高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)日常大風(fēng)成因

李永樂， 張明金， 徐昕宇， 陶齊宇， 朱樂東， 宋麗莉

（1.西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610041；3.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092；4.中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)日常大風(fēng)成因

李永樂1， 張明金1， 徐昕宇1， 陶齊宇2， 朱樂東3， 宋麗莉4

（1.西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610041；3.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092；4.中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

為探討高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)日常大風(fēng)的成因，采用CAW600-RT型四要素自動(dòng)氣象站、手持風(fēng)速儀及便攜式溫度計(jì)，對(duì)大渡河大橋橋址區(qū)風(fēng)特性進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析了橋位處平均風(fēng)速與溫度、日照及地形地貌等的相關(guān)性.結(jié)果表明：大渡河大橋位于高海拔高溫差深切峽谷內(nèi)，橋址區(qū)幾乎每天下午起風(fēng)，平均風(fēng)速常達(dá)10 m／s以上；根據(jù)成因，橋位處的大風(fēng)可分為2類，一類受大尺度大氣環(huán)流影響，另一類受小尺度范圍內(nèi)熱力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生日常大風(fēng)，并受局部地形及隨時(shí)間變化的日照的影響；橋位處日常大風(fēng)出現(xiàn)的頻率較高，雖不控制橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，但影響橋梁的耐久性和行車舒適性.

深切峽谷；橋址區(qū)；日常大風(fēng)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；成因分析

Key words：deep gorge；bridge site；daily strong wind；field measurement；cause analysis

通常，大風(fēng)過程對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面都會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，研究大風(fēng)的成因具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也得到了許多氣象學(xué)者和相關(guān)專家的極大關(guān)注［1-4］.目前，針對(duì)復(fù)雜地形地貌區(qū)風(fēng)場(chǎng)的研究主要有4種手段，即理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè).其中，理論推導(dǎo)是對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，建立空氣運(yùn)動(dòng)方程和熱傳導(dǎo)方程，通過求解微分方程組，得到相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)特征［1］.數(shù)值模擬通常是以理論推導(dǎo)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)求解的一種分析方法［2］.

無論是理論推導(dǎo)還是數(shù)值模擬，均采用了一系列假定（邊界條件）和計(jì)算模型，而這樣的簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致一定程度的失真［3-4］.模型試驗(yàn)是借助風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對(duì)關(guān)心的地形地貌進(jìn)行模擬試驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)場(chǎng)的模擬也具有一定的局限性.

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是目前較有效也是采用較多的一種手段.馬玉堂、陳凱、張人文、宋麗莉、朱樂東、王凱等通過在山區(qū)建立風(fēng)觀測(cè)站，對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了觀測(cè)分析［5-10］.李永樂、王文勇等采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，對(duì)山區(qū)風(fēng)特性的分析表明，山區(qū)峽谷地形條件下的風(fēng)環(huán)境較復(fù)雜，且不同橋址區(qū)的風(fēng)特性差異較大［11-13］.譚波、廖曉春等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在西部高海拔高溫差山區(qū)，每天下午均會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)的大風(fēng)，部分地區(qū)風(fēng)速可達(dá)10 m／s以上［14-15］，但相關(guān)文獻(xiàn)中均沒有對(duì)這種風(fēng)場(chǎng)形成的原因進(jìn)行討論.

山區(qū)峽谷地形在我國(guó)中西部地區(qū)較為常見，其地形復(fù)雜多變，現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)中對(duì)山區(qū)風(fēng)特性及成因的描述較少，對(duì)高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性的研究尚未見報(bào)道.

本文以位于四川西部的大渡河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過在大橋橋址區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取得了一些關(guān)于高海拔高溫差深切峽谷地形風(fēng)場(chǎng)特性的資料，通過對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行分析，探討了日常大風(fēng)的特點(diǎn)及其成因，研究結(jié)果對(duì)類似地貌風(fēng)特性的分析有一定參考意義.

