川藏地区及川藏铁路沿线风场特征分析_刘杰.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，川藏地区及川藏铁路沿线风场特征分析刘杰楚志刚（中国气象局气象宣传与科普中心，北京 ；南京信息工程大学，南京 ）摘要雷暴大风是影响铁路建设和交通运营安全的主要气象灾害之一，而川藏铁路作为连接四川省和西藏自治区的干线铁路，其沿线地理形势复杂，气候特征多样，被称为“最难建的铁路”，本文旨在定量分析川藏地区和川藏铁路的风场变化特征，以为川藏铁路建设和铁路列车运行、防灾减灾以及实时动态监测预警和风险评估提供科学依据。文章采用 年地面气象站观测风场和 年极大风风速资料，结合 年近 年的 地面风场数据，对川藏地区和川藏铁路沿线拉萨、林芝、雅安、成都个高铁站附近的风场时空分布特征和变化规律进行分析，研究表明：川藏地区西部风力高于东部，高原内陆风力大于高原东南缘和四川省。月至次年月是高原内陆风速最大的月份，月平均风速在高原北部和南缘能够达到以上，夏秋季风速较小。选取川藏铁路沿线拉萨站、林芝站、雅安站和成都站个站点风场进行分析，风速表现为高原西部向东部减小的趋势。在研究时段内，年川藏铁路沿线平均风速和极大风速均呈明显增加趋势，拉萨和林芝站的大风日数也有所增加，因此 年以来川藏铁路沿线处于风速上升期，对铁路的风险处于增大阶段。关键词川藏地区；川藏铁路；风速；时空分布中图分类号：文献标识码：气象科技第二次青藏高原综合科学考察研究项目（），国家重点研发项目（）资助作者简介：刘杰，男，年生，高级工程师，主要从事气象科普宣传与气候变化研究，：收稿日期：年月日；定稿日期：年月 日通信作者，：引言川藏铁路地处我国四川和西藏地区，是中国境内一条连接四川省与西藏自治区的快速铁路，是中国国内第条进藏铁路，也是中国西南地区的干线铁路之一。规划建设川藏铁路，对国家长治久安和西藏经济社会发展具有重大意义。然而川藏铁路穿越青藏高原东南主体，地处全球气候变化的预警区、敏感区，地形高差大、气候分带明显，具有多种极端地理环境和气候特征，被称为“最难建的铁路”。准确的认识川藏地区的天气气候特征，对保障川藏铁路建设安全和后续交通运输非常重要。前人的研究表明，我国川藏地区是雷暴、大风等灾害天气频发地区 ，而大风对高速列车产生不同程度的影响，会使列车限速运行、禁行，或者发生异物侵袭事件，风强度过高甚至会引起列车脱轨 。对于高寒沙区铁路例如青藏铁路，风是铁路沙害的主要驱动力，风的携沙能力随着风速增大而增强，会 造 成路 基 积 沙，有可能 发生 列车 侧滑的 问题 。另外，列车遇到横风时，会明显改变湍流场结构，大气湍流效应会对高速无线电波的传输造成不良影响，从而威胁铁路运行安全。本文对川藏地区及川藏铁路沿线风场空间分布特征和时间变化规律进行分析，为川藏铁路建设和铁路列车运行、防灾减灾以及实时动态监测预警和风险评估提供科学依据。研究区域与数据处理 研究区域本文主要关注川藏地区及川藏铁路沿线的风场分布特征，地理经纬度选取 、，选取的 地 理 范 围 主 要 覆盖 整 个 西 藏 自 治 区 和 四川省。数据介绍青藏高原站点稀疏，对川藏地区风场空间分布特征的分析主要选取了 再分析 风场数据。对于川藏铁路沿线站点风场时间变化规律的分析，主要采用了气象台站的常规观测风场数据。资料时间序列为 年月约 年数据，数据空间分辨率为 ，时间分辨率为，数据格式为 格式。数据是由美国气象环境预报中心（）和美国国家大气研究中心（）联合制作的，采用了当今最先进的全球资料同化系统和完善的数据库，对各种来源（地面、船舶、无线电探空、测风气球、飞机、卫星等）的观测资料进行质量控制和同化处理，获得了一套完整的再分析资料集，它不仅包含的要素多、范围广，而且延伸的时段长，是一个综合的数据集。由于高原测站稀少，再分析数据是比较好的时空连续、能够全覆盖高原，并且可靠性较高的数据。本文获取了 年的中国气象台站逐小时风速观测资料，地面气象台站的风速观测主要采用风向标。在对沿青藏铁路数据的整编处理中，年资料相对完整，因此文中主要采用了 年共计 年的气象台站逐小时地面观测风速。