蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)極端風(fēng)況特征及形成機制

肖建華，姚正毅，屈建軍，蔣富強

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州　730000；2.甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州　730000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000)

在新疆因其獨特的地理環(huán)境和氣候條件而形成了若干風(fēng)區(qū)，如“阿拉山口風(fēng)口”，“達坂城風(fēng)區(qū)”，“三十里風(fēng)區(qū)”，“百里風(fēng)區(qū)”，“煙墩風(fēng)區(qū)”等。這些風(fēng)區(qū)因受西伯利亞寒流的影響，具有風(fēng)力強勁、大風(fēng)頻繁等特點，常常會造成風(fēng)災(zāi)。

百里風(fēng)區(qū)是指蘭新鐵路正對著七角井埡口的一段區(qū)域，全長94 km。這里地勢北高南低，每當(dāng)有冷空氣東移，天山南北氣壓梯度增大、冷空氣堆積到一定程度后便會從埡口傾瀉而出，加上地形的影響作用，使風(fēng)速劇增[1-3]。新疆鐵路部門2004—2009年的觀測資料表明[4]：百里風(fēng)區(qū)的年大風(fēng)天數(shù)平均超過100 d，最大瞬時風(fēng)速可達60.2 m·s-1；大風(fēng)持續(xù)時間長，12級及以上大風(fēng)過程的持續(xù)時間最長為40 h。

蘭新鐵路在百里風(fēng)區(qū)的線路走向基本與風(fēng)向垂直，因此運行中的列車受橫風(fēng)影響而被大風(fēng)吹翻的危險最大[5]。此外，大風(fēng)及其吹起的沙塵還對路基、橋涵等造成嚴重風(fēng)蝕，打碎車窗玻璃、磨損車體油漆、吹走貨物，甚至導(dǎo)致列車脫軌、顛覆等事故，嚴重影響蘭新鐵路的客貨車輛及運輸生產(chǎn)的安全，也對風(fēng)區(qū)內(nèi)鐵路職工的人身安全造成嚴重威脅[6-7]。

極大風(fēng)速的確定對于列車安全運行有重要意義，是設(shè)計鐵路線路和附屬防風(fēng)設(shè)施的重要依據(jù)。據(jù)統(tǒng)計[8]，3 s的瞬時最大風(fēng)速為10 min平均風(fēng)速的1.2倍以上，0.5和0.1 s的瞬時最大風(fēng)速甚至可達10 min平均風(fēng)速的1.5～3倍以上。因為這種高能量的瞬時風(fēng)速往往會給工程設(shè)施造成很大危害，所以在鐵路工程設(shè)計中，為保證安全，需要考慮極大風(fēng)速。長期以來，研究人員對蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)路段風(fēng)況的研究主要以統(tǒng)計分析風(fēng)況為主，而針對造成風(fēng)災(zāi)的最直接風(fēng)速(最大風(fēng)速和極大風(fēng)速)的研究甚少，另外對造成百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)環(huán)境的地形研究也較少。因此，本文根據(jù)百里風(fēng)區(qū)及周邊5個氣象站最近5年的日極大風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，開展蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)路段極大風(fēng)速、風(fēng)向時空分布特征及規(guī)律的研究，查明形成大風(fēng)的物理原因及地形的作用，進一步揭示蘭新鐵路百風(fēng)風(fēng)區(qū)路段大風(fēng)的形成機理，為今后蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)路段的防風(fēng)工程設(shè)計提供理論支持。

1　基本資料與方法

中國氣象局國家氣象中心氣象資料室提供了位于百里風(fēng)區(qū)(見圖1)的十三間房氣象站及其周邊的奇臺、吐魯番、巴里坤和哈密氣象站2005—2009年5年間逐日的平均風(fēng)速、最大風(fēng)速(10 min平均風(fēng)速)及其風(fēng)向、極大風(fēng)速及其風(fēng)向等數(shù)據(jù)資料。在這5個氣象站中，其中的十三間房、吐魯番和哈密3個氣象站位于東天山南麓的吐魯番—哈密盆地，奇臺氣象站位于天山山脈東段北麓的準噶爾盆地南緣，巴里坤氣象站位于天山山脈間的巴里坤盆地。作為基準站的奇臺和哈密氣象站分別自1992和2001年開始記錄極大風(fēng)速，而作為基本站的巴里坤、吐魯番和十三間房氣象站均是從2005年開始記錄極大風(fēng)速的。百里風(fēng)區(qū)及其周邊的氣象站基本情況見表1。

