京滬高鐵沿線江蘇段風(fēng)況研究

李偉，張穎超,2，熊雄，袁詩云，呂于榮，葉星瑜

(1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

京滬高鐵是連接華北地區(qū)和華東地區(qū)的重要連接線，然而，近年來京滬高速鐵路大風(fēng)災(zāi)害事故時有發(fā)生，例如，2013年7月蘇州至無錫東因大風(fēng)(瞬時風(fēng)速高達36 m/s)發(fā)生故障；2017年4月廊坊至天津段因大風(fēng)導(dǎo)致接觸網(wǎng)懸掛異物；2019年8月9日受臺風(fēng)“利奇馬”影響，11日14時前上海至蘇州段采取停運和停售措施。鐵路沿線在發(fā)生風(fēng)致災(zāi)害后，不僅導(dǎo)致當(dāng)前列車及后續(xù)列車停運，而且對其他地區(qū)交通運輸和經(jīng)濟等方面迅速造成嚴重影響，因此深入展開對京滬高鐵的大風(fēng)災(zāi)害研究，為高鐵安全穩(wěn)定運行、災(zāi)后快速應(yīng)急等提供強有力支撐具有重要作用[1?2]。21世紀以來，國內(nèi)學(xué)者對高鐵沿線風(fēng)致災(zāi)害研究十分重視，馬韞娟等[3]將我國鐵路沿線大風(fēng)類型主要分為臺風(fēng)大風(fēng)、寒潮大風(fēng)和短時雷雨大風(fēng)。代娟等[4]指出致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體脆弱性和孕災(zāi)環(huán)境敏感性等作為評價因子，建立了高鐵大風(fēng)災(zāi)害評價模型。我國高速鐵路針對風(fēng)致災(zāi)害研究主要集中在西北地區(qū)，以青藏鐵路和蘭新鐵路最具有代表性。孟祥連等[5]利用氣候分析、天氣診斷等方法劃分蘭新高鐵防風(fēng)工程設(shè)計分區(qū)。白虎志等[6]研究青藏鐵路沿線大風(fēng)、風(fēng)向和風(fēng)壓特征，指出青藏鐵路沿線大風(fēng)日數(shù)集中在五道梁至安多段，具有中間多、兩頭少的分布特點。夏祎萌等[7]研究東疆蘭新鐵路沿線大風(fēng)特征，給出大風(fēng)監(jiān)測、預(yù)報和防風(fēng)的重點區(qū)域。蔡迪文等[8]研究青藏鐵路格拉段風(fēng)動力環(huán)境特征，指出格拉段鐵路沿線冬春季月均風(fēng)速高，多大風(fēng)，導(dǎo)致沙塵暴頻發(fā)。除此之外，孫玫玲等[9]研究津秦高速鐵路沿線風(fēng)況特征，給出在高路堤、橋梁和特殊暴露環(huán)境等風(fēng)災(zāi)威脅嚴重區(qū)域布設(shè)自動監(jiān)測儀器建議。本文選取京滬高鐵江蘇段作為研究對象，利用鄰近氣象站的瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用風(fēng)資源評估軟件Meteodyn WT(簡稱WT)建模計算高鐵沿線瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)，分析其風(fēng)況特征，并探討地形環(huán)境、高鐵沿線走向、氣候特征和水系分布等因素對高鐵沿線強橫風(fēng)發(fā)生的影響。為高鐵沿線優(yōu)化站點布局、擋風(fēng)墻設(shè)置以及風(fēng)險評估和大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

本文利用國家氣象中心提供的1980～2018年地面氣象站點數(shù)據(jù)，提取出京滬高鐵沿線江蘇段90 km范圍內(nèi)34個站點的日最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過對京滬高鐵沿線江蘇段年均日最大風(fēng)速和風(fēng)速大于等于10.8 m/s的日數(shù)進行空間插值分析，如圖1，可以發(fā)現(xiàn)高鐵沿線在大勝關(guān)和陽澄湖地區(qū)的年均日最大風(fēng)速和大于等于10.8 m/s的天數(shù)均明顯較大，因此，針對大勝關(guān)和陽澄湖地區(qū)高鐵沿線風(fēng)況展開研究具有十分重要意義。

