高海拔高溫差深切峽谷橋址區日常大風成因

李永樂， 張明金， 徐昕宇， 陶齊宇， 朱樂東， 宋麗莉

（1.西南交通大學橋梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都610041；3.同濟大學橋梁工程系，上海200092；4.中國氣象局公共氣象服務中心，北京100081）

高海拔高溫差深切峽谷橋址區日常大風成因

李永樂1， 張明金1， 徐昕宇1， 陶齊宇2， 朱樂東3， 宋麗莉4

（1.西南交通大學橋梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都610041；3.同濟大學橋梁工程系，上海200092；4.中國氣象局公共氣象服務中心，北京100081）

為探討高海拔高溫差深切峽谷橋址區日常大風的成因，采用CAW600-RT型四要素自動氣象站、手持風速儀及便攜式溫度計，對大渡河大橋橋址區風特性進行實測，分析了橋位處平均風速與溫度、日照及地形地貌等的相關性.結果表明：大渡河大橋位于高海拔高溫差深切峽谷內，橋址區幾乎每天下午起風，平均風速常達10 m／s以上；根據成因，橋位處的大風可分為2類，一類受大尺度大氣環流影響，另一類受小尺度范圍內熱力驅動而產生日常大風，并受局部地形及隨時間變化的日照的影響；橋位處日常大風出現的頻率較高，雖不控制橋梁的設計基準風速，但影響橋梁的耐久性和行車舒適性.

深切峽谷；橋址區；日常大風；現場實測；成因分析

Key words：deep gorge；bridge site；daily strong wind；field measurement；cause analysis

通常，大風過程對國民經濟各個方面都會產生較大影響，因此，研究大風的成因具有重要的現實意義，也得到了許多氣象學者和相關專家的極大關注［1-4］.目前，針對復雜地形地貌區風場的研究主要有4種手段，即理論推導、數值模擬、模型試驗和現場觀測.其中，理論推導是對復雜地形進行一定簡化，建立空氣運動方程和熱傳導方程，通過求解微分方程組，得到相關的風場特征［1］.數值模擬通常是以理論推導為基礎，借助計算機求解的一種分析方法［2］.

無論是理論推導還是數值模擬，均采用了一系列假定（邊界條件）和計算模型，而這樣的簡化會導致一定程度的失真［3-4］.模型試驗是借助風洞實驗室對關心的地形地貌進行模擬試驗，但實驗室中風場的模擬也具有一定的局限性.

現場觀測是目前較有效也是采用較多的一種手段.馬玉堂、陳凱、張人文、宋麗莉、朱樂東、王凱等通過在山區建立風觀測站，對復雜山區地形的風場特性進行了觀測分析［5-10］.李永樂、王文勇等采用計算機數值模擬方法，對山區風特性的分析表明，山區峽谷地形條件下的風環境較復雜，且不同橋址區的風特性差異較大［11-13］.譚波、廖曉春等通過現場實測發現，在西部高海拔高溫差山區，每天下午均會出現規律性波動的大風，部分地區風速可達10 m／s以上［14-15］，但相關文獻中均沒有對這種風場形成的原因進行討論.

山區峽谷地形在我國中西部地區較為常見，其地形復雜多變，現有相關規范、文獻中對山區風特性及成因的描述較少，對高海拔高溫差深切峽谷橋址區風特性的研究尚未見報道.

本文以位于四川西部的大渡河大橋為工程背景，通過在大橋橋址區進行現場實測，取得了一些關于高海拔高溫差深切峽谷地形風場特性的資料，通過對相關資料進行分析，探討了日常大風的特點及其成因，研究結果對類似地貌風特性的分析有一定參考意義.

1 觀測概況

1.1 地形地貌

大渡河大橋距離瀘定縣城約5 km.大橋地處高山峽谷之間，橋面距離大渡河溝底約300 m，連接橋梁兩端的均是陡峭的山脈.橋軸線向康定側延伸10 km后，地面海拔由橋位處的1 608 m升高到約4 500 m；橋軸線向雅安側延伸5 km后，地面海拔由橋位處的1 608 m升高到約3 700 m.峽谷兩側10 km范圍內均有終年不化的雪山，而峽谷內屬于典型的干熱河谷氣候，溫暖干燥，峽底和頂部溫差較大.