圖1　百里風(fēng)區(qū)的地理位置、地形及盛行風(fēng)向

氣象站位置緯度經(jīng)度觀測場海拔高度/m觀測場性質(zhì)極大風(fēng)速記錄起始時間奇臺　　44°01′89°34′7935基準站1992?06巴里坤　43°36′93°03′16772基本站2005?01吐魯番　42°56′89°12′345基本站2005?01哈密　　42°49′93°31′7372基準站2001?03十三間房43°13′91°44′7214基本站2005?01七角井　43°29′91°38′87321999年1月搬遷至十三間房

由百里風(fēng)區(qū)及其周邊這5個氣象站測得的日極大風(fēng)速v極大與日最大風(fēng)速v最大之間有較好的相關(guān)性，尤其是百里風(fēng)區(qū)十三間房氣象站，其相關(guān)系數(shù)達到0.986 7(見表2)，具有極強的相關(guān)性。因此當(dāng)某日的極大風(fēng)速缺測時，可以利用表2中相關(guān)方程依據(jù)該日的最大風(fēng)速計算得到。

表2　日極大風(fēng)速與最大風(fēng)速的相關(guān)性

2　百里風(fēng)區(qū)極大風(fēng)的特征

2.1　極大風(fēng)風(fēng)速的時空分布

百里風(fēng)區(qū)及其周邊極大風(fēng)速的空間分布比較復(fù)雜。其中，十三間房氣象站測得的多年平均風(fēng)速、多年平均最大風(fēng)速及多年平均極大風(fēng)速均居全國727個基本/基準氣象站的首位，多年平均極大風(fēng)速為18.7 m·s-1，50 a一遇的極大風(fēng)速可達57.5 m·s-1，百年一遇的極大風(fēng)速可達60.1 m·s-1 [8]。

與十三間房氣象站測得的風(fēng)速相比，百里風(fēng)區(qū)周邊這4個氣象站(距十三間房氣象站的直線距離分別為194，112，208和149 km)測得的風(fēng)速都較小。其中，奇臺和巴里坤氣象站因位于天山山脈東段北麓，是冷空氣東移路徑的經(jīng)過之處，故測得的年平均極大風(fēng)速相對于吐魯番和哈密氣象站較大，分別為7.2和9.1 m·s-1，這反映了冷空氣入侵路徑上風(fēng)力的一致性；而位于天山南麓的吐魯番和哈密，因冷空氣受天山的阻擋難以入侵，故風(fēng)速較低，年平均極大風(fēng)速分別為5.5 和6.5 m·s-1。百里風(fēng)區(qū)及其周邊的極大風(fēng)速分布如圖2所示，可以看出，極大風(fēng)速小于8.0 m·s-1的風(fēng)所占比例，奇臺為69.06%，巴里坤為44.69%，吐魯番為81.60%，哈密為74.42%，而十三間房只有16.16%；極大風(fēng)速小于17.2 m·s-1的風(fēng)所占比例，奇臺為98.96%，巴里坤為97.21%，吐魯番為99.89%，哈密為99.78%，而十三間房只有44.63%。

圖2　百里風(fēng)區(qū)及其周邊氣象站近5年極大風(fēng)速分布

百里風(fēng)區(qū)及其周邊的極大風(fēng)速受季節(jié)變化的影響相當(dāng)明顯，如圖3所示?？傮w來看以春季(3，4，5月)和夏季(6，7，8月)的極大風(fēng)速最大，秋季次之，冬季最小。1年之中，以4，5，6月份的風(fēng)速最大，1，11，12月份的風(fēng)速最小。

