貴州境內高鐵沿線氣象災害特征及關鍵服務期探討

廖 波，羅喜平，唐延婧，雷坤江

(1.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

1 引言

高速鐵路，簡稱高鐵，在不同國家不同時代有不同規定。據1985年5月聯合國歐經會標準，客運專線300 km/h、客貨混線250 km/h以上稱為高速鐵路。國際鐵路聯盟(UIC)給出的標準是新線250 km/h以上、既有線改造200 km/h以上稱為高速鐵路。目前國際上公認列車最高運行速度達到200 km/h及以上的鐵路稱為高速鐵路。

隨著貴州省高鐵的迅速發展，奠定了貴州作為西南地區陸路交通的樞紐地位。2014年12月26日貴廣高鐵開通運營，標志著貴州正式進入“高鐵時代”，2016年底滬昆高鐵貴州段相繼開通，渝黔高鐵2018年初建成通車、成貴高鐵預計2018年底建成通車。貴州十三五規劃將繼續推進高鐵建設，計劃開通3條省級高鐵、3條城際鐵路，力爭建設省內1 h經濟圈，融入周邊2 h經濟圈，實現三環八射鐵路網。屆時，貴州省將全面進入高鐵時代。

日本早在1965年就制定了“線路災害警戒標準規程”，經過后期的不斷完善，制定了一系列氣候惡劣條件下鐵路運輸規程，為新干線的安全運營保駕護航。我國高鐵建設運營時間較短，與高鐵相關的氣象研究不多，目前高鐵氣象服務相關研究正處于探索階段，現有的研究成果也多傾向于氣象災害監測防控和分布特征、氣象災害風險評估及氣象災害預警指標。馬淑紅[1]等建立了高鐵沿線距軌面4 m最大瞬時風速預測模式，提出了強風災風險評估與區劃方法；馬韞娟[2]等研究得出我國高鐵沿線最大風速垂直分布遵循冪指數規律；張廷龍[3-4]等分析了鐵路沿線的氣象災害的特征；謝靜芳[5]等分析了高鐵氣象服務需求；王志[6]等采用GIS技術計算大風風險指數區劃圖；崔新強[7]等開展了高速鐵路安全運行高影響天氣條件等級標準研究。以上的研究成果多集中在東北、華北、華東、華中地區，貴州開展高鐵氣象災害研究甚少，僅吳安坤[8]等利用地閃數據，分析了貴廣高鐵沿線9個市州的雷電活動特征，因此，研究貴州山區特殊地形地貌條件下高鐵沿線主要氣象災害分布特征及關鍵服務期，對高鐵運營調度具有十分重要的現實意義。

2 資料選取和方法使用

運用層次分析法和專家咨詢法，建立貴州境內高鐵沿線氣象災害風險評價指標體系，對構成風險的因子賦予權重，確定主要氣象災害因子。

利用貴州境內貴廣高鐵沿線及滬昆高鐵沿線23個氣象站近55 a氣象資料，運用統計學方法分析影響貴州境內高鐵沿線的主要氣象災害暴雨、雷暴、大風、積雪、凝凍的氣候特征，確定高鐵沿線主要氣象災害的服務關鍵期。

3 高鐵沿線主要氣象影響因子

應用層次分析法和專家咨詢法，建立貴州境內高鐵沿線風險評價指標體系，對構成風險的因子賦予權重，確定主要影響因子，評價指標體系分為：目標層(A)、指標因子層(B)，指標因子層從暴雨(B1)、積雪(B2)、凝凍(B3)、雷暴(B4)、大風(B5)、大霧(B6)、強降溫(B7)7方面考慮。

根據所建立的層次指標體系，采用 Delphi 法，將指標因子列成判斷矩陣表，用成對比較法和1～9尺度，對上述7個因子的重要性作兩兩(Ci:Cj)比較判斷，其比較標準：1為同等重要，3為稍微重要，5為重要，7為明顯重要，9為絕對重要，2、4、6和8 為中間過渡，不重要程度則用倒數表示。利用判斷矩陣表，先后向8位專家(4位氣象部門專家、4位高鐵部門專家)開展咨詢調查。

A=0.29B1+0.12B2+0.14B3+0.17B4+0.15B5+0.08B6+0.05B7

通過層次分析法和專家咨詢法，表明影響貴州境內高鐵的主要氣象災害為暴雨，其次為雷暴、大風、凝凍、積雪等。大霧對高鐵的主要影響為視程障礙和“霧閃”，由于高鐵是有軌運行，且供電方式是“電網”，因而霧對高鐵的運行影響不大。

4 高鐵沿線主要氣象災害特征

本部分對高鐵沿線主要的氣象災害暴雨、雷暴、大風、凝凍、積雪的氣候特征進行分析，并疊加高鐵GIS信息顯示，以期找出主要災害的重點防御路段，給高鐵氣象服務提供氣候背景依據。

