新疆克拉玛依至塔城铁路风雪灾害特征研究

罗新文

(新疆铁道勘察设计院地路分处，乌鲁木齐 830011)

新疆克拉玛依至塔城铁路风雪灾害特征研究

罗新文

(新疆铁道勘察设计院地路分处，乌鲁木齐 830011)

风吹雪灾害是克塔铁路选线及设计中的重点和难点问题，研究风雪灾害特征，有效避免和减少灾害段落，对线路方案选择及雪害防治具有重要的理论与现实意义。利用既有气象资料，结合现场考察和数值天气预报模式、大气污染模式中气象模块的模拟结果，得出冬季的主导风向为东、东南风，夏季的主导风向为西、西北风，风向季节交替明显，东、西大风相继出现；冬季风普遍大于夏季风，风雪灾害防治的重点是冬季的风吹雪。利用卫星影像和区域气候模拟分析得出，南方案(老风口展线方案)可能发生风吹雪的段落比北方案(玛依塔斯走行方案)长24.2km，频次也较多。

铁路；风吹雪；灾害特征；模拟分析

1 概况

1.1 工程概况

克拉玛依至塔城铁路全长约290 km，其中约70 km穿越新疆塔城著名的老风口—玛依塔斯风区，该段也是世界上罕见的暴风雪重灾害地段[1-3]，冬季在大风作用下输雪量惊人，风吹雪和积雪现象非常严重，常常阻断交通，极易发生交通和人员伤亡等事故。雪害是铁路选线及工程设计中面临的“瓶颈问题”，也是铁路建设和运输组织中不可避免、必须考虑的控制性因素。

1.2 线路方案概况

如图1所示，线路主要有北方案(玛依塔斯走行方案)和南方案(老风口展线方案)。两方案比较起点里程：CK148+900=C2K148+900，比较终点里程CK280+000=C2K285+607.5。

北方案沿铁厂沟—白杨河山间洼地与克塔高速公路伴行，跨201省道后折向北，沿吾尔喀什山脉南麓丘陵走行进入塔额盆地，全长131 km。线路多以路堤工程顺直通过风雪区，走向与冬季主导风向近平行。

南方案线路自铁厂沟—白杨河山间洼地向西走行在南部加依尔山剥蚀丘陵区，至老风口沿加依尔山西缘折向北走行，进入塔额盆地，全长137 km。方案有17 km线路走向与冬季主导风向大角度相交。

图1 克塔铁路方案示意

1.3 地形地貌

塔城地区从西北至东南依次为塔尔巴哈台山、塔额山间盆地、吾尔喀什尔山、加依尔山及准噶尔盆地，整个地势东高西低；地貌特征是高山、盆地高差大，走廊型山间盆地贯穿于山地之间，形成了狭长的大气环流通道。

1.4 气候特征

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，具有明显的温带大陆性气候特点，冬、夏季冷热变化悬殊，气温日较差大，干燥少雨，光照丰富，全年大风频繁。塔城地区分南、北两大气候区；老风口—玛依塔斯风区，是新疆九大风区之一，位于吾尔喀什尔山和加依尔山之间的狭长通道中，以老风口至铁厂沟70 km段的大风影响最为严重。冬季，西伯利亚重冷空气进入塔城盆地，会因谷地的“狭管效应”，产生强劲偏西大风，而当冷空气控制准噶尔盆地，形成东高西低的气压形势时，就会在谷地内产生强劲的偏东大风。降雪时在风雪流作用下极易形成风吹雪和积雪灾害。

2 新建铁路风雪灾害特征研究大纲简介

2.1 研究内容

(1)铁路沿线风况特征及强风分布规律

充分收集研究区内既有气象站、自动测风站、风电场测风站历年的资料，分析铁路沿线大风风向与风速变化规律；实地考察访问，了解风区自然条件、微地形、地表植被覆盖及风、雪灾害等情况；应用数值天气预报模式WRF数据和大气污染模式CALPUFF中的CALMET气象模块，模拟研究区的风场环境数据，并利用既有的观测资料进行验证等工作方法，深入分析铁路沿线风场特征、主导风向，大风分布规律及风与雪害的关系。

(2)铁路沿线雪深分析及积雪分布特征

①利用MODIS、AMSR-E等卫星的积雪分析产品，研究区内的积雪日数、积雪深度、空间分布及积雪变化；②利用RegCM等气候模式进行高分辨率模拟，选取模式的雪水当量、雪盖数据和降雪数据，分析整个研究区的积雪时空演变规律及特征；③利用研究区内气象站的数据评估源自遥感和模式的积雪产品的精度。