圖3　百里風(fēng)區(qū)及其周邊氣象站極大風(fēng)速的季節(jié)分布

百里風(fēng)區(qū)內(nèi)極大風(fēng)速的空間分布也具有明顯的地域特征。在風(fēng)害最嚴重地段的紅層站—大步站區(qū)間(長45.1 km)，多年極大風(fēng)速的均值大于40 m·s-1，是風(fēng)速最大的路段；紅層站向東，大步站向西，風(fēng)速小于40 m·s-1并且逐漸遞減[4]。風(fēng)害較嚴重的地段[9]分別為了墩站—紅層站區(qū)間(長12 km)和大步站—小草湖站區(qū)間(長37.3 km)。

2.2　極大風(fēng)風(fēng)向的時空分布

位于天山山脈東段北麓的奇臺和巴里坤因為是冷空氣經(jīng)過之處，主要刮西風(fēng)或西北風(fēng)，與冷空氣的東移方向一致。在奇臺氣象站測到的西—西北風(fēng)所占比例達42.16%，其中西風(fēng)的占比為18.4%，西西北風(fēng)的占比為13.14%，西北風(fēng)的占比為10.62%；其他方向的風(fēng)較少，主要為南東南風(fēng)，占比為20.92%，且多為小于8.0 m·s-1的風(fēng)(占比為20.37%)。在巴里坤，主要為西、西西南、西西北風(fēng)，占比分別為18.56%，15.71%和13.47%；其他方向的風(fēng)占比為52.24%，且風(fēng)速多小于8.0 m·s-1(占比為34.99%)。在吐魯番，主要為東、東東北、東南風(fēng)，占比分別為15.82%，11.94%和10.84%，但這些方向風(fēng)的風(fēng)速幾乎都小于10.8 m·s-1；其他方向的風(fēng)主要為西、西西北風(fēng)，占比分別為7.45%和5.20%。在哈密，主要為東北、東東北風(fēng)，占比分別為13.25%和9.91%，而其中風(fēng)速小于10.8 m·s-1的東北、東東北風(fēng)占比分別為9.58%和8.27%，大于或等于10.8 m·s-1的東北、東東北風(fēng)占比分別為3.67和1.64%；另外，西北風(fēng)的占比雖然僅為7.66%，但是最大風(fēng)速發(fā)生所在。百里風(fēng)區(qū)內(nèi)的十三間房主要為北風(fēng)，其占比達63.64%，北西北風(fēng)的占比為25.25%，其他方向的風(fēng)合計占比僅有11.12%。

百里風(fēng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)向也略有差別，根據(jù)唐士晟等人的研究觀測結(jié)果[4]，以猛進站為界，猛進站以東的風(fēng)向為北西北，猛進站以西的風(fēng)向為東北東。百里風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)蝕雅丹的溝槽或壟丘的排列走向可以很好地反映該地區(qū)的盛行風(fēng)向。根據(jù)在衛(wèi)星影像上測量的結(jié)果，百里風(fēng)區(qū)最西段和最東段的風(fēng)蝕溝槽以及壟丘的排列走向分別為東北15°和西北138°，與文獻[4]一致。

3　百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)形成的物理基礎(chǔ)

3.1　強冷空氣入侵形成大風(fēng)

新疆的大風(fēng)多為氣壓梯度造成。當(dāng)強冷空氣入侵新疆之際，國外為強冷空氣控制，國內(nèi)為暖空氣控制，造成明顯的氣壓差，內(nèi)外氣壓差可以達到20 hPa以上。當(dāng)冷空氣前鋒到達國境線時，造成阿拉山口等地出現(xiàn)西北大風(fēng)。隨著冷空氣前鋒東移，大風(fēng)區(qū)也自西向東移動，當(dāng)冷高壓進入北疆，由于天山山脈的阻擋，在南北疆之間形成很強的氣壓差，冷空氣翻越天山山脈造成南疆沿天山山脈一帶產(chǎn)生偏北大風(fēng)；當(dāng)冷高壓到達東疆、河西走廊一帶時，會形成氣壓場“東高西低”的形勢，冷空氣“東灌”(自東向西)進入南疆形成偏東大風(fēng)。

