新疆鐵路沿線前百公里風(fēng)區(qū)大風(fēng)特征統(tǒng)計(jì)分析

潘新民，彭艷梅，屈 梅，張新軍，黃秉光，殷庭煒

（1.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002；2.巴州氣象局，新疆 庫爾勒841000）

大風(fēng)影響新疆鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)和行車安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。新疆鐵路途經(jīng)多個(gè)風(fēng)區(qū)，大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁，其中以“百里風(fēng)區(qū)”和“三十里”的風(fēng)速最大，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)60 m/s，是世界鐵路風(fēng)速最高、受風(fēng)沙影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，曾發(fā)生過30 多起因強(qiáng)風(fēng)沙引起的鐵路運(yùn)輸事故。此外，因大風(fēng)引起的晚點(diǎn)、停運(yùn)也給鐵路運(yùn)輸組織秩序造成很大影響。

前百公里風(fēng)區(qū)是指新疆鐵路南疆線從吐魯番西站開始西至魚兒溝站約113 km 里程的風(fēng)區(qū)段（圖1），與蘭新線百里風(fēng)區(qū)里程相當(dāng)，位于蘭新線百里風(fēng)區(qū)的西側(cè)天氣上游，且起風(fēng)早于百里風(fēng)區(qū)，故將此風(fēng)區(qū)命名為前百公里風(fēng)區(qū)。2014 年年底新疆鐵路南疆線改線并途經(jīng)前百公里風(fēng)區(qū)，是發(fā)往庫爾勒方向的南疆之星鐵路運(yùn)行線路，也是烏魯木齊至庫爾勒、喀什方向高鐵規(guī)劃運(yùn)行的途經(jīng)線路，將成為內(nèi)地通往喀什邊境方向的重要通道。

多年來，國內(nèi)外對大風(fēng)研究較多，尤其是三十里和百里風(fēng)區(qū)的研究[1-15]，例如：李紅軍等對新疆“百里、三十里風(fēng)區(qū)”鐵路沿線的風(fēng)速設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[5]；唐士晟等對新疆鐵路百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)特征做了統(tǒng)計(jì)分析[6]。但對前百公里風(fēng)區(qū)段的研究還是空白。高速鐵路方面：在大風(fēng)監(jiān)測、雨量監(jiān)測、安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和安全預(yù)警探討方面，國內(nèi)一些專家做了研究[16]，得出了風(fēng)對高速列車安全運(yùn)行的影響，提出了風(fēng)的分類、高鐵運(yùn)行的安全閥值；馬淑紅等以京津城際鐵路沿線的12 個(gè)風(fēng)監(jiān)測站為基礎(chǔ)，進(jìn)行了大風(fēng)天氣條件下F-CRH3 動(dòng)車組行車安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和沿線大風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)分析[17-18]。

前百公里風(fēng)區(qū)多位于山區(qū)，周邊只有吐魯番、托克遜等個(gè)別平原地區(qū)國家氣象站，通過結(jié)合烏魯木齊鐵路局和新疆氣象局聯(lián)合建立的鐵路沿線氣象觀測資料，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和對比分析法對前百公里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)特征進(jìn)行研究，彌補(bǔ)了前百公里風(fēng)區(qū)氣象資料庫的空白，為強(qiáng)風(fēng)區(qū)大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)研究提供依據(jù)，同時(shí)為南疆鐵路的安全運(yùn)營和調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)氣象服務(wù)保障。

1 資料和方法

采用新疆鐵路沿線前百公里風(fēng)區(qū)17 個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站2015 年1 月1 日—2017 年12 月31 日逐小時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向資料，以及同時(shí)段百里風(fēng)區(qū)代表站十三間房氣象站的風(fēng)速資料。

文中用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析前百公里風(fēng)區(qū)風(fēng)速的季節(jié)變化、月變化、日變化、極值、大風(fēng)起始時(shí)間對比研究，并對大風(fēng)條件下風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行了分析。