1 觀測(cè)概況

1.1 地形地貌

大渡河大橋距離瀘定縣城約5 km.大橋地處高山峽谷之間，橋面距離大渡河溝底約300 m，連接橋梁兩端的均是陡峭的山脈.橋軸線向康定側(cè)延伸10 km后，地面海拔由橋位處的1 608 m升高到約4 500 m；橋軸線向雅安側(cè)延伸5 km后，地面海拔由橋位處的1 608 m升高到約3 700 m.峽谷兩側(cè)10 km范圍內(nèi)均有終年不化的雪山，而峽谷內(nèi)屬于典型的干熱河谷氣候，溫暖干燥，峽底和頂部溫差較大.

此外，橋位處晝夜溫差較大，加之橋位處海拔較高，地形呈現(xiàn)明顯的深切峽谷特性，影響風(fēng)場(chǎng)的因素較多.

1.2 觀測(cè)站點(diǎn)設(shè)置和試驗(yàn)儀器

根據(jù)大橋所處的位置走向以及橋位附近地區(qū)的地形特點(diǎn)，在橋位處安裝了1套四要素自動(dòng)氣象站（CAW600-RT）.自動(dòng)氣象站位于橋址區(qū)風(fēng)速較大的咱里村大風(fēng)崗上，該觀測(cè)站點(diǎn)基本位于大橋縱向中心軸線上，在大橋上游約30 m處，大橋跨中偏離康定側(cè)橋塔約100 m.風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的海拔高程為1 530 m，距離橋面設(shè)計(jì)高度78 m.儀器安裝和測(cè)點(diǎn)布置見圖1.

圖1 儀器安裝和測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Equipment installation and measuring points'layout

1.3 沿河谷溫度和風(fēng)速測(cè)量

為了考察橋位處河谷溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的分布情況，以橋位處為界，將河谷分為上游河谷和下游河谷.在上游河谷，沿國(guó)道（G318）走向布置9個(gè)固定

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of temperature measuring points

2 日常大風(fēng)成因分析

冬季和夏季典型大風(fēng)天10 min平均風(fēng)速與溫度的變化趨勢(shì)分別見圖3（a）和圖3（b）.可見，無論是冬季還是夏季，風(fēng)速都呈現(xiàn)出以天為周期的規(guī)律性波動(dòng)，這種規(guī)律性波動(dòng)在夏季更明顯.

圖3 10 min平均風(fēng)速與溫度F20ig13.年3 8月M9日ean wind speed and temperature in 10 min

對(duì)比圖3（a）和圖3（b）可見，橋址區(qū)的大風(fēng)過程可以分為兩大類：一類是冬季出現(xiàn)頻率較低的大風(fēng)降溫過程，定義這類大風(fēng)降溫過程為第Ⅰ類大風(fēng)，持續(xù)時(shí)間一般可達(dá)2 d左右；另一類是夏季出現(xiàn)頻率較高、以天為周期的日常大風(fēng)過程，定義這類大風(fēng)為第Ⅱ類大風(fēng)，其10 min平均風(fēng)速可以達(dá)到10 m／s，對(duì)橋上車輛的正常行駛有一定影響.下面重點(diǎn)就第Ⅱ類日常大風(fēng)的成因進(jìn)行討論.

2.1 溫度影響

2.1.1 風(fēng)速、溫度隨時(shí)間的變化

自動(dòng)氣象站從2012年12月起開始采集數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度包括冬季和夏季，具有較好的代表性.圖4為2013年2月典型日常大風(fēng)天平均風(fēng)速變化趨勢(shì).

圖4 典型大風(fēng)天10 min平均風(fēng)速Fig.4 Typical mean wind speed in 10 min

可見，每天凌晨至中午時(shí)段內(nèi)風(fēng)速較小，在每天下午至上半夜風(fēng)速較大.為分析橋位處每天的起風(fēng)規(guī)律，分別對(duì)10 min平均風(fēng)速大于5和10 m／s的天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.觀測(cè)站處10 min平均風(fēng)速大于5 m／s的大風(fēng)過程共143 d，10 min平均風(fēng)速大于10 m／s的大風(fēng)過程共54 d.

圖5（a）為每天10 min平均風(fēng)速大于5 m／s的大風(fēng)起止時(shí)間，大風(fēng)起風(fēng)時(shí)間基本上都在中午12點(diǎn)左右，止風(fēng)時(shí)間約在晚上10點(diǎn)，10 min平均風(fēng)速大于5 m／s的大風(fēng)過程平均持續(xù)時(shí)間約9 h.