造成新疆大風(fēng)天氣的冷空氣及地面冷高壓路徑如圖4所示有4條[10-12]。①西方路徑：冷高壓首見于歐洲中部，逐漸東移，經(jīng)黑海、里海和中亞地區(qū)，侵入新疆；經(jīng)過該路徑的比例為29%。②西北路徑：冷高壓出現(xiàn)于波羅的海附近，由西北向東南方向移動，經(jīng)烏拉爾山南端折向東移，再經(jīng)巴爾喀什湖北部，影響新疆；經(jīng)過該路徑的比例為45%。③北方路徑：冷高壓首見于新地島附近，沿烏拉爾山南移，抵達烏拉爾山南端后，再折向沿50°N東移，侵入新疆；經(jīng)過該路徑的比例為20%。④超極地路徑：冷高壓首見于泰米爾半島附近，先向西南方向移動，至烏拉爾山東南側(cè)再折向，沿50°N東移；經(jīng)過該路徑的比例為6%。

圖4　造成新疆大風(fēng)天氣的冷空氣及地面冷高壓路徑

沿上述路徑移動的寒潮高壓一般都要經(jīng)過烏拉爾山南端，并向巴爾喀什湖北部東移，當(dāng)它們移到新疆東部或蒙古時，常常有部分冷空氣從新疆東部、河西走廊一帶迂回進入南疆。因此，既有部分冷空氣從東部進入南疆，又有小股冷空氣翻越帕米爾高原或天山山脈西段的山隘進入南疆。

由于天山山脈橫跨新疆中部，因此使得冷空氣前鋒侵入新疆以后變形，甚至改變移動方向。對北疆來說，由于山系的平均海拔較低，同時天山山脈的走向與冷空氣前鋒移動方向的交角不大，因此不會使冷空氣前鋒造成大的變形，只是冷空氣前鋒的移動速度減慢，有時變成北疆沿天山一帶的呈東西向準靜止鋒。但對南疆來說，由于天山山脈呈西高(平均海拔約4 000～5 000 m)東低(平均海拔約3 000 m左右)分布，因此弱的冷空氣前鋒侵入北疆以后，一般越不過天山山脈，只有當(dāng)強冷空氣入侵時，才有可能從天山山脈東段(指烏魯木齊以東的天山山脈)或河西走廊一帶進入南疆東部，并且冷空氣前鋒變成從南疆東部向西移動。因此在冬春季節(jié)里發(fā)生在百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)都是在較強的寒潮與地形相互作用下形成的。

3.2　隨颮線而來的大風(fēng)

颮線是帶狀雷暴群所構(gòu)成的風(fēng)向、風(fēng)速突變且狹窄的強對流天氣帶。颮線在過境時，伴隨而來的大風(fēng)風(fēng)向突變且風(fēng)速急增，氣壓驟升，氣溫劇降，并同時伴有雷暴、強陣雨甚至冰雹等天氣現(xiàn)象。颮線與積雨云云群相伴出現(xiàn)，是在氣團內(nèi)有深厚不穩(wěn)定層、低層有豐富水汽以及有引起不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機制等條件下產(chǎn)生的。因此在合適的天氣形勢下，百里風(fēng)區(qū)在夏季的傍晚到前半夜有時會受到隨颮線而來大風(fēng)的襲擊。

3.3　動量下傳形成的大風(fēng)