(3)沿线积雪分布规律与风吹雪灾害评价

①鉴于现场观测资料的短缺，基于模式的雪深数据和地形地貌分析铁路沿线积雪堆积分布特征；②依据风速和降雪量建立关系式，研究风吹雪现象发生的空间分布规律。

2.2 研究目标

为铁路选线提供风、雪灾害时空分布规律，同时为风吹雪防护提供原则性解决方案。

2.3 研究方法

利用有限的站点观测资料验证遥感影像和模式数据的适用性，再利用遥感影像和模式数据分析整个研究区域的风场和积雪覆盖特征。

在研究中，主要通过站点观测数据及模型模拟得到的研究区内风速风向的空间分布来分析铁路沿线的相应变化和强风段的分布规律。通过气象资料得到的区域冬季降水及积雪分布特征[4]，同时应用遥感数据得到的研究区内积雪空间分布信息数据，并结合地形复杂度和雪深数据来分析铁路沿线积雪堆积情况。最后根据得到的铁路沿线的风速风向变化和强风段分布规律，以及积雪空间分布规律来分析铁路沿线风吹雪灾害的分布情况。

2.4 技术路线

基于以上整体研究思路和方法，项目研究的具体技术路线见图2。

图2 研究技术路线

2.5 资料来源

(1)站点观测(图3)

图3 气象站点与测风塔分布示意

①气象站点资料

包括：4个国家基础气象站塔城、托里、额敏、和丰近10年风、降水及雪深资料；4个距离线路较近自动站：老风口、玛依塔斯、铁厂沟、乌雪特近3年逐时测风资料。

②风电厂测风塔资料

研究区内风电厂的7个测风塔数据及2013年部分风电厂风机测风资料。

(2)模式数据

研究采用了10 km和2 km尺度的WRF模式的10 m逐时数据；Calmet模式的10 km、5 km和1 km分辨率的逐时风速和风向数据。

积雪的雪深和降雪量的数据采用区域气候模式的逐日数据。雪盖数据采用长时间序列的遥感影像。

地形数据采用研究区分辨率为30 m的数字高程模型数据。

3 研究区大风特征分析

3.1 大风形成的原因

塔城盆地及老风口至玛依塔斯一线冬半年出现的区域性偏东大风与蒙古高压的季节性变化有着密切的联系，是蒙古高压维持、发展与当地特殊的地理、地形共同作用的产物。冬半年(10月至翌年4月)蒙古高压稳定加强，当中亚巴尔喀什湖一带气压出现明显的急剧减压时，中亚至蒙古一带形成东高西低的气压场，加之地形“狭管效应”对风速的放大作用，形成风区的偏东大风[1-3]。

大风形成的另一个原因是，冬半年塔城盆地和准噶尔盆地之间存在温度差，使得两地空气流动，风向由高气压区吹向低气压区[1-2]，故老风口—玛依塔斯风区偏东大风较多。5～8月大风日数较少，且以西风和偏西风为主，多由天气系统入侵、锋面过境或局地强对流天气所致。

3.2 多年平均风速与主导风向

经统计，该研究区气象站点的多年平均风速和主导风向见表1。

表1 研究区站点多年平均风速、主导风向

由表1看出各站主导风向不一，没有相对固定的主导风向；老风口至玛依塔斯风区内，年平均风速数值相对较大，出现在铁厂沟、玛依塔斯，年平均风速6.7 m/s，乌雪特乡5.2 m/s，老风口4.3 m/s。都没有达到8级以上的大风，年平均风速不满足大风研究的需求。风区内4站的多年平均风速虽小，但仍然比周边其他站点风速大。老风口气象站位于公路防护林内，数值偏低。

3.3 风速风向年内变化

根据4个自动站2 min和10 min日逐时数据分析，风速变化情况如图4所示。

图4 4气象站点日最大风速变化情况

老风口：冬季主导风向为ESE、ES，其次NW、WNW。冬季风速明显大于夏季风速。10 min日最大风速小于2 min日最大风速，2011年3月4日分别为16.1 m/s和17.8 m/s(ESE)，历史极大值为26.8 m/s，风向ESE。铁厂沟：冬季主导风向为W，WSW，次风向为E。春秋季风速明显大于夏季风，冬季铁厂沟的最大风速在32.0 m/s以上。2 min逐时最大风速为30.2 m/s(W)。历史极大风速为37.0 m/s，风向W。乌雪特：冬季风速明显大于夏季风速，春秋风速大于夏季风速。冬季主导风向为E，ESE和SE，次风向为WSW，SW。2 min逐时最大风速为22.5 m/s(E)，历史极大风速为29.2 m/s，风向E。玛依塔斯：冬季主导风向为ESE，ES，次风向为NW。冬季风明显大于夏季风，2 min逐时最大风速为25.0 m/s(E)，最大风速33 m/s，风向E。区内风电厂测风塔的情形相似。大风多发生于冬季，因此重点是防治冬季的风吹雪灾害。