圖1 京滬高鐵沿線江蘇段空間分布圖Fig.1 Spatial distribution map of the Jiangsu section along the Beijing-Shanghai high-speed rail

1.2 研究方法

1.2.1 獲取研究區(qū)域各站點數(shù)據(jù)

為獲得高鐵沿線更加精確可靠的瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)[10]，對研究區(qū)域進行站點劃分，以1 km為間隔，將大勝關(guān)地區(qū)高鐵沿線劃分43個模擬站點，陽澄湖劃分23個模擬站點。通過WT模擬高鐵沿線風(fēng)流場，對研究區(qū)域進行流體力學(xué)計算，得到各研究區(qū)段模擬站點2016～2018年的瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)，其具體步驟如下：

1)風(fēng)數(shù)據(jù)及站點位置信息：利用距離大勝關(guān)最近的浦口、南京氣象站和陽澄湖最近的吳中和昆山氣象站2016～2018年5 min瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)，包括5 min瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)向，并獲取各研究區(qū)域內(nèi)沿線模擬站點的地理位置信息(經(jīng)緯度坐標)。

2)相關(guān)數(shù)據(jù)文件：準備建模所需的等高線地形圖和粗糙度文件。WT建模采用的是歐洲航天局的ESA(2010)300 m分辨率粗糙度，本文研究區(qū)域的粗糙度如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域大范圍粗糙度Fig.2 Large-scale roughness of study area

3)風(fēng)速計算：通過WT軟件輸入已準備好的氣象站瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)文件、站點位置信息、等高線地形圖和粗糙度文件進行流體力學(xué)計算，輸出各站點2016～2018年瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)。

1.2.2 大風(fēng)標準、橫風(fēng)范圍和強橫風(fēng)標準確定

風(fēng)向與鐵路沿線走向的夾角不同，對鐵路沿線列車運行產(chǎn)生的影響也不同。馬淑紅等[11]在研究瞬時風(fēng)速對高速列車安全運行影響時，提出當(dāng)大風(fēng)風(fēng)向與沿線走向呈75°～95°時，在大風(fēng)天氣條件下，瞬時風(fēng)速和橫風(fēng)因素合力導(dǎo)致氣動力增大，列車脫軌、傾覆的可能性極大增加。由于高鐵線路走向不一致，需要確定各站點的橫風(fēng)范圍，方法如下：因為風(fēng)向是以正北方向(0°或360°)為基準，以第1個站點為原點，求出剩余站點與第1個站點的正北方向夾角，將夾角誤差10°以內(nèi)站點歸為一個區(qū)域，大勝關(guān)和陽澄湖分別劃分出2個區(qū)域，每個區(qū)域夾角取范圍中值。為充分考慮高鐵運行安全，消除誤差，故本文將橫風(fēng)范圍定義為：風(fēng)向與高鐵沿線走向夾角為70°～95°范圍。根據(jù)橫風(fēng)范圍定義，各區(qū)域范圍及橫風(fēng)范圍見表1。

表1 大勝關(guān)和陽澄湖各區(qū)域橫風(fēng)范圍和大風(fēng)頻數(shù)Table 1 Crosswind range and high wind frequency in Dashengguan and Yangcheng Lake regions

根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)瞬時風(fēng)速≥17.0 m/s的風(fēng)記為大風(fēng)。本文強橫風(fēng)定義：風(fēng)速滿足上述大風(fēng)條件且風(fēng)向?qū)儆跈M風(fēng)范圍的風(fēng)。

1.2.3 風(fēng)切變指數(shù)