在新疆的夏秋季，有時在冷空氣前鋒到來之前，氣壓梯度并不大，可卻出現(xiàn)了偏西大風(fēng)，而且往往是成片出現(xiàn)。這種風(fēng)不像冷空氣前鋒來到之后的大風(fēng)造成氣壓猛升，起風(fēng)時間以及停歇的時間與氣溫日變化有關(guān)，易在高溫的午后出現(xiàn)，溫度降低到一定程度就停歇。這種大風(fēng)總是與對流層中的強西北風(fēng)帶相聯(lián)系，主要是由于高空動量下傳造成的。動量下傳偏西大風(fēng)主要出現(xiàn)在北疆北部、東部及東疆地區(qū)，特別是吐魯番地區(qū)，風(fēng)速也十分大[12]。大部分地區(qū)因為常常與冷鋒過境的偏西大風(fēng)混在一起而難以區(qū)分。

4　地形條件與大風(fēng)的關(guān)系

地形對區(qū)域風(fēng)況的影響作用十分大，Smith[13], Kalthoff[14], Jiang[15]， Pattantyus[16]等人都對地形對風(fēng)速的影響作用做過研究及計算機模擬。新疆的地形特點是天山山脈橫亙其中部，阻擋冷空氣南下侵入南疆，但當(dāng)冷空氣足夠強時，會從一些埡口翻越天山而形成侵入南疆的大風(fēng)，這些翻山大風(fēng)常常會在阿克蘇、托克遜以及百里風(fēng)區(qū)等地出現(xiàn)[17-20]。

4.1　百里風(fēng)區(qū)地形特點

天山山脈的東段基本呈東西走向，由博格達山(最高峰博格達峰的海拔高度為5 445 m)與巴里坤山(最高峰的海拔高度為4 338 m)組成。博格達山與巴里坤山之間為七角井埡口，其海拔高度為1 650～1 670 m左右，寬度為30 km，呈西北—東南走向。埡口東部有一西北—東南走向的楔形山脊，其海拔高度大于2000 m，最高海拔高度達2483 m。如圖5所示，每當(dāng)有冷空氣東移時，東移的冷空氣爬坡上升，從海拔高度為1 300～1 400 m的山腳開始抬升250～350 m高度后，翻越埡口，但又被楔形山脊所阻擋而由東移轉(zhuǎn)折為向東南方向移動，傾瀉到七角井盆地(最低海拔高度為853 m)；然后冷空氣從七角井盆地的南緣缺口(海拔高度為1 030～1 300 m，走向為西北350°)涌出向百里風(fēng)區(qū)移動，到百里風(fēng)區(qū)的十三間房車站，海拔高度降低到720 m左右。

圖5百里風(fēng)區(qū)盛行風(fēng)地形剖面圖(沿奇臺—山體—七角井—百里風(fēng)區(qū)軌跡)

4.2　冷空氣爬坡問題

冷空氣要影響到百里風(fēng)區(qū)，首先必須翻越七角井埡口，然后才能順山勢下坡加速。冷空氣能否翻越山脊可以由下式確定[12]。

(1)

由式(1)及針對本文問題給定的各變量取值，求得H為375 m左右?？梢钥闯?，天山北麓的冷空氣很容易翻越七角井埡口(相對北麓高差250～350 m)，但難以翻越楔形山脊(海拔高度大于2 000 m，相對北麓高差600～700 m)；冷空氣翻越七角井埡口后恰好遇見七角井盆地，于是冷空氣的移動方向轉(zhuǎn)向東南，而不再翻越楔形山脊。

4.3　冷空氣翻山下坡問題

冷空氣翻山下坡使風(fēng)速迅速增大，而且坡度越大，風(fēng)速也越易得到加速。冷空氣下坡是一個干絕熱過程。由于下沉增溫所造成的運動阻力很小，隨著勢能向動能的轉(zhuǎn)化，冷空氣在下坡過程中的動能越來越大。隨著冷空氣運動速度的增加，空氣運動的摩擦阻力也越來越大，最后當(dāng)運動中冷空氣位能的減少量大致等于其摩擦耗散的能量時，冷空氣的運動速度便不再增加。

潘新民[19]等提出的翻山氣流下坡到達山腳時的風(fēng)速公式為

(2)