另外，本研究对川藏铁路沿线个站的极大风进行了统计，极大风速资料来源于中国气象局地面瞬时极大风速日值资料，极大风速指给定某一段时间内的瞬时风速的最大值，一天的极大风速就是这一天内瞬时（一般是指）风速的最大值，极大风速是个瞬时值。本文在极大风速的整编中，获得的 年极大风速较完整，因此下文分析主要使用这个时段的资料。数据处理 风速计算本文对川藏地区风场空间分布特征的分析采用的 的风场资料，的风场分为经向风（）和纬向风（）。根据风和风场，计算得到风速（），单位为，计算公式如下：大风日数计算大风日数指某地一段时间内出现瞬时风速等于或大于 （相当风力级或以上）的天气日数。本文采用逐日极大风速资料，对每年极大风速超过 的天数求和，得到每年的大风日数。川藏地区及川藏铁路风场分布特征分析 川藏地区风场空间分布特征图给出采用 资料绘制的川藏地区 月月平均风速的空间分布图。可以看出，每年 月到次年月，高原内陆的风速均相对较大，其中 月至次年月风速为年中最大的时期，月平均风速在高原北部和南缘能够达到以上。月至次年月的风速空间分布图中，明显在高原北部和高原南缘各出现一个风速大值区，而高原中部风速相对南北缘较小。之后，整个高原上空风速开始减少，尤其是高原南部的风速大值区范围逐渐缩小；月，高原南缘风速月平均风速降低到以下，高原上只有北部的风速大值区仍然存在，但北部这个大风区风速也较冬春明显减小，平均风速在之间。月之后，高原南缘的大风区又开始逐渐形成，风力逐渐增强，高原上又存在南北两个大风区。到次年月，大风区风力达到全年最大。同时，对川藏地区东西方向进行对比，高原的西部风力高于东部，在高原东南缘风力较小，林芝地区平均风速基本在以下。四川地区的风力更小，月平均风速在以下。川藏铁路沿线风速月变化规律分析川藏铁路呈东西走向，东起四川省成都市、西至西藏自治区拉萨市，是中国国内第条进藏铁路，铁路线如图所示。本文着重关注川藏铁路沿线风速分布规律，以为川藏铁路沿线列车运行、防灾减灾和风险评估提供依据。为了分析铁路沿线风速变化，本文选取川藏铁路个高铁站进行研究，个站自西向东分别为拉萨、林芝、雅安和成都，个站的地理位置如图 中红色点所示。拉萨和林芝站在高原上，成都和雅安位于四川盆地，二者在地形高度上形成对比，一定程度上能够代表川藏铁路的实际情况。使用了气象台站站点观测风速数据，对研究时段内每个月所有风速观测数据求平均获得逐月平均风速。图给出个站的风速逐月变化图。个站中，高原上的个站拉萨和林芝的风速大于四川的两个站（雅安和成都站）。拉萨月到次年月平均风速大约为 ，月约为 之间；林芝月风速大于，月平均风速均小于。四川省第期刘杰等：川藏地区及川藏铁路沿线风场特征分析图川藏地区平均风速逐月空间分布：（）月；（）月；（）月；（）：月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月图川藏铁路线路走向和站点分布境内的两个站中，成都和雅安的风速年变化很平缓，平均风速一年内都在 之间，成都的风速大于雅安。总体来讲，拉萨、林芝、雅安和成都多年平均风速分别为 、，体现了风速从高原西部向东部减少的趋势。川藏铁路沿线平均风速的年际变化规律图给出了拉萨、林芝、雅安和成都站的风速年际变化曲线图，分 月逐月给出。从 年 年间，个高铁站各个月的风速均表现 年前风速相对较小，年之后风速增强的趋势。其中在月之间，拉萨和林芝站在 年之前平均风速在之间，年之后平均气象科技第 卷图拉萨、林芝、雅安和成都站平均风速逐月变化风速跃升到以上；其他月份，拉萨和林芝站风速 年之前在以下，年之后跃升到左右。雅安和成都风速小于西藏高原上的两个站，但是同样在 年风力明显上升，年之前平均风速在 以下，年之后达到以上，月甚至达到以上。这与张子曰等（）的分析结论相同，目前川藏地区风速处于一个上升期，说明对铁路的风险处于增大阶段，需加强关注。另外拉萨和林芝在 年是一个风速低值年，年期间，月之间存在一个风速增大期，但增幅不大。