青藏铁路北麓河段风况特征分析

柯裕州，姜鑫贵，王丽娜，杨梅香,徐赟

(1.西藏自治区林木科学研究院，西藏 拉萨 850000；2.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.北京林业大学，水土保持学院，水土保持国家林业局重点实验室，北京 100083；4.北京林业大学，云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站，北京 100083)

青藏铁路格拉段长1 142 km，大部分地段位于荒漠区或戈壁区，导致铁路安全运营受到严峻的风沙威胁[1～3]。沙害路段共长269.68 km，其中包括轻度沙害路段209.51 km、中度沙害路段49.83 km、严重沙害路段10.34 km，轻度沙害路段主要集中在格尔木-西大滩、五道梁等段，中度和重度沙害路段主要集中在红梁河、秀水河-北麓河、沱沱河、通天河、措那湖一带[4]。低温、多风、强辐射、土壤贫瘠的高寒脆弱生态系统使得生物治沙措施难以实施[5～7]，机械措施的防护效益也随着拦沙设施拦截的沙物质增多而降低[8]，甚至丧失防沙功能，经常需要人工清理，增加了铁路维修管护成本[9]。青藏铁路北麓河段地处多年冻土区，平均海拔达 4 600 m，实地勘察发现，迎风侧前几排沙障基本被埋没，尤其在南岸离铁路约50 m处高达2 m的拦沙墙已被掩埋，成为铁路安全运营的隐患。风是铁路沙害的最主要的趋动力，其携沙能力随风速增大而增强，受阻后在铁路两旁堆积的沙物质相应增多。路基积沙致使道轨不平整，极有可能发生列车侧滑和脱轨等问题[11][12]。研究表明，北麓段属于高风能环境，冬春季节风向变化相对单一、风力较大，夏季和秋季方向变化较大、风力较小。目前青藏铁路治沙缺乏适合的植物措施，多以机械沙障布设为主。在长时间尺度上分析北麓河段风况，可为机械沙障防护的规划设计和长期布局以及青藏铁路的防沙治沙工作提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

研究所采用的数据来源于离青藏铁路北麓河段50 km远的五道梁气象站和利用美国气象数据中心(national climatic data center,NCDC)建立的全球地面小时数据库(Global Integrated Surface Hourly Data,GISHD)。本研究选用1973—2015年(43 a)的时间序列，分析数据包括每日风速、风向、能见度及空气相对湿度。风向数据使用0°～360°顺时针方位角表示。

1.2 计算方法

1.2.1 风气象统计

我国气象观测业务中规定，瞬间风速达到或超过17 m·s-1的风称为大风，某一日中有大风出现，便将该日计入大风日数[13]。沙尘暴是指强风从地面卷起大量沙尘，使水平能见度小于1 km，具有突发性和持续时间较短特点的概率小危害大的灾害性天气现象。研究表明出现沙尘暴的天数可以表征区域风沙活动的强度[14]。本研究将风速>17 m·s-1的、能见度>1 km、空气相对湿度<90的天气进行统计，并将其算入大风日数和沙尘暴发生日数中。

1.2.2 起沙风风况特征统计

依据已有的相关研究，将10m高处的沙粒启动风速取为6 m·s-1。首先统计年平均风速，再对原始数据中≥6 m·s-1起沙风、最大风速以及起沙风出现频率进行统计，进而分析起沙风的季节变化。将风向观测中的方位角按划分为N(0°)、NNE(22.5°)、NE(45°)、ENE(67.5°)、E(90°)、ESE(112.5°)、SE(135°)、SSE(157.5°)、S(180°)、SSW(202.5°)、SW(225°)、WSW(247.5°)、W(270°)、WNW(292.5°)、 NW(315°)、NNW(337.5°)16个方位。并统计≥6 m·s-1的起沙风在16个方位出现的频率，对每月不同方向上的起沙风进行分析。