其中，ΔT=T2-T1

式中：Uj為翻山氣流下坡到達山腳時的風(fēng)速，m·s-1；Ud為翻山氣流在埡口處的風(fēng)速，m·s-1；ΔT為溫差，℃；H1為迎風(fēng)坡(上坡)山腳到埡口處的垂直高度，m；H2為背風(fēng)坡(下坡)山腳到坡頂最高處的垂直高度，m；T1為迎風(fēng)坡山腳處的氣溫，℃；T2為背風(fēng)坡山腳處的氣溫，℃。

結(jié)合百里風(fēng)區(qū)的地形特點，由式(2)所計算的結(jié)果表明，當(dāng)埡口的風(fēng)速相對較小時，百里風(fēng)區(qū)十三間房的風(fēng)速可以達到埡口當(dāng)時風(fēng)速的1.8～2.8倍；當(dāng)埡口的風(fēng)速相對較大時，百里風(fēng)區(qū)十三間房的風(fēng)速可以達到埡口當(dāng)時風(fēng)速的1.1～1.3倍?？梢钥闯?，百里風(fēng)區(qū)的地形對風(fēng)速的增大作用十分明顯。

實際觀測[21]也表明，當(dāng)七角井的風(fēng)速大于30 m·s-1時，在百里風(fēng)區(qū)地形的作用下，百里風(fēng)區(qū)內(nèi)鐵路附近的大風(fēng)風(fēng)速就會增加到46.5 m·s-1，甚至達到54 m·s-1。百里風(fēng)區(qū)地形對風(fēng)速的加速作用還可以從編號為53195氣象站的遷址后觀測數(shù)據(jù)的變化中看出。1999年編號為53195的氣象站從七角井(43°29′N，91°38′E，873.2 m a.s.l.)搬遷到十三間房(43°13′N，91°44′E，721.4 m a.s.l.)，搬遷的直線距離為36.5 km，海拔高度相差152 m。在1999—2009年的11年間，十三間房的年平均風(fēng)速為8.50 m·s-1，而在此前1988—1998年的11年間，七角井的年平均風(fēng)速為4.72 m·s-1，即十三間房的年平均風(fēng)速是七角井的1.8倍，考慮到新疆普遍的平均風(fēng)速顯著減小的事實[22]，否則百里風(fēng)區(qū)實際風(fēng)速增加的倍數(shù)可能更大。

5　結(jié)　論

在百里風(fēng)區(qū)十三間房氣象站測到的多年平均日極大風(fēng)速為18.7 m·s-1，顯著高于周邊其他4站(5.5～9.1 m·s-1)。盛行風(fēng)向為北和北西北，也顯著不同于其他四站。百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)形成機制復(fù)雜，究其根本原因是局地氣壓梯度的增大，具體表現(xiàn)在 ：①冷空氣東移時因受天山山脈東段的阻擋而積聚，導(dǎo)致天山山脈東段的南北氣壓梯度提高；②吐魯番—哈密盆地的地面因日照受熱而使熱氣流上升，當(dāng)與積聚在天山山脈東段的冷空氣相遇后，導(dǎo)致吐魯番—哈密盆地與山脈之間的氣壓增大；③百里風(fēng)區(qū)及其周邊特殊的地形加強了大風(fēng)的強度。因此，百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)的預(yù)報面臨諸多困難。在冬春季，形成百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)的動力因素主要是冷空氣入侵，這時有比較一致的冷空氣移動過程，大風(fēng)持續(xù)時間較長；因大風(fēng)而引起列車顛覆或停輪多發(fā)生在這個季節(jié)。在夏秋季，百里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)多是隨颮線而來或由動量下傳引起的，雖然這個季節(jié)的大風(fēng)風(fēng)速可能超過40 m·s-1，但持續(xù)時間短，災(zāi)害威脅較小。對于百里風(fēng)區(qū)一般由冷空氣入侵引起的大風(fēng)，可以根據(jù)冷空氣的移動速度及強度提前作出預(yù)報，但在該地區(qū)夏秋季的大風(fēng)多是猝發(fā)性的，很難及時作出預(yù)報，即使能作出預(yù)報，但預(yù)警時間太短。

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