图拉萨、林芝、雅安和成都站月平均风速年际变化：（）月；（）月；（）月；（）：月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月；（）月第期刘杰等：川藏地区及川藏铁路沿线风场特征分析 川藏铁路沿线极大风年际变化规律相对于平均风速而言，极端大风灾害往往是造成灾害性天气更为直接的原因，因此本文采用了地面台站极大风观测资料，对多年来极大风速的变化趋势进行了分析，对铁路运营安全指导具有指示意义。图给出拉萨、林芝、雅安和成都站春夏秋冬个季节平均极大风速年际变化趋势。图拉萨、林芝、雅安和成都站极大风速年际变化：（）春季，（）夏季，（）秋季，（）冬季从个季节极大风风速可以看出，拉萨和林芝冬春季极大风速大于夏季秋，冬春季极大风速普遍在 之间，夏秋季在 之间，其中 年，春夏秋季个季节中拉萨和林芝的极大风均处于一个低谷期，冬季在 年存在一个波谷。而成都和雅安春夏季极大风速较大，秋冬季较小。在 年之后，站的极大风速均有波动式增加趋势。川藏铁路沿线大风日数变化如前所述，根据气象上的定义，对每年中极大风速大于 的日数进行统计，获得 年逐年的大风日数（表）。可以看出，拉萨是出现大风最多的，年中出现大风不等，其中 年大风日数分别为、，可见近几年大风日数较多。林芝大风日数基本在每年左右，但在 年也出现了、的大风，处于大风日数较多的时间段。拉萨和林芝大风日数较多，增加了铁路运行的风险，应予以重视。雅安和成都大风日数较少。表 年拉萨、林芝、雅安、成都站逐年大风日数站名 拉萨 林芝 雅安 成都 气象科技第 卷结论和讨论本文采用 年地面常规观测风场资料、年地面观测极大风速资料和 年长序列 再分析风场资料，开展了针对川藏地区和川藏铁路沿线风况特征分析研究。对于川藏地区，由于高原的恶劣环境，气象观测站较少，资料能够有效弥补高原气象站点观测的不足，得到青藏高原风场的空间分布特征；同时沿川藏铁路选取拉萨、林芝、雅安和成都个站点，利用地面站点观测的风场和极大风资料，对川藏铁路风场的时间变化趋势进行分析。本研究得到如下主要结论：（）川藏地区西部风力高于东部，高原上风力大于高原东南缘和四川。每年月至次年月，高原上存在南北两个大风区。每年 月至次年月高原内陆风速为年中最大，月平均风速在高原北部和南缘能够达到以上。随后，风速逐月减少，夏秋季风速达一年中最小。（）川藏铁路沿线选取的个高铁站中，高原上的个站拉萨、林芝站的风速大于四川盆地的个站成都和雅安，体现了风速从高原西部向东部减少的趋势。（）年以来川藏地区和川藏铁路沿线平均风速和极大风速有增加趋势，拉萨和林芝在 年间大风日数也有增加趋势，对铁路的风险处于增大阶段，应引起重视。铁路是我国最主要的交通运输方式之一，尤其是川藏铁路面对更为恶劣的自然环境和复杂的地理环境，大风灾害不仅影响到铁路建设过程中施工问题，也对将来铁路正常运行有非常大的影响。本文对川藏地区和川藏铁路沿线风速的分布特征和变化规律进行了分析，对于川藏铁路建设过程中防灾减灾措施的综合考虑，铁路运营过程中安全措施的完善具有指导意义，同时也为铁路防沙设计等提供借鉴。参考文献兰恒星，张宁，李郎平，等川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析 工程地质学报，（）：林志强，路红亚，宁斌 气候变暖背景下西藏地区工程施工气象条件分析气象科技，（）：孔锋，郭君，王一飞，等近 年来中国雷暴日数的时空分异特征灾害 学，（）：孔锋，杨凭，王品，等 中国灾害性对流天气日数的时空变化特征长江流域资源与环境，（）：柏晶瑜 徐祥德 于淑秋青藏高原东南部夏季深对流加热研究气象科技，（）：任景轩，朱克云，张杰，等 近 年西藏地区雷暴变化特征气象科技，（）：荀学义，胡泽勇，孙俊，等 青藏高原近地层低压系统移动路径及其特征气象科技，（）：张核真，假拉 西藏冰雹的时空分布特征及危险性区划 气象科技，（）：马淑红，马韫娟 瞬时风速对高速列车安全运行的影响及其控制 铁道工程学报，（）：钱征宇 西北地区铁路大风灾害及其防治对策 中国铁路，（）：孙玫玲，张赛，马京津津秦高速铁路沿线风况特征生态学杂