此外，橋位處晝夜溫差較大，加之橋位處海拔較高，地形呈現明顯的深切峽谷特性，影響風場的因素較多.

1.2 觀測站點設置和試驗儀器

根據大橋所處的位置走向以及橋位附近地區的地形特點，在橋位處安裝了1套四要素自動氣象站（CAW600-RT）.自動氣象站位于橋址區風速較大的咱里村大風崗上，該觀測站點基本位于大橋縱向中心軸線上，在大橋上游約30 m處，大橋跨中偏離康定側橋塔約100 m.風速、風向傳感器的海拔高程為1 530 m，距離橋面設計高度78 m.儀器安裝和測點布置見圖1.

圖1 儀器安裝和測點布置Fig.1 Equipment installation and measuring points'layout

1.3 沿河谷溫度和風速測量

為了考察橋位處河谷溫度場和風場的分布情況，以橋位處為界，將河谷分為上游河谷和下游河谷.在上游河谷，沿國道（G318）走向布置9個固定

圖2 溫度測點布置Fig.2 Layout of temperature measuring points

2 日常大風成因分析

冬季和夏季典型大風天10 min平均風速與溫度的變化趨勢分別見圖3（a）和圖3（b）.可見，無論是冬季還是夏季，風速都呈現出以天為周期的規律性波動，這種規律性波動在夏季更明顯.

圖3 10 min平均風速與溫度F20ig13.年3 8月M9日ean wind speed and temperature in 10 min

對比圖3（a）和圖3（b）可見，橋址區的大風過程可以分為兩大類：一類是冬季出現頻率較低的大風降溫過程，定義這類大風降溫過程為第Ⅰ類大風，持續時間一般可達2 d左右；另一類是夏季出現頻率較高、以天為周期的日常大風過程，定義這類大風為第Ⅱ類大風，其10 min平均風速可以達到10 m／s，對橋上車輛的正常行駛有一定影響.下面重點就第Ⅱ類日常大風的成因進行討論.

2.1 溫度影響

2.1.1 風速、溫度隨時間的變化

自動氣象站從2012年12月起開始采集數據，時間跨度包括冬季和夏季，具有較好的代表性.圖4為2013年2月典型日常大風天平均風速變化趨勢.

圖4 典型大風天10 min平均風速Fig.4 Typical mean wind speed in 10 min

可見，每天凌晨至中午時段內風速較小，在每天下午至上半夜風速較大.為分析橋位處每天的起風規律，分別對10 min平均風速大于5和10 m／s的天數進行統計分析.觀測站處10 min平均風速大于5 m／s的大風過程共143 d，10 min平均風速大于10 m／s的大風過程共54 d.

圖5（a）為每天10 min平均風速大于5 m／s的大風起止時間，大風起風時間基本上都在中午12點左右，止風時間約在晚上10點，10 min平均風速大于5 m／s的大風過程平均持續時間約9 h.

圖5（b）為每天10 min平均風速大于10 m／s的大風起止時間和持續時間，大風起風時間基本上都在下午2點半，晚8點半左右停止，平均持續時間約6 h.

從圖3（a）和圖3（b）可見，風速和溫度以天為周期的規律性波動明顯，并且二者的波動趨勢基本一致.每天風速較大的時段溫度也較高，由此說明熱力作用是大橋橋位處日常大風形成的一個重要因素.

圖5 大風起止時間Fig.5 Starting and ending times of strong wind

2.1.2 風速、溫度沿河谷的變化

為了考察橋位處河谷溫度場和風場的分布情況，沿河谷布置了18個測點，2013年4月19日下午對固定測量點相同時刻的溫度和風速進行了3次測量.測量儀器采用溫度計和手持風速儀，在開始測量前和測量結束后，對采用的溫度計進行統一標定和修正.測量過程中，為減小地面熱輻射引起的誤差，溫度計離地高度在2.0 m以上.

不同時刻測點的溫度和風速變化見圖6.可見，測點N9和S1的溫度在3次測量過程中均比其他測點低，以這2點為中心分別往上、下游延伸，溫度均出現上升的趨勢.