1.2.3 合成输沙势计算

输沙势(drift potential,DP)即输沙风能，数值以矢量单位(vector unit,VU) 表示，16 个方位上的合成方向为合成输沙方向( resultant drift direction,RDD) 和合成输沙势(Resultant drift potential,RDP)。对研究区1973—2015年输沙势计算采用Fryberger 方程[15]：

Q∝V2(V-Vt)×t

(1)

式中：Q——输沙势；

V——10 m高度的风速；

Vt——临界起沙风速，其值为6.0 m·s-1；

t——刮风时间(次数)。

注：计算时，将风速速度单位m·s-1均转换为节(knot·h-1)；各方向输沙势:相加为总输沙势(DP)，矢量相加为合成输沙势(RDP)，RDP/DP表示风向变率指数，用来表示风向的变化程度[16～18]。

2 结果与分析

2.1 风况指标年际变化

统计可知，1973—2015年间年均大风日数为17 d，大风日数最多在1975年，1年内共出现41 d；起沙风频率高于25%，平均发生频率为35.89%；最大频率、最大年平均风速出现在1975年，多年平均风速为5.15 m·s-1；平均年沙尘暴日数为15 d，1984年频率最高(44 d)。2010—2015年间，年均大风日降为9.5 d，起沙风平均发生频率为31.01%，平均沙尘暴日数约为8 d，多年平均风速为4.66 m·s-1。总体来看，43 a间，年大风日数、年沙尘暴日数、沙风频率及年平均风速呈下降趋势(见图1)。2000年前各指标变化幅度较大，之后下降趋势逐渐减弱，由此说明近年来风力减弱趋势趋于平缓；沙尘暴日数与其它3个指标的相关系数均<0.7，与大风日数的相关性仅为0.68，起沙风频与大风日数及平均风速的相关系数>0.85，表明沙尘暴的发生除风力主要影响因子外，还受其它因素的较大影响。

图1 风况各指标年际变化特征Fig.1 Interannual variation of indicators

2.2 风向变化

统计结果显示， W和WNW方向的起沙风出现频率最高，多年平均频率分别为36.03%、18.61%，WSW、NW和NNE方向分别为8.61%、5.05%和5.30%，其余风向出现的频率在1%～5%的范围内；SE、SSE方向最小分别为0.51%和0.58%。W、WNW方向出现频率之和为54.65%，2002年达到66.22%。从图2可知，除1987—1989年外，W风向出现的频率大，1998—2009年平均高出27.84%；1973—1997年及2009年后两者出现的频率相差不大，W与WNW风向出现频率的方差为0.073和0.064，出现频率随时间变化未产生较大波动。说明起沙风W、WNW应该是北麓河地区的第一、第二主导方向且在的40多年间一直保持比较稳定的状态。

图2 主要风向起沙风频率年际变化Fig.2 Interannual variation of sand frequency in main Wind Directions

2.3 输沙势的年际变化

1973—2015年总输沙势呈下降趋势，平均值为1195.73 VU，最大值出现在1975年(图3)。1985—1997年前波动明显且降幅较大，1997年后相对稳定，并在2007年后呈上升趋势。2015年的总输沙势为904.54 VU，与1975年最大值相比下降了1.6倍。期间最小年总输沙势出现在1997年，总输沙势为323.70 VU。据Fryberger对区域风能的分类，除1997年外，北麓河地段均属高风能环境。输沙变率指数(RDP/DP)是反映风场方向的重要指标，比率与复合风况有关[15]。中比率与钝双峰风况或锐双峰风况有关，而大比率主要与单峰风况有关[19]，由图3可知，1983和1997年风向变率为中比率，钝双峰风况外，其余均为大比率，单峰风况。

2.3.1 不同方向输沙势的年际变化

圆的半径越大，代表输沙势越大(见图4)，输沙势最大的方向为W方向，其次为WNW与WSW，其余方向的输沙势都相对较小，与各风向每年出现的频率规律一致。W、WNW、WSW方向输沙势的多年平均值125.93 VU，3个方向的输沙势都随年份增加而减小，其中W方向减小幅度最为明显，其次为WNW和WSW方向，这三个方向的输沙势之和基本代表了该年的总输沙势， 1973—2015年W方向的输沙势与年总输沙势的相关系数为0.80，WNW为0.74。随着时间后推三者的输沙势逐渐减少也决定了年总输沙势的减少。