3.4 研究区内4个气象站点的主风向

4个自动站年和季节尺度上的风玫瑰图如图5所示。

由图5可见，在研究区内不同地形风向存在明显差异。4个站点风向在四季存在很大差异。从季节主风向可以发现冬季的主风向比较一致，为平行峡谷的东和东南风。

7个风电厂测风塔情形相似。整体趋势是冬季风大于夏季风，风向存在季节转换，东西风向存在明显的交替(管道效应)：由夏季西风为主转换到冬季东风为主；后又转换到夏季西风为主。见图6。

图5 4气象站年和各季风玫瑰图

3.5 数值模拟分析

采用数值天气预报模式和大气污染模式对研究区域内的风场进行了长时间序列的模拟[5-6]。

图6 2012年6月～2013年5月玛依塔斯5 min瞬时风速的风向变化

通过与实测站点数据比对，模拟结果与实测数据反映的变化趋势相同，存在模拟结果偏小的现象，见图7、图8。

3.5.1 WRF模式模拟风场结果

采用WRF模式10 km分辨率的输出结果对研究区内不同月份的风速分布情况进行分析得出：北方案有35 km的大风区(≥8级风速)；南方案有60 km的大风区。

用WRF作为数据源，以2 km为间隔采样分析计算沿线全年不同风速等级的频次。铁路南方案8、9级风速年内出现的小时数均比北方案高，出现的区域也大。南方案9级风速出现的区段29 km，北方案为10 km。北方案主风向为西、西北、东风；南方案主风向为西、西北、东、东南风。

3.5.2 Calmet模式模拟风场结果

采用模式计算获得分辨率为10 km和5 km的风场数据，通过对比10 km和5 km尺度上风速的变化总体趋势一致。南北方案主风向均是东或东南风；整体风速南方案大于北方案。模拟的大风区(≥8级)长度结果与WRF模式一致。

综合2种模式的结果得出：研究区的大风区(≥8级)，北方案有35 km，南方案有79 km；整体风速南方案大于北方案。

图7 WRF模拟风速、风向与观测数据对比

图8 Calmet模拟风速、风向与观测数据对比

4 铁路沿线积雪特征

4.1 区域冬季降水分布特征

近50年塔城地区冬季降水极值变化较为剧烈[7]。2009年为冬季降水异常偏多年，1982年为异常偏少年(表2)。目前，塔城地区冬季降水以3.7 mm/10年的速率不显著增加，冬季降水序列在20年左右的时间尺度上增加趋势还将持续[8]。

表2 近50年托里与额敏冬季降水分布 mm

4.2 区域积雪分布特征

塔城地区10月下旬到12月为非稳定积雪期，1月到2月为稳定积雪期，3月至4月为融雪期。统计结果表明：2003～2012年，积雪雪深2月累积最多，1月、3月次之，11月、12月居第三，4月和10月积雪很少(表3)。依据1961～2005年塔城地区实测积雪资料分析，塔城地区积雪时空分布不均，地域差异大。近45年除裕民站外，其余各站积雪日数均呈现减少趋势，各站最大积雪深度与冬季降水量的变化表现一致，最大积雪深度介于40～65 cm[9]。

表3 托里县与额敏县2003～2012年冬季雪深统计 cm

4.3 遥感资料的区域积雪覆盖特征

遥感数据因为其时效性可以满足大区域的宏观观测，近些年MODIS积雪产品在生态和水文等研究领域得到广泛应用[10-11]。因此，在对积雪信息的反演上，利用积雪日数据对积雪天数进行统计，并且使用了TM影像做精度验证，符合率达74%。

将区域的数据按照每隔1 km对南北方案进行点数据的提取，对比结果：北方案月积雪累积天数大于南方案；南北方案在1月份和2月份的积雪累积天数比较大，并且南方案的积雪累积天数沿铁路线的变化要比北方案大。

5 克塔铁路雪害区段划分

5.1 风吹雪积雪堆积区

根据风速和地形复杂度相结合提取出风吹雪堆积等级区划图。主要使用模式中积雪的相关变量，结合地貌信息，提取风吹雪积雪堆积区，最终评估风吹雪发生区域。积雪堆积区[12]，是根据地形复杂度结合雪深进行不同等级的统计和划分获得。地形复杂度则采用双线性插值方法获得，是对30 m的数字高程模型数据升尺度到40 m，50 m，60 m，70 m，80 m，90 m，100 m，110 m，120 m的水平分辨率，然后再重采样降尺度到水平分辨率30 m，分别计算降尺度后的30 m分辨率与原始30 m模型数据的标准差，从而获得地形复杂度的指标。

