新疆铁路沿线前百公里风区大风特征统计分析

潘新民，彭艳梅，屈 梅，张新军，黄秉光，殷庭炜

（1.新疆气象服务中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.巴州气象局，新疆 库尔勒841000）

大风影响新疆铁路运输生产和行车安全的主要气象灾害之一。新疆铁路途经多个风区，大风频繁、风力强劲，其中以“百里风区”和“三十里”的风速最大，瞬时风速可达60 m/s，是世界铁路风速最高、受风沙影响最严重的地区之一，曾发生过30 多起因强风沙引起的铁路运输事故。此外，因大风引起的晚点、停运也给铁路运输组织秩序造成很大影响。

前百公里风区是指新疆铁路南疆线从吐鲁番西站开始西至鱼儿沟站约113 km 里程的风区段（图1），与兰新线百里风区里程相当，位于兰新线百里风区的西侧天气上游，且起风早于百里风区，故将此风区命名为前百公里风区。2014 年年底新疆铁路南疆线改线并途经前百公里风区，是发往库尔勒方向的南疆之星铁路运行线路，也是乌鲁木齐至库尔勒、喀什方向高铁规划运行的途经线路，将成为内地通往喀什边境方向的重要通道。

多年来，国内外对大风研究较多，尤其是三十里和百里风区的研究[1-15]，例如：李红军等对新疆“百里、三十里风区”铁路沿线的风速设计进行了研究[5]；唐士晟等对新疆铁路百里风区大风特征做了统计分析[6]。但对前百公里风区段的研究还是空白。高速铁路方面：在大风监测、雨量监测、安全技术标准参数和安全预警探讨方面，国内一些专家做了研究[16]，得出了风对高速列车安全运行的影响，提出了风的分类、高铁运行的安全阀值；马淑红等以京津城际铁路沿线的12 个风监测站为基础，进行了大风天气条件下F-CRH3 动车组行车安全技术标准参数和沿线大风报警系统分析[17-18]。

前百公里风区多位于山区，周边只有吐鲁番、托克逊等个别平原地区国家气象站，通过结合乌鲁木齐铁路局和新疆气象局联合建立的铁路沿线气象观测资料，用统计学方法和对比分析法对前百公里风区的大风特征进行研究，弥补了前百公里风区气象资料库的空白，为强风区大风精细化预报研究提供依据，同时为南疆铁路的安全运营和调度提供科学依据和基础气象服务保障。

1 资料和方法

采用新疆铁路沿线前百公里风区17 个大风监测站2015 年1 月1 日—2017 年12 月31 日逐小时风速、风向资料，以及同时段百里风区代表站十三间房气象站的风速资料。

文中用统计学方法分析前百公里风区风速的季节变化、月变化、日变化、极值、大风起始时间对比研究，并对大风条件下风的主导风向进行了分析。

2 前百公里风区特征分析

2.1 区域站点分布

按照铁路行车区域，将南疆线前百公里风区由东向西分为3 段共17 个站点（表1）。

17 个铁路大风监测站点位置分布见图1，南疆线前百公里风区铁路线呈东北—西南走向。

2.2 平均强度分布特征

2.2.1 平均风速季节变化

17 个站风速季节变化规律一致，平均风速强度春夏秋三季大、冬季小，以夏季最大，按照夏季>春季>秋季>冬季顺序排列（图2）。其中，三个泉特大桥各季风速均最大，其夏季风速为18.4 m/s，其次春季为17.5 m/s，冬季风速最小，其值也到达了7.6 m/s。鱼儿沟各季风速均是最小，其夏季风速为7.0 m/s，其次春季为6.2 m/s，冬季风速最小，仅为2.4 m/s。

图2 2015—2017 年前百公里风区17 个站平均风速季节变化

2.2.2 平均风速月变化

17 个站风速月变化趋势基本一致，具有明显的规律（图3）。除三个泉特大桥、珍珠泉东、白杨河气象站月均风速在8 月达到最大值，其余14 个气象站均是在5 月达到月均风速的最大值；17 个气象站月均风速最小值都在1 月出现。与平均风速的季节分布相同，三个泉特大桥月平均风速也是最大，且高出次大平均风速13%~24%。三个泉特大桥4—8 月平均风速均大于18.0 m/s，其中8 月最大，为18.8 m/s。其次是珍珠泉东站，除1 月、2 月平均风速不是次大风速，3—12 月平均风速均仅次于三个泉特大桥，5—8 月平均风速均大于15 m/s，其最大月8 月平均风速为16.5 m/s。