在近地層風(fēng)切變指數(shù)變化中，主要受地面粗糙度和大氣穩(wěn)定等因素影響，由于京滬高鐵是“八縱八橫”高速鐵路主通道之一，途徑華東和華北地區(qū)，不同地區(qū)地形環(huán)境、粗糙度、植被覆蓋率等千差萬別，季節(jié)和環(huán)流趨勢差異性顯著，因此風(fēng)切變指數(shù)大小也不盡相同。WT模式下風(fēng)切變指數(shù)同風(fēng)數(shù)據(jù)一樣，均是基于地形和粗糙度數(shù)據(jù)定向計算，其計算公式為

式中：a為切變指數(shù)；v1和v2分別是z1和z2高度處的風(fēng)速。

2 結(jié)果與分析

2.1 大勝關(guān)和陽澄湖地區(qū)風(fēng)況特征

2.1.1 平均瞬時風(fēng)速空間分布特征

圖3是利用研究區(qū)域鄰近氣象站2016～2018年瞬時風(fēng)數(shù)據(jù)經(jīng)過WT建模計算繪制得到的3 a平均瞬時風(fēng)速空間分布圖。從圖3(a)可以看出大勝關(guān)鐵路沿線西部地區(qū)平均瞬時風(fēng)速較大，東部次之，中部較小，這是因為西部站點靠近長江，沿江西側(cè)以植被為主，中部是平原，多矮型山體、植被和城市，東部地勢相對較高。由于圖3是均值化的結(jié)果，大于17 m/s風(fēng)速信息被隱含，高鐵沿線在長江段1-5站點是瞬時風(fēng)速≥17 m/s高頻區(qū)域，總頻數(shù)高達14 000余次，約占大勝關(guān)地區(qū)大風(fēng)總頻數(shù)(見表1)的42%，從圖3(a)中能夠看出該區(qū)域平均瞬時風(fēng)速較大。沿線往中部平均瞬時風(fēng)速逐漸減小,然而在站點12處平均瞬時風(fēng)速較大，由于該站點地勢低，東西兩側(cè)環(huán)山，原始環(huán)境風(fēng)速相對較大，處于隧道口，橫截面積小，氣密性較低，形成的氣壓差也較強。

從陽澄湖地區(qū)高鐵沿線南北側(cè)來看，沿線北部東中西毗鄰3個大的湖泊，南部是平緩平原，地勢西高東低，河道貫穿，因此高鐵沿線北部區(qū)域平均瞬時風(fēng)速較大，南部整體平均瞬時風(fēng)速相對較小。由于西部高鐵沿線兩側(cè)均有較大湖泊，從圖3(b)看出7和8站點處周圍平均瞬時風(fēng)速≥9.5 m/s，是陽澄湖沿線風(fēng)速較大的地方。

圖3 平均瞬時風(fēng)速空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of average instantaneous wind speed

整體來說，陽澄湖高鐵沿線位于大面積湖泊，而大勝關(guān)僅西部靠近長江，因此從表1看出，站點相對較少的陽澄湖大風(fēng)總頻數(shù)略多于大勝關(guān)，整體平均瞬時風(fēng)速比大勝關(guān)大。從局部來講，在大勝關(guān)1～5和12站點處增設(shè)測風(fēng)站點，陽澄湖沿線平均瞬時風(fēng)速較大，超過70%站點大風(fēng)頻數(shù)均超過1 000，需合理布設(shè)站點，并著重關(guān)注7和8站點風(fēng)速。

2.1.2 大風(fēng)日內(nèi)變化特征

將2016～2018年WT瞬時風(fēng)速模擬數(shù)據(jù)分季節(jié)處理，按占總頻數(shù)百分比得到2地區(qū)四季大風(fēng)日變化曲線(見圖4)。江蘇東部瀕臨黃海和東海，屬于溫帶向亞熱帶的過渡性氣候，氣候溫和，白天海洋與陸地的溫度相差不多，而夜間陸地散熱程度遠高于海洋，氣溫差使得近地面大氣層產(chǎn)生密度和氣壓差，形成的氣壓梯度使得陸風(fēng)在夜間最強。由于存在季節(jié)性差異，在下半夜不同時刻達到最值，日出之后9～10時溫差逐漸減少，大氣層結(jié)逐漸穩(wěn)定，大風(fēng)發(fā)生頻率呈下降趨勢。午后是江蘇地區(qū)不穩(wěn)定天氣多發(fā)時段，常伴有短時強降水、大風(fēng)等強對流天氣產(chǎn)生，因此午后大風(fēng)天氣產(chǎn)生的過程也較多，秋季尤為明顯。