圖5（b）為每天10 min平均風(fēng)速大于10 m／s的大風(fēng)起止時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，大風(fēng)起風(fēng)時(shí)間基本上都在下午2點(diǎn)半，晚8點(diǎn)半左右停止，平均持續(xù)時(shí)間約6 h.

從圖3（a）和圖3（b）可見，風(fēng)速和溫度以天為周期的規(guī)律性波動(dòng)明顯，并且二者的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致.每天風(fēng)速較大的時(shí)段溫度也較高，由此說明熱力作用是大橋橋位處日常大風(fēng)形成的一個(gè)重要因素.

圖5 大風(fēng)起止時(shí)間Fig.5 Starting and ending times of strong wind

2.1.2 風(fēng)速、溫度沿河谷的變化

為了考察橋位處河谷溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的分布情況，沿河谷布置了18個(gè)測(cè)點(diǎn)，2013年4月19日下午對(duì)固定測(cè)量點(diǎn)相同時(shí)刻的溫度和風(fēng)速進(jìn)行了3次測(cè)量.測(cè)量?jī)x器采用溫度計(jì)和手持風(fēng)速儀，在開始測(cè)量前和測(cè)量結(jié)束后，對(duì)采用的溫度計(jì)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)定和修正.測(cè)量過程中，為減小地面熱輻射引起的誤差，溫度計(jì)離地高度在2.0 m以上.

不同時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的溫度和風(fēng)速變化見圖6.可見，測(cè)點(diǎn)N9和S1的溫度在3次測(cè)量過程中均比其他測(cè)點(diǎn)低，以這2點(diǎn)為中心分別往上、下游延伸，溫度均出現(xiàn)上升的趨勢(shì).

對(duì)比3次測(cè)量的溫度曲線可以看出，越接近晚上，上游側(cè)河谷（測(cè)點(diǎn)N5～N9）的溫度降低越慢，下游側(cè)河谷（測(cè)點(diǎn)N9～S9）的溫度下降越快.

分析同一時(shí)刻測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的變化規(guī)律，溫度較低的測(cè)點(diǎn)N8、N9和S1在3次測(cè)量中的風(fēng)速均比兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的大，而溫度較高兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速相對(duì)較低.這表明，同一時(shí)刻沿河谷的溫差是形成日常大風(fēng)的重要原因.

2.2 局部地形影響

大橋橋址區(qū)下午4點(diǎn)以前，整個(gè)河谷內(nèi)風(fēng)向通常是以由南向北的東南風(fēng)為主；下午4點(diǎn)之后，橋位上游河谷仍然是以沿河道向上游方向吹的東南風(fēng)為主，但橋位下游水壩以下河谷的風(fēng)向則與上游河谷相反.圖7為橋位區(qū)域地形的三維視圖，可以看出，橋位處地形較復(fù)雜，河谷東西岸均有山脊，并且在大壩處河谷斷面收縮較大.

圖6 溫度和風(fēng)速Fig.6 Temperature and wind speed at different measuring points

結(jié)合局部地形對(duì)河谷內(nèi)大風(fēng)風(fēng)向的分布進(jìn)行分析：由于東岸雪山上的來流同時(shí)受到東岸山脊和水電站大壩處西岸山脊的雙重阻擋，在水壩附近形成了一個(gè)較大的氣流漩渦，且由于山峰表面的不均勻性和主導(dǎo)來流風(fēng)向的不確定性，該氣旋不一定是平面水平氣旋，應(yīng)是一個(gè)立體氣旋；氣流漩渦導(dǎo)致橋位下游咱里村處風(fēng)向較亂，而且在橋位附近的高空風(fēng)速也不一定比低空風(fēng)速大，甚至出現(xiàn)高空風(fēng)速小于地面局部峽谷口和山峰處的風(fēng)速；越接近晚上，瀘定縣城往上游的來流風(fēng)增大程度不如東岸雪山上來流增大程度大，下午4點(diǎn)以后河谷內(nèi)的風(fēng)向以瀘定水電站大壩為分界，水壩以上河谷內(nèi)以東南風(fēng)為主，且風(fēng)速較大，水壩以下的瀘定縣城以西北風(fēng)為主，風(fēng)速相對(duì)較小.這也是瀘定縣氣象站歷史記錄中北風(fēng)偏多的原因.鑒于橋位處大風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向均在較大程度上受到橋位處局部地形的影響，因此，利用瀘定縣已有的基本氣象臺(tái)站的歷史數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)充分考慮到地形可能造成的影響.