根据模式的雪深数据和南北方案经过区域的地形复杂度，来评估风吹雪的堆积区，将堆积的等级分为较少，一般，较严重，严重四个等级(表4)。其中，地形复杂度是根据不同分辨率的数字高程做标准方差后获得，雪深由模式数据直接获得。结果与较高精度的遥感影像结合地形起伏做对比，基本一致(图9)。

图9表明：北方案经过了等级较高的风吹雪堆积区，南方案则相反；北方案经过了42 km风吹雪的堆积区，其中堆积很严重的区域分布不集中，多是一般和较严重的区域。

表4 风吹雪堆积等级划分指标

图9 风吹雪积雪堆积区域示意

5.2 风吹雪发生区

根据风速和降雪量推测可能发生风吹雪的区域，并根据风吹雪的累积次数来判定该区域是否为风吹雪频发区。

根据新疆积雪的物理特性和北美地区风吹雪研究结果，当风速在3～11 m/s，同时有降雪现象的发生，即可发生风吹雪现象。在本研究中，采用气候模式的降雪数据和WRF模拟的10 m风速作为基础数据，判断研究区内的风吹雪灾害发生地段。

由图10可看出铁厂沟到老风口、玛依塔斯区域内，北方案CK148+900～CK157、CK172～CK176段为风吹雪较严重区；CK157～CK172为风吹雪严重区；CK176～CK193+800为风吹雪一般区。南方案C2K148+900 ～C2K155、C2K161～C2K186、C2K206～C2K210段为较严重区；C2K155～C2K161、C2K186～C2K206段为严重区；C2K210～C2K218为一般区。

南北方案都经过了风吹雪发生频次较多的区域，南方案发生风吹雪灾害的里程数比北方案多，而其他地段风吹雪灾害相对较轻。这与现场实际情况吻合。

6 结论

通过2012年冬季实地考察访问，分析统计沿线风电厂的测风数据及周边气象站的观测数据，结合模拟分析结果，得出如下主要结论。

(1)北方案35 km、南方案79 km是大风区(≥8级)。风区内东、西大风相继出现，冬季主风向是东、东南风，夏季主风向是西、西北风，风向季节交替明显；夏季风速小于冬季风速，故风雪灾害防治的重点是冬季的风吹雪。

(2)南北方案1、2月的积雪累积天数较大。北方案经过42 km不同等级的积雪堆积区，南方案仅通过了较少的区域，即北方案受风吹雪影响的范围少。

(3)南北方案都经过了风吹雪可能发生频次比较大的区域，南方案比北方案整体要多。南北方案风吹雪段落分别为69.1 km 和44.9 km，南方案发生风吹雪的段落长了24.2 km。

通过研究内容最终选择了短直通过风雪区的北方案，为确定合理的线路方案提供了科学依据。

图10 区域冬季风吹雪发生频率

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Study on the Characteristics of Snowdrift Disaster along Karamay-Tacheng Railway in Xinjiang

Luo Xinwen

(Geology and Subgrade Design Department of Xinjiang Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Urumqi 830011, China)

Snowdrift disaster is a key and difficult point in route selection and design of Karamay-Tacheng railway line. Study on the characteristics of snowdrift disaster to effectively avoid and reduce disaster sections has important theoretical and practical significance in route selection and snow hazard prevention. Based on existing meteorological data， site investigation and simulated results of numerical weather forecast model and meteorological modules in atmospheric pollution model， it is concluded that the prevailing wind direction is east-bond and southeast-bond in winter， and west-bond and northwest-bond in summer with obvious seasonal alternation; strong east wind and west wind appear in succession; moreover， the wind in winter is generally stronger than that in summer. Therefore， the snowdrift in winter is the key point for snow disaster prevention. Using satellite image and regional climate simulation analysis brings to a conclusion that the south line scheme Laofengkou scheme)is 24.2km longer with sections with possible snowdrift and higher frequency than the north line scheme(Mayitasi scheme)．

Railway; Snowdrift; Disaster characteristics; Simulation analysis

2014-01-09；

：2014-01-21

罗新文(1971—)，男，高级工程师，1994年毕业于西安地质学院地勘专业，工学学士，E-mail：tyylxw@163.com。

1004-2954(2014)10-0010-07

U213.1+53

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.003