圖4 大風(fēng)日內(nèi)變化特征Fig.4 Intraday variation characteristicsof gale

2.1.3 大風(fēng)季節(jié)分布特征

統(tǒng)計2個地區(qū)各月大風(fēng)日數(shù)的平均值時間序列，分析月際和季節(jié)變化分布特征。從圖5可以看出，冬末至春季是2個地區(qū)大風(fēng)高發(fā)的季節(jié)，大風(fēng)日數(shù)變化較為一致，均從2月至5月小幅減少，并且可以看出大勝關(guān)在冬末至春季大風(fēng)平均天數(shù)略多于陽澄湖。初夏是2地區(qū)全年大風(fēng)日數(shù)最少的時節(jié)，而夏末至秋初是大風(fēng)頻發(fā)季節(jié)，特別是7月和8月，是一年中大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)較多的月份。本文所研究的2016～2018年間，每年7月和8月是江蘇省間接或直接受強熱帶氣旋影響較多的月份?？傮w來說，由于江淮氣旋和強對流不穩(wěn)定天氣多出現(xiàn)在春夏季，導(dǎo)致2個地區(qū)在春夏2季遭受大風(fēng)危害最大，發(fā)生頻率最高。

圖5 大勝關(guān)和陽澄湖大風(fēng)日數(shù)柱狀圖Fig.5 Histogram of gale days at Dashengguan pass and Yangcheng Lake

2.2 區(qū)域強橫風(fēng)時空分布特征

由前述分析大勝關(guān)和陽澄湖風(fēng)況特征可知，2個地區(qū)經(jīng)過橋梁、隧道、大面積湖泊等特殊環(huán)境區(qū)域，并且沿線走向的不一致和各站點所處地理位置差異性，導(dǎo)致強橫風(fēng)產(chǎn)生的氣動載荷對列車安全運行影響更加突出，因此，下文重點探討分析2地區(qū)強橫風(fēng)時空分布特征。

2.2.1 區(qū)域強橫風(fēng)時間變化特征

從圖6各區(qū)域強橫風(fēng)時間變化特征看出，大勝關(guān)區(qū)域Ⅰ在下半夜3～4時達到一天中峰值后呈下降趨勢，而陽澄湖區(qū)域Ⅰ日變化波動相比大勝關(guān)十分顯著，上午8時谷值之后快速上升，正午12時達到一天變化的峰值，其余時間段波動以振蕩形式表現(xiàn)。

圖6 強橫風(fēng)日變化特征Fig.6 Diurnal variation of strong cross wind

2地區(qū)在沿線區(qū)域Ⅱ上受強橫風(fēng)影響比區(qū)域Ⅰ要小，陽澄湖區(qū)域Ⅱ在上半夜至下半夜強橫風(fēng)幅度有一定增強且峰值出現(xiàn)在日出時，而大勝關(guān)區(qū)域Ⅱ在此期間幾乎不受強橫風(fēng)影響，并且僅在正午時受強橫風(fēng)影響比較突出。由于京滬高鐵下半夜0～6時屬于停運檢修階段，因此大勝關(guān)地區(qū)應(yīng)注意防范日出至正午運行受強橫風(fēng)的影響，陽澄湖則需重點關(guān)注區(qū)域Ⅰ沿線運行。