圖7 橋位區(qū)域地形三維視圖Fig.7 3-D view of the terrain on the bridge site

2.3 日照影響

在上午晴朗少云的天氣下，午后常出現(xiàn)東南方向的大風(fēng)，這是由于太陽(yáng)照射對(duì)橋位處東南側(cè)、北側(cè)不規(guī)則山體表面輻射增溫隨時(shí)間變化不均勻，致使各個(gè)山坡面、山頂、山谷底部出現(xiàn)較大的溫度變化率和氣壓梯度.具體表現(xiàn)為上游河谷在下午5點(diǎn)以后陽(yáng)光仍然可以直射，而此時(shí)在橋位處已經(jīng)不能被陽(yáng)光照射.實(shí)測(cè)表明，橋位處同一時(shí)刻的溫度比上游河谷低3～5℃.橋位下游5 km處為瀘定縣城，縣城內(nèi)水泥路面、建筑物等較多，在整個(gè)白天的日照過程中吸收的熱能也較多，并且混凝土散熱較慢，使得瀘定縣城出現(xiàn)一定的熱島效應(yīng)，導(dǎo)致橋位處同一時(shí)刻的溫度也比下游河谷低2～4℃.在該熱力溫差的驅(qū)動(dòng)下，河谷這種非均勻下墊面的熱力、動(dòng)力共同作用導(dǎo)致山谷內(nèi)形成不穩(wěn)定的擾動(dòng)氣流，從而形成以天為周期的大風(fēng).

圖8為同一時(shí)刻上游河谷測(cè)點(diǎn)N1和下游河谷測(cè)點(diǎn)S1的照片，可見，上、下游河谷陽(yáng)光照射情況差別明顯.

圖8 同一時(shí)刻（17：00）不同測(cè)點(diǎn)日照情況Fig.8 Sunlight at different points at 5：00 p.m.

2.4 綜合分析

通過觀察和分析發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的季風(fēng)或強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的大風(fēng)不同，橋位處每天下午出現(xiàn)的日常大風(fēng)是由于局部溫差、局部地形和日照不均勻共同作用形成的局部小尺度大風(fēng)，不平衡熱力作用對(duì)大風(fēng)的產(chǎn)生及其強(qiáng)弱起控制作用.已有的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也表明，溫度越高、溫差越大，風(fēng)速就越大.沒有較強(qiáng)的天氣系統(tǒng)影響時(shí)，橋位區(qū)域早晨、上午及夜間的風(fēng)速較小.當(dāng)河谷東岸雪山上來流冷空氣足夠強(qiáng)時(shí)，河谷內(nèi)會(huì)出現(xiàn)以水電站大壩為分界線的反向風(fēng).

通過大量實(shí)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)考察，基本弄清了該橋位處風(fēng)場(chǎng)流向，見圖9.可見，河谷內(nèi)的大風(fēng)主要是兩岸山坡上的山風(fēng)和河谷中局部溫差形成的風(fēng).越接近傍晚，兩岸山坡上的來流越強(qiáng)，當(dāng)東岸山坡上的來流強(qiáng)度超過河谷內(nèi)本身向上游流動(dòng)的強(qiáng)度時(shí)，就出現(xiàn)以水電站大壩為分界的風(fēng)向截然相反的情況.此時(shí)，在大壩上游側(cè)河谷內(nèi)的風(fēng)是河谷風(fēng)、山坡風(fēng)和局部地形加速效應(yīng)的三重疊加，所以在橋位附近區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)明顯的大風(fēng)區(qū).大壩下游沒有明顯的河谷加速效應(yīng)，同時(shí)山坡風(fēng)和河谷風(fēng)的流動(dòng)方向相反，河谷中的風(fēng)速是山坡風(fēng)與河谷風(fēng)相互抵消后形成的，故大壩下游側(cè)河谷內(nèi)的風(fēng)速明顯小于大壩上游側(cè)河谷.