图3 输沙势的年际变化Fig.3 Interannual variation of sand drift potential

图4 不同方向输沙势的年际变化Fig.4 Interannual variation of the sand drift potential in different directions

2.3.2 月合成输沙势的变化规律

合成输沙势较大的月份，主要是在1月—3月(春季)及11月—12月(冬季)，以W风为主，偶尔会出现WNW风；其次为4月，以WNW方向为主。整体上来看，10月的合成输沙势略小于4月，方向仍以W风为主；5月—9月的合成输沙势最小，无明显方向规律。输沙势减少幅度较大的月份，主要集中在输沙势较大的月份上，说明合成输沙势的减少与11月至来年3月输沙势的减少密不可分。

图5 不同月份不同方向的输沙势变化Fig.5 The variation of the sand drift potential in different directions in different months

3 讨论

从风速、大风日数和输沙势等指标看，1973—2015年间风力呈减小趋势，与Robert Vautard[20]提出的北半球最近30a风速减慢的结果一致。风速下降主要影响因素一方面是气候变化，影响了气流的传统活动模式；另一方面，森林覆盖面积增加使得地球表面粗糙度增加，对风的阻力增加。温度上升及地面粗糙度增加致使青藏高原风速降低。北麓河段的风有明显的季节性，冬春季主要受西风气流影响，夏季随着西风带气流退到青藏高原以北，高原东西两侧各有半个大型反气旋环流(西太平洋副热带高压西伸脊和伊朗高压东伸脊)，高原主体正好位于副热带高压的断裂带中，所以4月份(春季)以WNW为主风方，而5月～9月(夏、秋季)西风带气流作用持续减弱，此时主风方向并在年际上并未无明显变化规律。

随着时间推移，北麓河的风况整体上处于减弱的状态， 2000年以前风沙天气出现频率较高，2000年后风沙天气出现下降趋于平稳；2006年北麓河风况并未出现较大变化，而铁路沙害却日趋严重，因此沙害治理不能只依靠于风速减弱。根据IPCC(2014)报告，全球区域温度几十年来处于上升过程，预测21世纪全球平均气温上升速率达0.3 ℃·10 a-1，高海拔地区增温的幅度可能更大[21]。到2050年，青藏高原年气温将升高2.2 ℃～2.6 ℃[22]。升温可能导致冬春季高原冻土层提前融化，覆盖在土层表面的雪层消失，表层土壤的结构更加松散，极易受风影响而起沙。北麓河风能较大的时间主要集中在冬春季，地表沙物质增加，即使北麓河风力减弱或保持稳定状态，沙害依旧日益严重。温度上升成为了影响高寒沙区铁路沙害的主要气候因子，青藏铁路沿线的沙害防治形式愈发严峻。

目前北麓河的沙害防护主要还以机械措施为主，模式化的铁路沙害防护植被模式还未有。其中机械措施主要以固沙、阻沙为主。阻沙沙障设置方向一般应与主风方向垂直，主要通过改变近地表风沙流流场，形成涡流，降低地表风速和输沙能力，促使风沙流中主要沙粒沉降[23]。目前北麓河段沙障的设置走向与主风方向垂直，但仍有问题存在，南岸的沙障设置范围为东侧70 m，西侧500 m，沙障布设密集，但主要以前三排沙障拦沙为主；而北岸的沙障设置范围相对较小，沿河布置的2m高的拦沙障已全部积满。本研究发现，北麓河段主害风方向包括W和WNW，且以W风为主，南北两岸所受沙害程度晕几乎相近，可适当减少南岸的沙障排数，增加河北岸的沙障数量。此外，可借助设置合适的沙障角度，利用沙障的导沙作用，利用河道的导沙作用，将沙物质导向铁路的另一侧，以减轻河岸沙障的积沙压力。