2.2.2 區(qū)域強橫風(fēng)季節(jié)變化特征

通過分析大勝關(guān)和陽澄湖地區(qū)大風(fēng)總樣本的風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖(圖7～8)可知，大勝關(guān)大風(fēng)盛行風(fēng)向為西西北和西北風(fēng)，陽澄湖地區(qū)盛行風(fēng)向為西西北風(fēng)和西風(fēng)。春季是冬夏過渡性季節(jié)，仍受冬季大氣環(huán)流的影響，低壓氣團向我國東部移動，蒙古冷空氣同時南下導(dǎo)致氣壓梯度的產(chǎn)生，導(dǎo)致春季是京滬高鐵沿線江蘇段大風(fēng)天氣多發(fā)季節(jié)。2地區(qū)在春季大風(fēng)盛行風(fēng)向發(fā)生明顯變化，大勝關(guān)和陽澄湖主風(fēng)向西西北風(fēng)分別減少約15%，30%，偏東北風(fēng)分別增加約20%，15%。從表1知大勝關(guān)和陽澄湖沿線區(qū)域Ⅰ大致走向為東南?西北，正是由于冬季向春季轉(zhuǎn)變過程中偏北?東北風(fēng)的逐漸增加，且與2地區(qū)沿線區(qū)域Ⅰ走向呈直角，因此強橫風(fēng)在冬春季發(fā)生頻率較高，大勝關(guān)尤為明顯，約為40.7%(見表2)。

表2 大勝關(guān)和陽澄湖各區(qū)域四季強橫風(fēng)頻率Table 2 Frequency of strong cross winds in each region of Dashengguan and Yangcheng Lake in four seasons %

如圖7(b)和圖8(b)所示，夏季地面大風(fēng)風(fēng)力較強，受歐亞大陸低壓區(qū)影響較多，易發(fā)強對流等天氣，大勝關(guān)大風(fēng)盛行方向為東東北-北風(fēng)，夏季是區(qū)域Ⅰ強橫風(fēng)多發(fā)季節(jié)，約19%。而陽澄湖地區(qū)大風(fēng)盛行方向為東南風(fēng)，與區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ沿線走向夾角均較小，因此夏季是陽澄湖沿線受強橫風(fēng)影響最少的季節(jié)。秋季是江蘇省夏季風(fēng)環(huán)流向冬季風(fēng)環(huán)流轉(zhuǎn)變的過程，2地區(qū)大風(fēng)盛行風(fēng)向均為偏北風(fēng)，也是陽澄湖地區(qū)全年發(fā)生強橫風(fēng)頻率最高的季節(jié)，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ強橫風(fēng)總頻率約為37.2%。

圖7 大勝關(guān)各季節(jié)大風(fēng)盛行風(fēng)向Fig.7 Prevailing wind direction in each season of Dashengguan

圖8 陽澄湖各季節(jié)大風(fēng)盛行風(fēng)向Fig.8 Strong wind prevails in every season in Yangcheng Lake

2.2.3 區(qū)域強橫風(fēng)空間分布特征

從圖9看出2地區(qū)高鐵沿線北側(cè)比南側(cè)易受強橫風(fēng)的影響，大勝關(guān)區(qū)域Ⅰ沿線南北側(cè)強橫風(fēng)發(fā)生頻率遠高于區(qū)域Ⅱ，與前文分析結(jié)果一致。大勝關(guān)區(qū)域Ⅰ中站點1～5受強橫風(fēng)影響最為顯著，自長江向陸地頻率逐漸減少，而區(qū)域Ⅱ沿線站點13～17和32～36地勢低，南北側(cè)連綿低矮山體，對氣流運行有明顯的削弱和阻礙作用，因此強橫風(fēng)幾乎沒有，其余站點地勢相對平坦，受地形因素影響較小，有較少的強橫風(fēng)發(fā)生頻率。

