貴州境內(nèi)高鐵沿線氣象災(zāi)害特征及關(guān)鍵服務(wù)期探討

廖 波，羅喜平，唐延婧，雷坤江

(1.貴州省氣象服務(wù)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(guī)定。據(jù)1985年5月聯(lián)合國歐經(jīng)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(lián)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(fā)展，奠定了貴州作為西南地區(qū)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(yù)計2018年底建成通車。貴州十三五規(guī)劃將繼續(xù)推進高鐵建設(shè)，計劃開通3條省級高鐵、3條城際鐵路，力爭建設(shè)省內(nèi)1 h經(jīng)濟圈，融入周邊2 h經(jīng)濟圈，實現(xiàn)三環(huán)八射鐵路網(wǎng)。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(zāi)害警戒標準規(guī)程”，經(jīng)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(guī)程，為新干線的安全運營保駕護航。我國高鐵建設(shè)運營時間較短，與高鐵相關(guān)的氣象研究不多，目前高鐵氣象服務(wù)相關(guān)研究正處于探索階段，現(xiàn)有的研究成果也多傾向于氣象災(zāi)害監(jiān)測防控和分布特征、氣象災(zāi)害風險評估及氣象災(zāi)害預(yù)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(yù)測模式，提出了強風災(zāi)風險評估與區(qū)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(shù)規(guī)律；張廷龍[3-4]等分析了鐵路沿線的氣象災(zāi)害的特征；謝靜芳[5]等分析了高鐵氣象服務(wù)需求；王志[6]等采用GIS技術(shù)計算大風風險指數(shù)區(qū)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(qū)，貴州開展高鐵氣象災(zāi)害研究甚少，僅吳安坤[8]等利用地閃數(shù)據(jù)，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(qū)特殊地形地貌條件下高鐵沿線主要氣象災(zāi)害分布特征及關(guān)鍵服務(wù)期，對高鐵運營調(diào)度具有十分重要的現(xiàn)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(nèi)高鐵沿線氣象災(zāi)害風險評價指標體系，對構(gòu)成風險的因子賦予權(quán)重，確定主要氣象災(zāi)害因子。

利用貴州境內(nèi)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(tǒng)計學(xué)方法分析影響貴州境內(nèi)高鐵沿線的主要氣象災(zāi)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(zāi)害的服務(wù)關(guān)鍵期。

3 高鐵沿線主要氣象影響因子

應(yīng)用層次分析法和專家咨詢法，建立貴州境內(nèi)高鐵沿線風險評價指標體系，對構(gòu)成風險的因子賦予權(quán)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(jù)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(shù)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(diào)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(nèi)高鐵的主要氣象災(zāi)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(wǎng)”，因而霧對高鐵的運行影響不大。

4 高鐵沿線主要氣象災(zāi)害特征

本部分對高鐵沿線主要的氣象災(zāi)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(zāi)害的重點防御路段，給高鐵氣象服務(wù)提供氣候背景依據(jù)。

4.1 暴雨的特征

制作貴州境內(nèi)高鐵沿線年平均暴雨日數(shù)分布圖(圖1)，貴州高鐵沿線暴雨日數(shù)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(shù)為4～5 d，以晴隆年平均暴雨日數(shù)最多為4.9 d，其余高鐵沿線年平均暴雨日數(shù)為2～3 d，以三穗最少為2 d；可見，貴州境內(nèi)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(shù)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(shù)最少為1.4 d，2015年最多達6 d。

圖1 貴州境內(nèi)高鐵沿線年平均暴雨日數(shù)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(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均雷暴日數(shù)為43.6～71.1 d(圖3)，貴州境內(nèi)滬昆高鐵西段是雷暴頻發(fā)區(qū)，關(guān)嶺—盤州段年平均雷暴日數(shù)為60～71 d，以盤州年平均雷暴日數(shù)最多為71.1 d，貴廣高鐵沿線、滬昆高鐵玉屏—鎮(zhèn)寧段年平均雷暴日數(shù)為43～55 d，以龍里最少為43.6 d。55 a來高鐵沿線暴雨日數(shù)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(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均大風日數(shù)分布圖(圖5)，滬昆高鐵晴隆—盤州段年平均大風日數(shù)>20 d，其中滬昆高鐵盤州段是貴州境內(nèi)大風頻發(fā)區(qū)，年平均大風日數(shù)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(shù)均在5 d以下，貴定年平均大風日數(shù)最少，僅0.2 d。55 a高鐵沿線大風日數(shù)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(shù)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(zāi)害之一，貴州境內(nèi)高鐵沿線年平均凝凍日數(shù)分布圖(圖7)看，貴州高鐵沿線均不在重凝凍區(qū)，但滬昆高鐵普安—晴隆段和麻江段年平均凝凍日數(shù)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(shù)為1～2 d，榕江段最少為0.3 d。近55 a高鐵沿線凝凍日數(shù)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(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均積雪日數(shù)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(shù)不足1 d，三都年平均積雪日數(shù)最少為0.5 d，其余高鐵沿線年平均積雪日數(shù)為1～5 d。近55 a高鐵沿線積雪日數(shù)呈現(xiàn)波動趨勢(圖10)，其線性增長率變化不大，1987年積雪日數(shù)最少為0 d，2011年最多達9.9 d。