對比3次測量的溫度曲線可以看出，越接近晚上，上游側河谷（測點N5～N9）的溫度降低越慢，下游側河谷（測點N9～S9）的溫度下降越快.

分析同一時刻測點風速的變化規律，溫度較低的測點N8、N9和S1在3次測量中的風速均比兩側測點的大，而溫度較高兩側測點的風速相對較低.這表明，同一時刻沿河谷的溫差是形成日常大風的重要原因.

2.2 局部地形影響

大橋橋址區下午4點以前，整個河谷內風向通常是以由南向北的東南風為主；下午4點之后，橋位上游河谷仍然是以沿河道向上游方向吹的東南風為主，但橋位下游水壩以下河谷的風向則與上游河谷相反.圖7為橋位區域地形的三維視圖，可以看出，橋位處地形較復雜，河谷東西岸均有山脊，并且在大壩處河谷斷面收縮較大.

圖6 溫度和風速Fig.6 Temperature and wind speed at different measuring points

結合局部地形對河谷內大風風向的分布進行分析：由于東岸雪山上的來流同時受到東岸山脊和水電站大壩處西岸山脊的雙重阻擋，在水壩附近形成了一個較大的氣流漩渦，且由于山峰表面的不均勻性和主導來流風向的不確定性，該氣旋不一定是平面水平氣旋，應是一個立體氣旋；氣流漩渦導致橋位下游咱里村處風向較亂，而且在橋位附近的高空風速也不一定比低空風速大，甚至出現高空風速小于地面局部峽谷口和山峰處的風速；越接近晚上，瀘定縣城往上游的來流風增大程度不如東岸雪山上來流增大程度大，下午4點以后河谷內的風向以瀘定水電站大壩為分界，水壩以上河谷內以東南風為主，且風速較大，水壩以下的瀘定縣城以西北風為主，風速相對較小.這也是瀘定縣氣象站歷史記錄中北風偏多的原因.鑒于橋位處大風的風速和風向均在較大程度上受到橋位處局部地形的影響，因此，利用瀘定縣已有的基本氣象臺站的歷史數據時，應充分考慮到地形可能造成的影響.

圖7 橋位區域地形三維視圖Fig.7 3-D view of the terrain on the bridge site

2.3 日照影響

在上午晴朗少云的天氣下，午后常出現東南方向的大風，這是由于太陽照射對橋位處東南側、北側不規則山體表面輻射增溫隨時間變化不均勻，致使各個山坡面、山頂、山谷底部出現較大的溫度變化率和氣壓梯度.具體表現為上游河谷在下午5點以后陽光仍然可以直射，而此時在橋位處已經不能被陽光照射.實測表明，橋位處同一時刻的溫度比上游河谷低3～5℃.橋位下游5 km處為瀘定縣城，縣城內水泥路面、建筑物等較多，在整個白天的日照過程中吸收的熱能也較多，并且混凝土散熱較慢，使得瀘定縣城出現一定的熱島效應，導致橋位處同一時刻的溫度也比下游河谷低2～4℃.在該熱力溫差的驅動下，河谷這種非均勻下墊面的熱力、動力共同作用導致山谷內形成不穩定的擾動氣流，從而形成以天為周期的大風.

圖8為同一時刻上游河谷測點N1和下游河谷測點S1的照片，可見，上、下游河谷陽光照射情況差別明顯.

圖8 同一時刻（17：00）不同測點日照情況Fig.8 Sunlight at different points at 5：00 p.m.

2.4 綜合分析

通過觀察和分析發現，與常規的季風或強對流天氣出現的大風不同，橋位處每天下午出現的日常大風是由于局部溫差、局部地形和日照不均勻共同作用形成的局部小尺度大風，不平衡熱力作用對大風的產生及其強弱起控制作用.已有的現場觀測也表明，溫度越高、溫差越大，風速就越大.沒有較強的天氣系統影響時，橋位區域早晨、上午及夜間的風速較小.當河谷東岸雪山上來流冷空氣足夠強時，河谷內會出現以水電站大壩為分界線的反向風.