2 前百公里風(fēng)區(qū)特征分析

2.1 區(qū)域站點(diǎn)分布

按照鐵路行車區(qū)域，將南疆線前百公里風(fēng)區(qū)由東向西分為3 段共17 個(gè)站點(diǎn)（表1）。

17 個(gè)鐵路大風(fēng)監(jiān)測站點(diǎn)位置分布見圖1，南疆線前百公里風(fēng)區(qū)鐵路線呈東北—西南走向。

2.2 平均強(qiáng)度分布特征

2.2.1 平均風(fēng)速季節(jié)變化

17 個(gè)站風(fēng)速季節(jié)變化規(guī)律一致，平均風(fēng)速強(qiáng)度春夏秋三季大、冬季小，以夏季最大，按照夏季>春季>秋季>冬季順序排列（圖2）。其中，三個(gè)泉特大橋各季風(fēng)速均最大，其夏季風(fēng)速為18.4 m/s，其次春季為17.5 m/s，冬季風(fēng)速最小，其值也到達(dá)了7.6 m/s。魚兒溝各季風(fēng)速均是最小，其夏季風(fēng)速為7.0 m/s，其次春季為6.2 m/s，冬季風(fēng)速最小，僅為2.4 m/s。

圖2 2015—2017 年前百公里風(fēng)區(qū)17 個(gè)站平均風(fēng)速季節(jié)變化

2.2.2 平均風(fēng)速月變化

17 個(gè)站風(fēng)速月變化趨勢基本一致，具有明顯的規(guī)律（圖3）。除三個(gè)泉特大橋、珍珠泉東、白楊河氣象站月均風(fēng)速在8 月達(dá)到最大值，其余14 個(gè)氣象站均是在5 月達(dá)到月均風(fēng)速的最大值；17 個(gè)氣象站月均風(fēng)速最小值都在1 月出現(xiàn)。與平均風(fēng)速的季節(jié)分布相同，三個(gè)泉特大橋月平均風(fēng)速也是最大，且高出次大平均風(fēng)速13%~24%。三個(gè)泉特大橋4—8 月平均風(fēng)速均大于18.0 m/s，其中8 月最大，為18.8 m/s。其次是珍珠泉東站，除1 月、2 月平均風(fēng)速不是次大風(fēng)速，3—12 月平均風(fēng)速均僅次于三個(gè)泉特大橋，5—8 月平均風(fēng)速均大于15 m/s，其最大月8 月平均風(fēng)速為16.5 m/s。

圖3 2015—2017 年前百公里風(fēng)區(qū)17 個(gè)站平均風(fēng)速月變化

2.2.3 平均風(fēng)速日變化

17 個(gè)站中頭道河特大橋、鐵泉特大橋、三個(gè)泉特大橋、珍珠泉東、珍珠泉西、白楊河6 個(gè)站風(fēng)速明顯大于其余站點(diǎn)，尤其是三個(gè)泉特大橋，風(fēng)速日變化在11.9～16.4 m/s 之間。這6 站風(fēng)速日變化一致，呈單峰變化，在11：00—15：00 達(dá)到一天中的最小值，在23：00—次日3：00 左右達(dá)到一天的最大值。其余各站除魚兒溝外，風(fēng)速日變化呈不明顯的雙峰變化。在0：00 左右達(dá)到最大值，17：00 左右達(dá)到次大值，10：00左右達(dá)到最小值。魚兒溝站除11：00—15：00 外，其余各時(shí)次均是17 個(gè)站點(diǎn)中的最小值，其日變化也是單峰變化，但與頭道河特大橋—白楊河不同，其最大值出現(xiàn)在15：00—16：00，為6.0 m/s，最小值出現(xiàn)在9：00，為4.0 m/s。

綜合風(fēng)速日變化、年變化和季節(jié)變化來看，前百公里風(fēng)區(qū)整個(gè)行車區(qū)間呈現(xiàn)為K13～K47（頭道河特大橋—白楊河）區(qū)間風(fēng)速明顯大于其他區(qū)間；行車區(qū)間兩頭K0+000（吐魯番西）、K113+590（魚兒溝）風(fēng)速較小。