4.1 暴雨的特征

制作貴州境內高鐵沿線年平均暴雨日數分布圖(圖1)，貴州高鐵沿線暴雨日數為2～5 d，滬昆高鐵平壩—晴隆段、貴廣高鐵都勻—三都段年平均暴雨日數為4～5 d，以晴隆年平均暴雨日數最多為4.9 d，其余高鐵沿線年平均暴雨日數為2～3 d，以三穗最少為2 d；可見，貴州境內滬昆高鐵西段處于貴州暴雨中心附近，貴廣高鐵都勻段也是貴州次暴雨中心。近55 a高鐵沿線暴雨日數總體呈上升趨勢(圖2)，其線性增長率為0.12 d/10 a，其中1962年暴雨日數最少為1.4 d，2015年最多達6 d。

圖1 貴州境內高鐵沿線年平均暴雨日數分布圖Fig.1 The annual average days of rainstorms along the line of high-speed railway in Guizhou

圖2 1961—2015年高鐵沿線暴雨日數年際變化Fig.2 The annual variations of rainstorms days along the line of high-speed railway in Guizhou from 1961 to 2015

4.2 雷暴的特征

貴州境內高鐵沿線年平均雷暴日數為43.6～71.1 d(圖3)，貴州境內滬昆高鐵西段是雷暴頻發區，關嶺—盤州段年平均雷暴日數為60～71 d，以盤州年平均雷暴日數最多為71.1 d，貴廣高鐵沿線、滬昆高鐵玉屏—鎮寧段年平均雷暴日數為43～55 d，以龍里最少為43.6 d。55 a來高鐵沿線暴雨日數年際變化總體呈下降趨勢(圖4)，其線性增長率為-3.2 d/10 a，2012年雷暴日數最少為27.3 d，1968年最多,達70.2 d。

4.3 大風的特征

貴州春季多熱低壓大風、秋冬季多冷鋒低槽大風，制作貴州境內高鐵沿線年平均大風日數分布圖(圖5)，滬昆高鐵晴隆—盤州段年平均大風日數>20 d，其中滬昆高鐵盤州段是貴州境內大風頻發區，年平均大風日數最多為37.3 d，滬昆高鐵其余路段及貴廣高鐵沿線大風日數均在5 d以下，貴定年平均大風日數最少，僅0.2 d。55 a高鐵沿線大風日數年際變化總體呈顯著下降趨勢(圖6)，其線性增長率為-2.1 d/10 a，1999年和2001年大風日數最少，為1.1 d，1966年最多，達18.5 d。

4.4 凝凍的特征

凝凍是貴州冬季影響最大的氣象災害之一，貴州境內高鐵沿線年平均凝凍日數分布圖(圖7)看，貴州高鐵沿線均不在重凝凍區，但滬昆高鐵普安—晴隆段和麻江段年平均凝凍日數為10 d以上，麻江段最多為14 d，貴廣高鐵三都從江段年平均凝凍日數為1～2 d，榕江段最少為0.3 d。近55 a高鐵沿線凝凍日數總體呈下降趨勢(圖8)，其線性增長率為-0.6 d/10 a，2015年凝凍日數最少為4.1 d，1984年最多達36 d。

4.5 積雪的特征

制作貴州境內高鐵沿線年平均積雪日數分布圖(圖9)，滬昆高鐵麻江段及三穗—銅仁南段在5～7 d，三穗最多為6.9 d，貴廣高鐵三都—從江段年平均積雪日數不足1 d，三都年平均積雪日數最少為0.5 d，其余高鐵沿線年平均積雪日數為1～5 d。近55 a高鐵沿線積雪日數呈現波動趨勢(圖10)，其線性增長率變化不大，1987年積雪日數最少為0 d，2011年最多達9.9 d。

圖3 貴州境內高鐵沿線年平均雷暴日數分布圖 圖4 1961—2015年高鐵沿線雷暴日數年際變化 Fig.3 The annual average days of thunderstorm along the line of high-speed railway in Guizhou Fig.4 The annual variations of thunderstorm days along the line of high-speed railway in Guizhou from 1961 to 2015

圖5 貴州境內高鐵沿線年平均大風日數分布圖 圖6 1961—2015年高鐵沿線大風日數年際變化 Fig.5 The annual average days of gale along the line of high-speed railway in Guizhou Fig.6 The annual variations of gale days along the line of high-speed railway in Guizhou from 1961 to 2015

圖7 貴州境內高鐵沿線年平均凝凍日數分布圖 圖8 1961—2015年高鐵沿線凝凍日數年際變化 Fig.7 The annual average days of freezing along the line of high-speed railway in Guizhou Fig.8 The annual variations of freezing days along the line of high-speed railway in Guizhou from 1961 to 2015

