季主風向是東、東南風，夏季主風向是西、西北風，風向季節交替明顯；夏季風速小于冬季風速，故風雪災害防治的重點是冬季的風吹雪。

(2)南北方案1、2月的積雪累積天數較大。北方案經過42 km不同等級的積雪堆積區，南方案僅通過了較少的區域，即北方案受風吹雪影響的范圍少。

(3)南北方案都經過了風吹雪可能發生頻次比較大的區域，南方案比北方案整體要多。南北方案風吹雪段落分別為69.1 km 和44.9 km，南方案發生風吹雪的段落長了24.2 km。

通過研究內容最終選擇了短直通過風雪區的北方案，為確定合理的線路方案提供了科學依據。

圖10 區域冬季風吹雪發生頻率

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Study on the Characteristics of Snowdrift Disaster along Karamay-Tacheng Railway in Xinjiang

Luo Xinwen

(Geology and Subgrade Design Department of Xinjiang Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Urumqi 830011, China)

Snowdrift disaster is a key and difficult point in route selection and design of Karamay-Tacheng railway line. Study on the characteristics of snowdrift disaster to effectively avoid and reduce disaster sections has important theoretical and practical significance in route selection and snow hazard prevention. Based on existing meteorological data， site investigation and simulated results of numerical weather forecast model and meteorological modules in atmospheric pollution model， it is concluded that the prevailing wind direction is east-bond and southeast-bond in winter， and west-bond and northwest-bond in summer with obvious seasonal alternation; strong east wind and west wind appear in succession; moreover， the wind in winter is generally stronger than that in summer. Therefore， the snowdrift in winter is the key point for snow disaster prevention. Using satellite image and regional climate simulation analysis brings to a conclusion that the south line scheme Laofengkou scheme)is 24.2km longer with sections with possible snowdrift and higher frequency than the north line scheme(Mayitasi scheme)．

Railway; Snowdrift; Disaster characteristics; Simulation analysis

2014-01-09；

：2014-01-21

羅新文(1971—)，男，高級工程師，1994年畢業于西安地質學院地勘專業，工學學士，E-mail：tyylxw@163.com。

1004-2954(2014)10-0010-07

U213.1+53

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.003