圖4 為月平均風(fēng)速最大月（5 月）和最小月（1月）17 個(gè)站的日變化，可以看出：17 個(gè)站平均風(fēng)速最大月（5 月）日平均呈單峰變化，在上午8：00—12：00達(dá)到一天中的最小值，在深夜23：00 到凌晨4：00 左右達(dá)到一天的最大值。17 個(gè)站平均風(fēng)速最小月（1月）日平均呈雙峰變化，在10：00—12：00 和19：00—20：00 兩次出現(xiàn)最小值， 在22：00—次日3：00 和15：00—16：00 兩次達(dá)到一天的最大值。最大月（5 月）日均風(fēng)速比最小月（1 月）日均風(fēng)速平均偏大10.8 m/s。

2.3 瞬間極大風(fēng)速分布特征及對比分析

選取2015—2017 年10 場典型大風(fēng)天氣（表2），來分析前百公里風(fēng)區(qū)瞬間極大風(fēng)速和起風(fēng)、止風(fēng)。

圖4 平均風(fēng)速最大月（5 月）和最小月（1 月）日變化

表2 2015—2017 年10 場大風(fēng)天氣過程

將大風(fēng)天氣過程中風(fēng)速達(dá)到17.1 m/s 時(shí)稱為大風(fēng)，其對應(yīng)的時(shí)間即為起風(fēng)時(shí)間；風(fēng)速開始減小并＜17.1 m/s 時(shí)稱為止風(fēng)，其對應(yīng)時(shí)間為止風(fēng)時(shí)間；并將始終維持風(fēng)速≥17.1 m/s 的時(shí)數(shù)定義為大風(fēng)歷時(shí)。對選擇的十場天氣過程的起風(fēng)時(shí)間、大風(fēng)歷時(shí)、瞬時(shí)極大風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中起止風(fēng)時(shí)間以百里風(fēng)區(qū)代表站十三間房是止風(fēng)時(shí)間為基準(zhǔn)，即十三間房起止風(fēng)時(shí)間記為0，若起風(fēng)時(shí)間早于十三間房1 h，記為1，晚1 h 則記為-1，止風(fēng)時(shí)間亦如此。

2.3.1 起止風(fēng)時(shí)間及大風(fēng)歷時(shí)

前百公里風(fēng)區(qū)中三個(gè)泉特大橋、珍珠泉東、珍珠泉西三個(gè)站在多數(shù)天氣過程中起風(fēng)最早，且早于十三間房氣象站。整條線路來看，墩果勒特大橋至托克遜西段起風(fēng)時(shí)間都不同程度地早于十三間房，望步東至魚兒溝段起風(fēng)時(shí)間不同程度地晚于十三間房。就該10 場天氣平均狀況來看，東湖溝至小埡起風(fēng)時(shí)間早于十三間房，吐魯番西和望步東至魚兒溝起風(fēng)時(shí)間晚于十三間房。三個(gè)泉特大橋在前百公里風(fēng)區(qū)中起風(fēng)最早，早于十三間房4.9 h，其次是珍珠泉東，早于十三間房4.6 h，珍珠泉西和白楊河起風(fēng)時(shí)間較為接近，分別早于十三間房3.5 h、3.3 h。前百公里風(fēng)區(qū)中，望步東起風(fēng)時(shí)間最晚，晚于十三間房5.3 h，其次是魚兒溝，晚于十三間房3.2 h?？偟膩砜矗鞍俟镲L(fēng)區(qū)中除吐魯番西和望步東至魚兒溝段，其余路段起風(fēng)時(shí)間都不同程度地早于十三間房（表3）。

表3 前百公里風(fēng)區(qū)各氣象站和十三間房站起風(fēng)時(shí)間統(tǒng)計(jì) h

10 場天氣過程中除了第3、8、10 場中的三個(gè)泉特大橋到白楊河段止風(fēng)時(shí)間晚于十三間房外，其余各場天氣中的各站點(diǎn)止風(fēng)時(shí)間均早于十三間房。前百公里風(fēng)區(qū)各站點(diǎn)止風(fēng)時(shí)間都早于十三間房，其中望步東止風(fēng)最早，早于十三間房21.6 h，其次是魚兒溝，早于十三間房17.5 h；止風(fēng)最晚的是三個(gè)泉特大橋，僅早于十三間房1.2 h（表4）。

