高海拔高温差深切峡谷桥址区日常大风成因

李永乐， 张明金， 徐昕宇， 陶齐宇， 朱乐东， 宋丽莉

（1.西南交通大学桥梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041；3.同济大学桥梁工程系，上海200092；4.中国气象局公共气象服务中心，北京100081）

高海拔高温差深切峡谷桥址区日常大风成因

李永乐1， 张明金1， 徐昕宇1， 陶齐宇2， 朱乐东3， 宋丽莉4

（1.西南交通大学桥梁工程系，四川成都610031；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041；3.同济大学桥梁工程系，上海200092；4.中国气象局公共气象服务中心，北京100081）

为探讨高海拔高温差深切峡谷桥址区日常大风的成因，采用CAW600-RT型四要素自动气象站、手持风速仪及便携式温度计，对大渡河大桥桥址区风特性进行实测，分析了桥位处平均风速与温度、日照及地形地貌等的相关性.结果表明：大渡河大桥位于高海拔高温差深切峡谷内，桥址区几乎每天下午起风，平均风速常达10 m／s以上；根据成因，桥位处的大风可分为2类，一类受大尺度大气环流影响，另一类受小尺度范围内热力驱动而产生日常大风，并受局部地形及随时间变化的日照的影响；桥位处日常大风出现的频率较高，虽不控制桥梁的设计基准风速，但影响桥梁的耐久性和行车舒适性.

深切峡谷；桥址区；日常大风；现场实测；成因分析

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

通常，大风过程对国民经济各个方面都会产生较大影响，因此，研究大风的成因具有重要的现实意义，也得到了许多气象学者和相关专家的极大关注［1-4］.目前，针对复杂地形地貌区风场的研究主要有4种手段，即理论推导、数值模拟、模型试验和现场观测.其中，理论推导是对复杂地形进行一定简化，建立空气运动方程和热传导方程，通过求解微分方程组，得到相关的风场特征［1］.数值模拟通常是以理论推导为基础，借助计算机求解的一种分析方法［2］.

无论是理论推导还是数值模拟，均采用了一系列假定（边界条件）和计算模型，而这样的简化会导致一定程度的失真［3-4］.模型试验是借助风洞实验室对关心的地形地貌进行模拟试验，但实验室中风场的模拟也具有一定的局限性.

现场观测是目前较有效也是采用较多的一种手段.马玉堂、陈凯、张人文、宋丽莉、朱乐东、王凯等通过在山区建立风观测站，对复杂山区地形的风场特性进行了观测分析［5-10］.李永乐、王文勇等采用计算机数值模拟方法，对山区风特性的分析表明，山区峡谷地形条件下的风环境较复杂，且不同桥址区的风特性差异较大［11-13］.谭波、廖晓春等通过现场实测发现，在西部高海拔高温差山区，每天下午均会出现规律性波动的大风，部分地区风速可达10 m／s以上［14-15］，但相关文献中均没有对这种风场形成的原因进行讨论.

山区峡谷地形在我国中西部地区较为常见，其地形复杂多变，现有相关规范、文献中对山区风特性及成因的描述较少，对高海拔高温差深切峡谷桥址区风特性的研究尚未见报道.

本文以位于四川西部的大渡河大桥为工程背景，通过在大桥桥址区进行现场实测，取得了一些关于高海拔高温差深切峡谷地形风场特性的资料，通过对相关资料进行分析，探讨了日常大风的特点及其成因，研究结果对类似地貌风特性的分析有一定参考意义.

1 观测概况

1.1 地形地貌

大渡河大桥距离泸定县城约5 km.大桥地处高山峡谷之间，桥面距离大渡河沟底约300 m，连接桥梁两端的均是陡峭的山脉.桥轴线向康定侧延伸10 km后，地面海拔由桥位处的1 608 m升高到约4 500 m；桥轴线向雅安侧延伸5 km后，地面海拔由桥位处的1 608 m升高到约3 700 m.峡谷两侧10 km范围内均有终年不化的雪山，而峡谷内属于典型的干热河谷气候，温暖干燥，峡底和顶部温差较大.

此外，桥位处昼夜温差较大，加之桥位处海拔较高，地形呈现明显的深切峡谷特性，影响风场的因素较多.

1.2 观测站点设置和试验仪器

根据大桥所处的位置走向以及桥位附近地区的地形特点，在桥位处安装了1套四要素自动气象站（CAW600-RT）.自动气象站位于桥址区风速较大的咱里村大风岗上，该观测站点基本位于大桥纵向中心轴线上，在大桥上游约30 m处，大桥跨中偏离康定侧桥塔约100 m.风速、风向传感器的海拔高程为1 530 m，距离桥面设计高度78 m.仪器安装和测点布置见图1.

