蘭新鐵路第二雙線大風規律及影響分析

張新軍，潘新民，剛 赫，王 舒

(1.新疆維吾爾自治區氣象服務中心，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，全長l 776 km[2], 線路主要通過甘肅境內安西和新疆境內的煙墩、百里、三十里、達坂城五大風區。全線大風區線路的長度合計579.599 km,占線路總長的32.6%。新疆境內線路通過大風區長度為462.409 km, 占新疆段線路總長的65.1%[3]。五大風區多為戈壁，人煙稀少，自然條件惡劣，大風對鐵路的危害主要表現為橫風作用下的列車傾覆、軌道積沙、沙石擊碎玻璃、接觸網受流不穩、列車停運、限速天數多等問題，嚴重影響鐵路運營安全[4]。既有鐵路線通車幾十年來，特大強風災害屢屢危及鐵路列車運行安全，大風季節經常中斷列車運行，并多次引發列車脫軌，甚至吹翻列車，特大強風災害給旅客帶來不便，給鐵路運輸造成重大損失，直接影響到國家經濟發展與國防建設。又因風區位于干旱區和極端干旱區[5-6]，地表多沙石，植被稀少[7]，風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，我國交通運輸業蓬勃發展，但在快速發展和運營的過程中，不利氣象條件對其產生不可低估的災害和影響，并且災害發生的頻率和強度有明顯增加趨勢[10]，而新疆鐵路地區大風頻繁，風力強勁、風力變化劇烈，使新疆成為了我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區之一[11]。在絲綢之路經濟帶建設背景下，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環境下正常運營，大風預報顯得極為重要。作為大風預報的基礎，蘭新鐵路第二雙線大風規律研究迫在眉睫。

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、三十里風區東側、吐魯番盆地東側、鄯善盆地、紅臺南、大步南、了墩南、百里風區東側、煙墩北、煙墩風區西側、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，三百里風區東側、玉門市低窩鋪大橋為5 m、10 m、20 m三層觀測，煙墩風區西側為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日風向、風速資料。文中使用觀測資料如無特別說明均為此時段資料。

(2)典型大風天氣過程：根據大氣環流形勢和地面實況要素場選取風力明顯(十三間房氣象站2 min平均風速≥31 m/s,11級)的大風天氣過程。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天氣過程。

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

1.2 資料訂正方法

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

2 10 m高度風基本特征

2.1 風速

圖1 蘭新鐵路第二雙線10 m高度風速分布

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

2.2 風速月變化

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

圖2 蘭新鐵路第二雙線10 m高度風速月分布曲線

2.3 風速日變化

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

時后風速迅速增大，夜間24時前后風速達最大，這是其特殊隘口地形的下坡效應和山谷風共同作用形成的。安北車站東南、疏勒河大橋、玉門市地窩鋪大橋則是風速白天大，夜間小。白天09時后風速迅速增大，15時前后風速達最大，19時風速迅速減小，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果。而煙墩車站北和紅柳河特大橋最大風速和最小風速均出現在白天，夜間風速緩慢增大，在10時前后風速最大，11—13時風速迅速減小，14時前后風速達最小。吐魯番盆地東側站風速日變化不明顯。可以看出，日平均風速越大的站，風速波動越明顯；風速越小，波動相對越弱。

2.4 最大、極大風速，風向

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最大風速較大，除了白楊河特大橋站和玉門地窩鋪大橋站風速小于20 m/s，相對較小以外，其余各站的最大風速都在20 m/s以上。頭道河南站、紅臺南站、大步南、了墩南的最大風速都在30 m/s以上，了墩南站風速最大,達34.8 m/s。而瞬間極大風速除了白楊河特大橋站、煙墩風區西側站、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、了墩南的極大風速都在40 m/s以上，其中大步南站最大,達44.5 m/s。在風向方面，從白楊河特大橋至百里風區東側風向較為一致，以偏北風為主(NW-NE)，煙墩風區西側至玉門地窩鋪大橋以偏東風為主(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高度風速日變化曲線