表4 前百公里風(fēng)區(qū)各氣象站和十三間房站止風(fēng)時(shí)間統(tǒng)計(jì) h

前百公里風(fēng)區(qū)17 個(gè)氣象站中，大風(fēng)歷時(shí)最長的基本上都是三個(gè)泉特大橋，其次是珍珠泉東。與十三間房大風(fēng)歷時(shí)相比，三個(gè)泉特大橋共計(jì)有8 場天氣大風(fēng)歷時(shí)大于十三間房，珍珠泉東和珍珠泉西均有6 場天氣大風(fēng)歷時(shí)大于十三間房，其余各站大風(fēng)歷時(shí)多數(shù)情況下均小于十三間房。統(tǒng)計(jì)10 場天氣發(fā)生時(shí)間發(fā)現(xiàn)，前百公里風(fēng)區(qū)三個(gè)泉特大橋至白楊河段大風(fēng)歷時(shí)大于十三間房，其余各段大風(fēng)歷時(shí)基本上都小于十三間房（表5）。

2.3.2 瞬間極大風(fēng)速

從10 場天氣的瞬間極大風(fēng)速統(tǒng)計(jì)來看，三個(gè)泉特大橋有8 場天氣在前百公里風(fēng)區(qū)中達(dá)到極大風(fēng)速，且都大于十三間房；第4 場天氣瞬間極大風(fēng)速出現(xiàn)在鐵泉特大橋，第10 場天氣瞬間極大風(fēng)速出現(xiàn)在紅山渠東，同樣都大于同期的十三間房瞬間極大風(fēng)速。前百公里風(fēng)區(qū)中，瞬間極大風(fēng)速的最小值主要出現(xiàn)在吐魯番西和小埡至魚兒溝段（表6）。

綜上，前百公里風(fēng)區(qū)的17 個(gè)站10 場大風(fēng)天氣過程統(tǒng)計(jì)顯示，鐵泉特大橋至白楊河段起風(fēng)時(shí)間早，止風(fēng)時(shí)間晚，大風(fēng)歷時(shí)長，瞬間極大風(fēng)速大，尤其是三個(gè)泉特大橋，大風(fēng)歷時(shí)長，極大風(fēng)速大；吐魯番西和小埡至魚兒溝段起風(fēng)時(shí)間相對較晚，止風(fēng)時(shí)間也早，大風(fēng)歷時(shí)相對較小，瞬間極大風(fēng)速也相對較小。

表5 前百公里風(fēng)區(qū)各氣象站和十三間房站大風(fēng)歷時(shí)統(tǒng)計(jì) h

表6 前百公里風(fēng)區(qū)各氣象站和十三間房站瞬間極大風(fēng)速 m/s

2.4 風(fēng)向基本特征

在大風(fēng)條件下（風(fēng)速大于17.1 m/s），前百公里風(fēng)區(qū)的17 個(gè)站風(fēng)向均在NW（西北風(fēng)）到N（北風(fēng)）之間出現(xiàn)的頻率最高（圖5），主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW（西北偏西風(fēng)），頻率為36.2%，其次分別是NW（西北風(fēng)）、N（北風(fēng)），頻率分別為24.9%、13.0%。

圖5 17 個(gè)站大風(fēng)平均風(fēng)玫瑰圖

前百公里風(fēng)區(qū)大風(fēng)情況下主導(dǎo)風(fēng)向較為穩(wěn)定，以西北至北為主，這也和冷空氣的入侵路徑較符合。同時(shí)，前百公里風(fēng)區(qū)鐵路沿線呈東北—西南走向，這樣正好與大風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向相正交，直接形成橫風(fēng)，加上前百公里風(fēng)區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，對列車運(yùn)行可產(chǎn)生較大的危害。

3 結(jié)論

分析表明，南疆線前百公里風(fēng)區(qū)是新疆除百里風(fēng)區(qū)和三十風(fēng)區(qū)外又一強(qiáng)風(fēng)區(qū)，前百公里風(fēng)區(qū)風(fēng)速強(qiáng)勁、持續(xù)時(shí)間長、季節(jié)變化明顯、影響范圍廣，對交通運(yùn)行可形成較大危害。