圖9 橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)示意Fig.9 Sketch map of wind field on the bridge site

3 結(jié) 論

針對(duì)大渡河大橋橋址區(qū)幾乎每天下午出現(xiàn)的大風(fēng)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了高海拔高溫差深切峽谷區(qū)日常大風(fēng)的成因，得到以下結(jié)論：

（1）橋址區(qū)大風(fēng)可以分為2類，一類是受大尺度氣候環(huán)境影響，定義為第Ⅰ類大風(fēng)；另一類是受小尺度范圍內(nèi)熱力驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的日常大風(fēng)，并受局部地形及隨時(shí)間變化的日照的影響，定義為第Ⅱ類大風(fēng).

（2）日常大風(fēng)（第Ⅱ類大風(fēng)）出現(xiàn)頻率較高，基本上每天下午都會(huì)出現(xiàn)，特別是在夏季，這類大風(fēng)每天持續(xù)時(shí)間約6 h，其10 min平均風(fēng)速一般在10 m／s左右，對(duì)日常行車有一定影響，但不控制大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速.

（3）每天不同時(shí)段太陽(yáng)對(duì)河谷同一位置的日照不同，形成以天為周期的溫度波動(dòng)，此外，同一時(shí)刻對(duì)不同地點(diǎn)的日照不同，使得河谷內(nèi)出現(xiàn)較大的局部溫差，因此，熱力不平衡作用是大橋橋位處日常大風(fēng)形成的一個(gè)重要原因.

（4）由于橋位處地形的特殊性，導(dǎo)致以水電站大壩為分界的風(fēng)向可能截然相反，此時(shí)在大壩上游河谷內(nèi)的風(fēng)是河谷風(fēng)、山坡風(fēng)和局部地形加速效應(yīng)的疊加，所以在橋位附近區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)明顯的大風(fēng)區(qū).大壩下游沒有明顯的河谷加速效應(yīng)，山坡風(fēng)和河谷風(fēng)的流動(dòng)方向相反，河谷中的風(fēng)因山坡風(fēng)和河谷風(fēng)相互抵消，所以大壩下游河谷內(nèi)的風(fēng)速明顯小于大壩上游河谷.

（5）橋址區(qū)日常大風(fēng)的產(chǎn)生機(jī)理與常規(guī)地形不同，加上局部地形的影響，橋址區(qū)日常大風(fēng)的風(fēng)特性可能與抗風(fēng)規(guī)范及通常研究的風(fēng)特性存在顯著差異.

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（中、英文編輯：付國(guó)彬）

Causes of Daily Strong Wind on Bridge Site in Deep Gorge with High Altitude and High Temperature Difference

LI Yongle1， ZHANG Mingjin1， XU Xinyu1， TAO Qiyu2， ZHU Ledong3， SONG Lili4
（1.Department of Bridge Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu 610041，China；
3.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；4.Public Weather Service Center of China Meteorological Administration，Beijing 100081，China）

In order to investigate the causes of daily strong wind on a bridge site in a deep gorge with a high altitude and a high temperature difference，the field measurement of wind characteristics was carried out on the Dadu River bridge site with the CAW600-RT automatic-weather-station（AWS），hand anemometer and portable thermometer.The property of wind environment on the bridge site was explored through analyzing its influence factors，including mean wind speed，temperature，sunlight，topography and so on.The research results show that the Dadu River bridge is located in a deep gorge with a high altitude and a high temperature difference，where strong wind occurs nearly every afternoon and its mean wind speed is often more than 10 m／s.The causes of strong wind can be classified into two types.The first type of wind is induced by large-scale general atmospheric circulation，while the second type of wind，i.e.daily strong wind，is driven by local thermal disequilibrium，and the daily strong wind is also influenced by local terrain and time-varying sunshine.Though frequent daily strong wind has not effect on the design wind speed of the bridge，it can affect bridge durability and driving comfort to some extent.

U442

：A

0258-2724（2014）06-0935-07

10.3969／j.issn.0258-2724.2014.06.001

2013-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1334201）；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014318800240）

李永樂（1972－），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄猴L(fēng)致振動(dòng)及車橋耦合振動(dòng)，電話：028-87601119，E-mail：lele＠swjtu.edu.cn

李永樂，張明金，徐昕宇，等.高海拔高溫差深切峽谷橋址區(qū)日常大風(fēng)成因［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（6）：935-941.