图1 仪器安装和测点布置Fig.1 Equipment installation and measuring points'layout

1.3 沿河谷温度和风速测量

为了考察桥位处河谷温度场和风场的分布情况，以桥位处为界，将河谷分为上游河谷和下游河谷.在上游河谷，沿国道（G318）走向布置9个固定

图2 温度测点布置Fig.2 Layout of temperature measuring points

2 日常大风成因分析

冬季和夏季典型大风天10 min平均风速与温度的变化趋势分别见图3（a）和图3（b）.可见，无论是冬季还是夏季，风速都呈现出以天为周期的规律性波动，这种规律性波动在夏季更明显.

图3 10 min平均风速与温度F20ig13.年3 8月M9日ean wind speed and temperature in 10 min

对比图3（a）和图3（b）可见，桥址区的大风过程可以分为两大类：一类是冬季出现频率较低的大风降温过程，定义这类大风降温过程为第Ⅰ类大风，持续时间一般可达2 d左右；另一类是夏季出现频率较高、以天为周期的日常大风过程，定义这类大风为第Ⅱ类大风，其10 min平均风速可以达到10 m／s，对桥上车辆的正常行驶有一定影响.下面重点就第Ⅱ类日常大风的成因进行讨论.

2.1 温度影响

2.1.1 风速、温度随时间的变化

自动气象站从2012年12月起开始采集数据，时间跨度包括冬季和夏季，具有较好的代表性.图4为2013年2月典型日常大风天平均风速变化趋势.

图4 典型大风天10 min平均风速Fig.4 Typical mean wind speed in 10 min

可见，每天凌晨至中午时段内风速较小，在每天下午至上半夜风速较大.为分析桥位处每天的起风规律，分别对10 min平均风速大于5和10 m／s的天数进行统计分析.观测站处10 min平均风速大于5 m／s的大风过程共143 d，10 min平均风速大于10 m／s的大风过程共54 d.

图5（a）为每天10 min平均风速大于5 m／s的大风起止时间，大风起风时间基本上都在中午12点左右，止风时间约在晚上10点，10 min平均风速大于5 m／s的大风过程平均持续时间约9 h.

图5（b）为每天10 min平均风速大于10 m／s的大风起止时间和持续时间，大风起风时间基本上都在下午2点半，晚8点半左右停止，平均持续时间约6 h.

从图3（a）和图3（b）可见，风速和温度以天为周期的规律性波动明显，并且二者的波动趋势基本一致.每天风速较大的时段温度也较高，由此说明热力作用是大桥桥位处日常大风形成的一个重要因素.

图5 大风起止时间Fig.5 Starting and ending times of strong wind

2.1.2 风速、温度沿河谷的变化

为了考察桥位处河谷温度场和风场的分布情况，沿河谷布置了18个测点，2013年4月19日下午对固定测量点相同时刻的温度和风速进行了3次测量.测量仪器采用温度计和手持风速仪，在开始测量前和测量结束后，对采用的温度计进行统一标定和修正.测量过程中，为减小地面热辐射引起的误差，温度计离地高度在2.0 m以上.

不同时刻测点的温度和风速变化见图6.可见，测点N9和S1的温度在3次测量过程中均比其他测点低，以这2点为中心分别往上、下游延伸，温度均出现上升的趋势.

对比3次测量的温度曲线可以看出，越接近晚上，上游侧河谷（测点N5～N9）的温度降低越慢，下游侧河谷（测点N9～S9）的温度下降越快.

分析同一时刻测点风速的变化规律，温度较低的测点N8、N9和S1在3次测量中的风速均比两侧测点的大，而温度较高两侧测点的风速相对较低.这表明，同一时刻沿河谷的温差是形成日常大风的重要原因.

2.2 局部地形影响

大桥桥址区下午4点以前，整个河谷内风向通常是以由南向北的东南风为主；下午4点之后，桥位上游河谷仍然是以沿河道向上游方向吹的东南风为主，但桥位下游水坝以下河谷的风向则与上游河谷相反.图7为桥位区域地形的三维视图，可以看出，桥位处地形较复杂，河谷东西岸均有山脊，并且在大坝处河谷断面收缩较大.

图6 温度和风速Fig.6 Temperature and wind speed at different measuring points

结合局部地形对河谷内大风风向的分布进行分析：由于东岸雪山上的来流同时受到东岸山脊和水电站大坝处西岸山脊的双重阻挡，在水坝附近形成了一个较大的气流漩涡，且由于山峰表面的不均匀性和主导来流风向的不确定性，该气旋不一定是平面水平气旋，应是一个立体气旋；气流漩涡导致桥位下游咱里村处风向较乱，而且在桥位附近的高空风速也不一定比低空风速大，甚至出现高空风速小于地面局部峡谷口和山峰处的风速；越接近晚上，泸定县城往上游的来流风增大程度不如东岸雪山上来流增大程度大，下午4点以后河谷内的风向以泸定水电站大坝为分界，水坝以上河谷内以东南风为主，且风速较大，水坝以下的泸定县城以西北风为主，风速相对较小.这也是泸定县气象站历史记录中北风偏多的原因.鉴于桥位处大风的风速和风向均在较大程度上受到桥位处局部地形的影响，因此，利用泸定县已有的基本气象台站的历史数据时，应充分考虑到地形可能造成的影响.