風速以偏西風為主，而常年主導風向以偏東風為主。頭道河、大步南、煙墩車站北、安北車站東南四站的各風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為主導風向；大步南全年及四季均以西北偏北風為主導風向，其次是西北風；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為主導風向，其次是東風，安北車站東南春、秋、冬季在西風方向也出現較高的頻率。可見各站全年及四季主導的風向分布較一致。

表1 蘭新鐵路第二雙線沿線10 min最大、極大風速及風向

3 梯度風特征

3.1 平均風速和極大風速

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不同高度2 min平均風速從低層到高層風速逐漸增大，增大幅度略有差異；各高度風速均以煙墩風區西側站風速最小，疏勒河大橋風速最大，風速遞增率最大是煙墩風區西側站5～10 m高度。極大風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。各高度風速以百里風區東側最大，玉門市地窩鋪大橋最小。風速增幅局地性較強，風速遞增率最大為煙墩風區西側站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、百里風區東側、煙墩風區西側、紅柳河特大橋、疏勒河大橋和玉門市低窩鋪大橋各站2 min平均風速與極大風速基本都遵從由低到高，風速逐漸增加的規律，并且在煙墩風區西側站5～10 m高度遞增率最大。2 min平均風速與極大風速風速大值區不同：2 min平均風速同一高度風速以煙墩風區西側站風速最小，疏勒河大橋風速最大；而極大風速同一高度以百里風區東側風速最大，玉門市地窩鋪大橋最小。這反映出百里風區東側至煙墩風區西側風速波動較大，而疏勒河大橋至玉門市地窩鋪大橋風速波動小。

3.2 不同風速段大風分布

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

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高度風玫瑰圖

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

圖6 蘭新鐵路第二雙線梯度風站10 m高度極大風速不同風速段頻率分布

4 典型天氣過程大風規律分析

蘭新鐵路第二雙線大風天氣，往往出現在春夏季，且影響系統較強，這與其特殊的地形和動力條件有很大關系。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，它們共同具有的環流特征是: 環流經向度較大，受冷空氣東移南下影響，在天山北側到南側有一條偏北或西北風帶，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天山隘口處配合“狹管效應”和“下坡效應”在蘭新鐵路第二雙線出現強風天氣。有所不同的是冷空氣源地、冷空氣強度以及北風帶的強弱。

從極大風速的分布來看，蘭新鐵路第二雙線10 m高度四場典型大風天氣過程中，存在四個相對顯著大風區，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；其中風速最大的區域為紅臺南至大步南段，頭道河段次之。這與前文中結論基本一致，略有不同的是四個風速相對大值區的位置略有不同。按照互補原則，確定蘭新鐵路第二雙線四大風區為：白洋河特大橋至頭道河段、紅臺南至了墩南、煙墩風區西側至紅柳河特大橋段、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平均維持時間和各站年平均大風累計時數

從蘭新鐵路第二雙線典型天氣過程大風持續時間分布來看(見圖7)，以頭道河維持大風時間最長，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；還有兩個大風維持時間相對較長的區域是煙墩車站北及安北車站東南，維持時間均在20 h以內。四個大風維持時間相對較長的區域與文中四大風區有較好的對應關系，其中以白楊河特大橋至頭道河段大風維持時間最長，平均維持時間在50 h以上。

5 大風對鐵路的影響

5.1 大風累計時數分布

從圖7可以看出，蘭新第二雙線大風累計時數以頭道河最大，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時數也較多，與文中典型大風天氣過程的大風平均維持時間的結論較為一致。蘭新鐵路第二雙線存在四大風區，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。四大風區大風天氣主要是由大型天氣系統，加上特殊地形作用(山峰的阻擋能量蓄積作用、峽口的狹管效應及空氣的下坡效應)共同造成的，所以大風天氣的出現往往都是連續的，也容易出現持續大風天氣。

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速段鐵路營運停輪時間分布情況。從圖8可以看出，各風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級以上大風往往更容易對鐵路的營運造成影響，從不同風速段平均停輪時間的貢獻來看，25 m/s以上風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速分布結果有很好的一致性。

圖8 蘭新鐵路第二雙線不同風速段平均停輪時間分布

6 結論

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

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

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

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

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