（1）前百公里風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速季節(jié)變化規(guī)律為：平均風(fēng)速強(qiáng)度春夏秋三季大、冬季小，以夏季最大，按照夏季＞春季＞秋季＞冬季順序排列。其中，三個(gè)泉特大橋各季風(fēng)速均最大，其夏季風(fēng)速為18.4 m/s，其次春季為17.5 m/s，冬季風(fēng)速最小，達(dá)7.6 m/s。魚兒溝各季風(fēng)速均最小，其夏季風(fēng)速為7.0 m/s，其春季為6.2 m/s，冬季風(fēng)速最小，僅為2.4 m/s。

前百公里風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速月變化趨勢為：5 月達(dá)到月均風(fēng)速的最大值；1 月為最小值。其中，三個(gè)泉特大橋4—8 月平均風(fēng)速均大于18.0 m/s，其中8 月最大，為18.8 m/s。其次是珍珠泉東站，除1 月、2 月平均風(fēng)速不是次大風(fēng)速，3—12 月平均風(fēng)速均僅次于三個(gè)泉特大橋，5—8 月平均風(fēng)速均大于15 m/s，其最大月8 月平均風(fēng)速為16.5 m/s。

（2）前百公里風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速日變化特征：17 個(gè)站中頭道河特大橋、鐵泉特大橋、三個(gè)泉特大橋、珍珠泉東、珍珠泉西、白楊河6 個(gè)站風(fēng)速明顯大于其余站點(diǎn)，尤其是三個(gè)泉特大橋，風(fēng)速日變化在11.9～16.4 m/s。這6 站風(fēng)速日變化一致，呈單峰變化，在11：00—15：00 達(dá)到一天中的最小值，在23：00—次日3：00 左右達(dá)到最大值。其余各站除魚兒溝外，風(fēng)速日變化呈不明顯的雙峰型變化。在0：00 左右達(dá)到最大值，17：00 左右達(dá)到次大值，10：00 左右達(dá)到最小值。

（4）極大風(fēng)速則顯示鐵泉特大橋至白楊河段起風(fēng)時(shí)間早，止風(fēng)時(shí)間晚，大風(fēng)歷時(shí)長，瞬間極大風(fēng)速大，尤其是三個(gè)泉特大橋，大風(fēng)歷時(shí)長，極大風(fēng)速大，三個(gè)泉特大橋在前百公里風(fēng)區(qū)中起風(fēng)最早，早于十三間房4.9 h，其次是珍珠泉東，早于十三間房4.6 h；吐魯番西和小埡至魚兒溝段起風(fēng)時(shí)間相對較晚，止風(fēng)時(shí)間也早，大風(fēng)歷時(shí)相對較小，瞬間極大風(fēng)速也相對較小。前百公里風(fēng)區(qū)各站點(diǎn)止風(fēng)時(shí)間都早于十三間房，其中望步東止風(fēng)最早，早于十三間房21.6 h，其次是魚兒溝，早于十三間房17.5 h；止風(fēng)最晚的是三個(gè)泉特大橋，僅早于十三間房1.2 h。

（5）前百公里風(fēng)區(qū)代表站三個(gè)泉大橋瞬間極大風(fēng)速比百里風(fēng)區(qū)代表站十三間房平均大12.2 m/s。在大風(fēng)條件下（風(fēng)速≥17.1 m/s），前百公里風(fēng)區(qū)的17 個(gè)站風(fēng)向均在NW（西北風(fēng)）到N（北風(fēng)）之間出現(xiàn)的頻率最高，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NW（西北偏西風(fēng)），頻率為36.2%，其次分別是NW（西北風(fēng)）、N（北風(fēng)），頻率分別為24.9%、13.0%。風(fēng)區(qū)中鐵路沿線呈東北—西南走向，正好與大風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向相正交，形成橫風(fēng)，對列車運(yùn)行可產(chǎn)生較大的危害。