图7 桥位区域地形三维视图Fig.7 3-D view of the terrain on the bridge site

2.3 日照影响

在上午晴朗少云的天气下，午后常出现东南方向的大风，这是由于太阳照射对桥位处东南侧、北侧不规则山体表面辐射增温随时间变化不均匀，致使各个山坡面、山顶、山谷底部出现较大的温度变化率和气压梯度.具体表现为上游河谷在下午5点以后阳光仍然可以直射，而此时在桥位处已经不能被阳光照射.实测表明，桥位处同一时刻的温度比上游河谷低3～5℃.桥位下游5 km处为泸定县城，县城内水泥路面、建筑物等较多，在整个白天的日照过程中吸收的热能也较多，并且混凝土散热较慢，使得泸定县城出现一定的热岛效应，导致桥位处同一时刻的温度也比下游河谷低2～4℃.在该热力温差的驱动下，河谷这种非均匀下垫面的热力、动力共同作用导致山谷内形成不稳定的扰动气流，从而形成以天为周期的大风.

图8为同一时刻上游河谷测点N1和下游河谷测点S1的照片，可见，上、下游河谷阳光照射情况差别明显.

图8 同一时刻（17：00）不同测点日照情况Fig.8 Sunlight at different points at 5：00 p.m.

2.4 综合分析

通过观察和分析发现，与常规的季风或强对流天气出现的大风不同，桥位处每天下午出现的日常大风是由于局部温差、局部地形和日照不均匀共同作用形成的局部小尺度大风，不平衡热力作用对大风的产生及其强弱起控制作用.已有的现场观测也表明，温度越高、温差越大，风速就越大.没有较强的天气系统影响时，桥位区域早晨、上午及夜间的风速较小.当河谷东岸雪山上来流冷空气足够强时，河谷内会出现以水电站大坝为分界线的反向风.

通过大量实测和现场考察，基本弄清了该桥位处风场流向，见图9.可见，河谷内的大风主要是两岸山坡上的山风和河谷中局部温差形成的风.越接近傍晚，两岸山坡上的来流越强，当东岸山坡上的来流强度超过河谷内本身向上游流动的强度时，就出现以水电站大坝为分界的风向截然相反的情况.此时，在大坝上游侧河谷内的风是河谷风、山坡风和局部地形加速效应的三重叠加，所以在桥位附近区域出现了一个明显的大风区.大坝下游没有明显的河谷加速效应，同时山坡风和河谷风的流动方向相反，河谷中的风速是山坡风与河谷风相互抵消后形成的，故大坝下游侧河谷内的风速明显小于大坝上游侧河谷.

图9 桥址区风场示意Fig.9 Sketch map of wind field on the bridge site

3 结 论

针对大渡河大桥桥址区几乎每天下午出现的大风，通过现场实测，分析了高海拔高温差深切峡谷区日常大风的成因，得到以下结论：

（1）桥址区大风可以分为2类，一类是受大尺度气候环境影响，定义为第Ⅰ类大风；另一类是受小尺度范围内热力驱动而产生的日常大风，并受局部地形及随时间变化的日照的影响，定义为第Ⅱ类大风.

（2）日常大风（第Ⅱ类大风）出现频率较高，基本上每天下午都会出现，特别是在夏季，这类大风每天持续时间约6 h，其10 min平均风速一般在10 m／s左右，对日常行车有一定影响，但不控制大桥的设计基准风速.

（3）每天不同时段太阳对河谷同一位置的日照不同，形成以天为周期的温度波动，此外，同一时刻对不同地点的日照不同，使得河谷内出现较大的局部温差，因此，热力不平衡作用是大桥桥位处日常大风形成的一个重要原因.

（4）由于桥位处地形的特殊性，导致以水电站大坝为分界的风向可能截然相反，此时在大坝上游河谷内的风是河谷风、山坡风和局部地形加速效应的叠加，所以在桥位附近区域出现了一个明显的大风区.大坝下游没有明显的河谷加速效应，山坡风和河谷风的流动方向相反，河谷中的风因山坡风和河谷风相互抵消，所以大坝下游河谷内的风速明显小于大坝上游河谷.

（5）桥址区日常大风的产生机理与常规地形不同，加上局部地形的影响，桥址区日常大风的风特性可能与抗风规范及通常研究的风特性存在显著差异.

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（中、英文编辑：付国彬）

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

国家自然科学基金资助项目（U1334201）；交通运输部建设科技计划项目（2014318800240）

李永乐（1972－），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为大跨度桥梁风致振动及车桥耦合振动，电话：028-87601119，E-mail：lele＠swjtu.edu.cn

李永乐，张明金，徐昕宇，等.高海拔高温差深切峡谷桥址区日常大风成因［J］.西南交通大学学报，2014，49（6）：935-941.