通過大量實測和現場考察，基本弄清了該橋位處風場流向，見圖9.可見，河谷內的大風主要是兩岸山坡上的山風和河谷中局部溫差形成的風.越接近傍晚，兩岸山坡上的來流越強，當東岸山坡上的來流強度超過河谷內本身向上游流動的強度時，就出現以水電站大壩為分界的風向截然相反的情況.此時，在大壩上游側河谷內的風是河谷風、山坡風和局部地形加速效應的三重疊加，所以在橋位附近區域出現了一個明顯的大風區.大壩下游沒有明顯的河谷加速效應，同時山坡風和河谷風的流動方向相反，河谷中的風速是山坡風與河谷風相互抵消后形成的，故大壩下游側河谷內的風速明顯小于大壩上游側河谷.

圖9 橋址區風場示意Fig.9 Sketch map of wind field on the bridge site

3 結 論

針對大渡河大橋橋址區幾乎每天下午出現的大風，通過現場實測，分析了高海拔高溫差深切峽谷區日常大風的成因，得到以下結論：

（1）橋址區大風可以分為2類，一類是受大尺度氣候環境影響，定義為第Ⅰ類大風；另一類是受小尺度范圍內熱力驅動而產生的日常大風，并受局部地形及隨時間變化的日照的影響，定義為第Ⅱ類大風.

（2）日常大風（第Ⅱ類大風）出現頻率較高，基本上每天下午都會出現，特別是在夏季，這類大風每天持續時間約6 h，其10 min平均風速一般在10 m／s左右，對日常行車有一定影響，但不控制大橋的設計基準風速.

（3）每天不同時段太陽對河谷同一位置的日照不同，形成以天為周期的溫度波動，此外，同一時刻對不同地點的日照不同，使得河谷內出現較大的局部溫差，因此，熱力不平衡作用是大橋橋位處日常大風形成的一個重要原因.

（4）由于橋位處地形的特殊性，導致以水電站大壩為分界的風向可能截然相反，此時在大壩上游河谷內的風是河谷風、山坡風和局部地形加速效應的疊加，所以在橋位附近區域出現了一個明顯的大風區.大壩下游沒有明顯的河谷加速效應，山坡風和河谷風的流動方向相反，河谷中的風因山坡風和河谷風相互抵消，所以大壩下游河谷內的風速明顯小于大壩上游河谷.

（5）橋址區日常大風的產生機理與常規地形不同，加上局部地形的影響，橋址區日常大風的風特性可能與抗風規范及通常研究的風特性存在顯著差異.

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（中、英文編輯：付國彬）

Causes of Daily Strong Wind on Bridge Site in Deep Gorge with High Altitude and High Temperature Difference

LI Yongle1， ZHANG Mingjin1， XU Xinyu1， TAO Qiyu2， ZHU Ledong3， SONG Lili4
（1.Department of Bridge Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu 610041，China；
3.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；4.Public Weather Service Center of China Meteorological Administration，Beijing 100081，China）

In order to investigate the causes of daily strong wind on a bridge site in a deep gorge with a high altitude and a high temperature difference，the field measurement of wind characteristics was carried out on the Dadu River bridge site with the CAW600-RT automatic-weather-station（AWS），hand anemometer and portable thermometer.The property of wind environment on the bridge site was explored through analyzing its influence factors，including mean wind speed，temperature，sunlight，topography and so on.The research results show that the Dadu River bridge is located in a deep gorge with a high altitude and a high temperature difference，where strong wind occurs nearly every afternoon and its mean wind speed is often more than 10 m／s.The causes of strong wind can be classified into two types.The first type of wind is induced by large-scale general atmospheric circulation，while the second type of wind，i.e.daily strong wind，is driven by local thermal disequilibrium，and the daily strong wind is also influenced by local terrain and time-varying sunshine.Though frequent daily strong wind has not effect on the design wind speed of the bridge，it can affect bridge durability and driving comfort to some extent.

U442

：A

0258-2724（2014）06-0935-07

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.001

2013-12-12

國家自然科學基金資助項目（U1334201）；交通運輸部建設科技計劃項目（2014318800240）

李永樂（1972－），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為大跨度橋梁風致振動及車橋耦合振動，電話：028-87601119，E-mail：lele＠swjtu.edu.cn

李永樂，張明金，徐昕宇，等.高海拔高溫差深切峽谷橋址區日常大風成因［J］.西南交通大學學報，2014，49（6）：935-941.