圖9 強橫風(fēng)空間分布圖Fig.9 Spatial distribution map of strong cross wind

陽澄湖地區(qū)沿線北側(cè)東中西湖泊，有較強的局地環(huán)流，易發(fā)生強橫風(fēng)，站點9～10和13～15所處陸地，受地形影響明顯，導(dǎo)致出現(xiàn)3個峰值，且沿線站點18之后處于城市密集區(qū)域，強橫風(fēng)逐漸減少。因此，大勝關(guān)沿江站點1～5南北側(cè)和陽澄湖全線北側(cè)須擋風(fēng)墻設(shè)置，為充分考慮高鐵沿線運行安全，建議在大勝關(guān)地區(qū)除站點13～17和32～36處北側(cè)設(shè)置擋風(fēng)墻。

2.3 京滬沿線風(fēng)切變指數(shù)空間分布特征

已有研究表明，風(fēng)切變明顯變化受大氣層穩(wěn)定性、下墊面粗糙度和熱容性、風(fēng)速大小等方面影響，常伴隨雷暴、臺風(fēng)、寒潮等大風(fēng)天氣過程[12]，因此本文利用WT換算不同高度風(fēng)速數(shù)據(jù)模擬出如圖10大勝關(guān)和陽澄湖風(fēng)切變指數(shù)空間分布特征。

圖10 風(fēng)切變指數(shù)空間分布圖Fig.10 Spatial distribution map of wind shear index

高鐵沿線風(fēng)切變指數(shù)在江流、湖泊、平原城市和山地等分布具有明顯的特征，沿江湖泊地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)較小，在0.05～0.1之間，根據(jù)前文分析，風(fēng)速較大且均大于5 m/s，亦是強橫風(fēng)發(fā)生頻率較高的地方。平原陸地切變指數(shù)居中，山地切變指數(shù)相對較大，能夠達到0.5以上，而高鐵線在山地、平原陸地風(fēng)速明顯較小，集中在3～5 m/s，強橫風(fēng)較少。一方面，因為山地、植被覆蓋、城市等此類地區(qū)粗糙，對近地層風(fēng)速摩擦和搖拽擾動較大，另一方面，江流、湖泊與陸地?zé)崛菪圆町惷黠@，陸地比熱容小，受氣溫影響較大，無論在升溫或者降溫階段，江流湖泊的切變指數(shù)較小，風(fēng)速大，而在山地、城市、植被覆蓋地區(qū)切變指數(shù)較大，風(fēng)速小。切變指數(shù)大小反映出高鐵沿線易受大風(fēng)和強橫風(fēng)影響的區(qū)域，其指數(shù)越小的區(qū)域應(yīng)重點防范高鐵列車的運行安全。

3 結(jié)論

1)因季節(jié)差異，2地區(qū)在下半夜不同時刻大風(fēng)發(fā)生頻率達到峰值，并且午后大風(fēng)波動顯著，秋季尤為明顯。

2)受氣候和地理環(huán)境等影響，春季、秋季分別是大勝關(guān)和陽澄湖強橫風(fēng)高發(fā)季節(jié)，其中大勝關(guān)沿線在日出至正午時段易受強橫風(fēng)的影響，陽澄湖則需重點關(guān)注區(qū)域Ⅰ沿線運行。

3)根據(jù)平均瞬時風(fēng)速和強橫風(fēng)空間分布特征分析，大勝關(guān)沿線在站點1～5和12處需增設(shè)監(jiān)測站點，并在站點1～5南北側(cè)設(shè)置擋風(fēng)墻，除站點13～17和32～36之外北側(cè)亦需擋風(fēng)墻。陽澄湖沿線合理布設(shè)站點，并在北側(cè)需設(shè)置擋風(fēng)墻。

4)風(fēng)切變指數(shù)較好的說明平原城市、山地等粗糙地區(qū)切變指數(shù)大，風(fēng)速偏小，集中在3～5 m/s，因此受強橫風(fēng)影響較小，而沿江、湖泊等地區(qū)風(fēng)切變指數(shù)小，風(fēng)速大，高鐵沿線易受強橫風(fēng)影響。