圖9 貴州境內高鐵沿線年平均積雪日數分布圖 圖10 1961—2015年高鐵沿線積雪日數年際變化 Fig.9 The annual average days of snow along the line of high-speed railway in Guizhou Fig.10 The annual variations of snow days along the line of high-speed railway in Guizhou from 1961 to 2015

從以上5種災害性天氣分布特征看，貴州境內滬昆高鐵西段及貴廣高鐵都勻段需重點防范暴雨災害，滬昆高鐵西段關嶺—盤縣段需重點防范雷暴災害，滬昆高鐵晴隆—盤州段需重點防范大風災害，滬昆高鐵普安—晴隆段和麻江段需重點防范凝凍災害，滬昆高鐵麻江段及三穗—銅仁南段需重點防范積雪災害。

5 高鐵沿線主要氣象災害的關鍵服務期

為減少對高鐵安全運營的影響，提高氣象保障服務質量，提高服務針對性。根據高鐵沿線主要災害性天氣發生的級別及特點，以及對鐵路安全運營可能造成的影響，將災害性天氣服務分為3個服務關鍵期[9]即特別關鍵期、關鍵期、次關鍵期(表1)。

表1 災害性天氣服務關鍵期劃分標準Tab.1 The standard for critical period division of disaster weather service

注：表中D為貴州境內高鐵沿線主要氣象災害1961—2015年月平均日數(單位：d)

按照災害性天氣服務關鍵期劃分標準，利用高鐵沿線各氣象站55 a月平均災害日數進行統計分析，制作貴州境內高鐵沿線各氣象站暴雨、雷電、大風、凝凍、積雪關鍵服務期(如圖11～15)，由圖可見氣象災害對高鐵的影響具有時段和路段差異性的特點,各高鐵段暴雨的服務關鍵期主要集中在5—8月，但滬昆高鐵西段(平壩—盤州)延長到9月份，特別關鍵期在6—7月，重點關注滬昆高鐵盤州—平壩、麻江及貴廣高鐵的都勻—榕江等路段；雷暴的服務關鍵期較暴雨時間長為3—9月，但滬昆高鐵西段(關嶺—盤州)延長到10月份，特別關鍵期在6—8月，重點關注滬昆高鐵西段(關嶺—盤州)；大風的服務關鍵期及關注路段是所有災害中最少的，關注路段只有滬昆高鐵晴隆—盤州段，關鍵服務期主要在2—5月，盤州段12—1月也需要關注，特別關注期在2—4月，重點關注滬昆高鐵普安—盤州路段；凝凍的服務關鍵期主要在冬季(12月、1月、2月)，特別關鍵期在1—2月，重點關注滬昆高鐵滬昆高鐵三穗、貴陽、盤州路段及貴廣高鐵黎平路段，尤其是三穗路段12月到2月都屬于特別關注期；積雪的服務關鍵期為1、2月，貴州全路段沒有特別關注期，另外滬昆高鐵鎮寧到關嶺、盤州路段及貴廣高鐵榕江到從江段無服務關鍵期。掌握高鐵沿線主要氣象災害服務關鍵期，針對服務關鍵期內即將出現的氣象災害提前24～48 h對高鐵部門進行專項服務，提高服務質量。

圖11 貴州境內高鐵沿線各氣象站暴雨關鍵服務期Fig.11 The key service period of rainstorms in meteorological stations along the line of high-speed railway in Guizhou

圖12 貴州境內高鐵沿線各氣象站雷電關鍵服務期Fig.12 The key service period of thunderstorm in meteorological stations along the line of high-speed railway in Guizhou

圖13 貴州境內高鐵沿線各氣象站大風關鍵服務期Fig.13 The key service period of gale in meteorological stations along the line of high-speed railway in Guizhou

圖14 貴州境內高鐵沿線各氣象站凝凍關鍵服務期Fig.14 The key service period of freezing in meteorological stations along the line of high-speed railway in Guizhou

圖15 貴州境內高鐵沿線各氣象站積雪關鍵服務期Fig.15 The key service period of snow in meteorological stations along the line of high-speed railway in Guizhou

6 討論與結論

①通過層次分析法和專家咨詢法，表明影響貴州境內高鐵的主要氣象災害為暴雨、雷暴、大風、凝凍、積雪等，尤其是暴雨引發的山洪、泥石流、崩塌等次生災害對高鐵影響最大。

②按照災害性天氣服務關鍵期劃分標準，通過近55 a高鐵沿線氣象災害資料分析，氣象災害對高鐵的影響在關鍵服務期和路段上存在較大差異，貴州境內高鐵全路段需重點防范暴雨、雷電災害。

③統計分析貴州境內高鐵沿線主要氣象災害的服務關鍵期，暴雨的服務關鍵期為5—8月，雷暴的服務關鍵期為3—9月，大風只有滬昆高鐵盤州—晴隆端存在關鍵服務期為2—5月，凝凍的服務關鍵期為1月、2月、12月，積雪的服務關鍵期為1月、2月。