圖3 貴州境內(nèi)高鐵沿線年平均雷暴日數(shù)分布圖 圖4 1961—2015年高鐵沿線雷暴日數(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均大風日數(shù)分布圖 圖6 1961—2015年高鐵沿線大風日數(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均凝凍日數(shù)分布圖 圖8 1961—2015年高鐵沿線凝凍日數(shù)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(nèi)高鐵沿線年平均積雪日數(shù)分布圖 圖10 1961—2015年高鐵沿線積雪日數(shù)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(zāi)害性天氣分布特征看，貴州境內(nèi)滬昆高鐵西段及貴廣高鐵都勻段需重點防范暴雨災(zāi)害，滬昆高鐵西段關(guān)嶺—盤縣段需重點防范雷暴災(zāi)害，滬昆高鐵晴隆—盤州段需重點防范大風災(zāi)害，滬昆高鐵普安—晴隆段和麻江段需重點防范凝凍災(zāi)害，滬昆高鐵麻江段及三穗—銅仁南段需重點防范積雪災(zāi)害。

5 高鐵沿線主要氣象災(zāi)害的關(guān)鍵服務(wù)期

為減少對高鐵安全運營的影響，提高氣象保障服務(wù)質(zhì)量，提高服務(wù)針對性。根據(jù)高鐵沿線主要災(zāi)害性天氣發(fā)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(zāi)害性天氣服務(wù)分為3個服務(wù)關(guān)鍵期[9]即特別關(guān)鍵期、關(guān)鍵期、次關(guān)鍵期(表1)。

表1 災(zāi)害性天氣服務(wù)關(guān)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(nèi)高鐵沿線主要氣象災(zāi)害1961—2015年月平均日數(shù)(單位：d)

按照災(zāi)害性天氣服務(wù)關(guān)鍵期劃分標準，利用高鐵沿線各氣象站55 a月平均災(zāi)害日數(shù)進行統(tǒng)計分析，制作貴州境內(nèi)高鐵沿線各氣象站暴雨、雷電、大風、凝凍、積雪關(guān)鍵服務(wù)期(如圖11～15)，由圖可見氣象災(zāi)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(wù)關(guān)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(guān)鍵期在6—7月，重點關(guān)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(wù)關(guān)鍵期較暴雨時間長為3—9月，但滬昆高鐵西段(關(guān)嶺—盤州)延長到10月份，特別關(guān)鍵期在6—8月，重點關(guān)注滬昆高鐵西段(關(guān)嶺—盤州)；大風的服務(wù)關(guān)鍵期及關(guān)注路段是所有災(zāi)害中最少的，關(guān)注路段只有滬昆高鐵晴隆—盤州段，關(guān)鍵服務(wù)期主要在2—5月，盤州段12—1月也需要關(guān)注，特別關(guān)注期在2—4月，重點關(guān)注滬昆高鐵普安—盤州路段；凝凍的服務(wù)關(guān)鍵期主要在冬季(12月、1月、2月)，特別關(guān)鍵期在1—2月，重點關(guān)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(guān)注期；積雪的服務(wù)關(guān)鍵期為1、2月，貴州全路段沒有特別關(guān)注期，另外滬昆高鐵鎮(zhèn)寧到關(guān)嶺、盤州路段及貴廣高鐵榕江到從江段無服務(wù)關(guān)鍵期。掌握高鐵沿線主要氣象災(zāi)害服務(wù)關(guān)鍵期，針對服務(wù)關(guān)鍵期內(nèi)即將出現(xiàn)的氣象災(zāi)害提前24～48 h對高鐵部門進行專項服務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量。

圖11 貴州境內(nèi)高鐵沿線各氣象站暴雨關(guān)鍵服務(wù)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(nèi)高鐵沿線各氣象站雷電關(guān)鍵服務(wù)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(nèi)高鐵沿線各氣象站大風關(guān)鍵服務(wù)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(nèi)高鐵沿線各氣象站凝凍關(guān)鍵服務(wù)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(nèi)高鐵沿線各氣象站積雪關(guān)鍵服務(wù)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(jié)論

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

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

③統(tǒng)計分析貴州境內(nèi)高鐵沿線主要氣象災(zāi)害的服務(wù)關(guān)鍵期，暴雨的服務(wù)關(guān)鍵期為5—8月，雷暴的服務(wù)關(guān)鍵期為3—9月，大風只有滬昆高鐵盤州—晴隆端存在關(guān)鍵服務(wù)期為2—5月，凝凍的服務(wù)關(guān)鍵期為1月、2月、12月，積雪的服務(wù)關(guān)鍵期為1月、2月。