图3 2015—2017 年前百公里风区17 个站平均风速月变化

2.2.3 平均风速日变化

17 个站中头道河特大桥、铁泉特大桥、三个泉特大桥、珍珠泉东、珍珠泉西、白杨河6 个站风速明显大于其余站点，尤其是三个泉特大桥，风速日变化在11.9～16.4 m/s 之间。这6 站风速日变化一致，呈单峰变化，在11：00—15：00 达到一天中的最小值，在23：00—次日3：00 左右达到一天的最大值。其余各站除鱼儿沟外，风速日变化呈不明显的双峰变化。在0：00 左右达到最大值，17：00 左右达到次大值，10：00左右达到最小值。鱼儿沟站除11：00—15：00 外，其余各时次均是17 个站点中的最小值，其日变化也是单峰变化，但与头道河特大桥—白杨河不同，其最大值出现在15：00—16：00，为6.0 m/s，最小值出现在9：00，为4.0 m/s。

综合风速日变化、年变化和季节变化来看，前百公里风区整个行车区间呈现为K13～K47（头道河特大桥—白杨河）区间风速明显大于其他区间；行车区间两头K0+000（吐鲁番西）、K113+590（鱼儿沟）风速较小。

图4 为月平均风速最大月（5 月）和最小月（1月）17 个站的日变化，可以看出：17 个站平均风速最大月（5 月）日平均呈单峰变化，在上午8：00—12：00达到一天中的最小值，在深夜23：00 到凌晨4：00 左右达到一天的最大值。17 个站平均风速最小月（1月）日平均呈双峰变化，在10：00—12：00 和19：00—20：00 两次出现最小值， 在22：00—次日3：00 和15：00—16：00 两次达到一天的最大值。最大月（5 月）日均风速比最小月（1 月）日均风速平均偏大10.8 m/s。

2.3 瞬间极大风速分布特征及对比分析

选取2015—2017 年10 场典型大风天气（表2），来分析前百公里风区瞬间极大风速和起风、止风。

图4 平均风速最大月（5 月）和最小月（1 月）日变化

表2 2015—2017 年10 场大风天气过程

将大风天气过程中风速达到17.1 m/s 时称为大风，其对应的时间即为起风时间；风速开始减小并＜17.1 m/s 时称为止风，其对应时间为止风时间；并将始终维持风速≥17.1 m/s 的时数定义为大风历时。对选择的十场天气过程的起风时间、大风历时、瞬时极大风速进行统计，其中起止风时间以百里风区代表站十三间房是止风时间为基准，即十三间房起止风时间记为0，若起风时间早于十三间房1 h，记为1，晚1 h 则记为-1，止风时间亦如此。

2.3.1 起止风时间及大风历时

前百公里风区中三个泉特大桥、珍珠泉东、珍珠泉西三个站在多数天气过程中起风最早，且早于十三间房气象站。整条线路来看，墩果勒特大桥至托克逊西段起风时间都不同程度地早于十三间房，望步东至鱼儿沟段起风时间不同程度地晚于十三间房。就该10 场天气平均状况来看，东湖沟至小垭起风时间早于十三间房，吐鲁番西和望步东至鱼儿沟起风时间晚于十三间房。三个泉特大桥在前百公里风区中起风最早，早于十三间房4.9 h，其次是珍珠泉东，早于十三间房4.6 h，珍珠泉西和白杨河起风时间较为接近，分别早于十三间房3.5 h、3.3 h。前百公里风区中，望步东起风时间最晚，晚于十三间房5.3 h，其次是鱼儿沟，晚于十三间房3.2 h。总的来看，前百公里风区中除吐鲁番西和望步东至鱼儿沟段，其余路段起风时间都不同程度地早于十三间房（表3）。

表3 前百公里风区各气象站和十三间房站起风时间统计 h

10 场天气过程中除了第3、8、10 场中的三个泉特大桥到白杨河段止风时间晚于十三间房外，其余各场天气中的各站点止风时间均早于十三间房。前百公里风区各站点止风时间都早于十三间房，其中望步东止风最早，早于十三间房21.6 h，其次是鱼儿沟，早于十三间房17.5 h；止风最晚的是三个泉特大桥，仅早于十三间房1.2 h（表4）。

表4 前百公里风区各气象站和十三间房站止风时间统计 h

前百公里风区17 个气象站中，大风历时最长的基本上都是三个泉特大桥，其次是珍珠泉东。与十三间房大风历时相比，三个泉特大桥共计有8 场天气大风历时大于十三间房，珍珠泉东和珍珠泉西均有6 场天气大风历时大于十三间房，其余各站大风历时多数情况下均小于十三间房。统计10 场天气发生时间发现，前百公里风区三个泉特大桥至白杨河段大风历时大于十三间房，其余各段大风历时基本上都小于十三间房（表5）。

2.3.2 瞬间极大风速

从10 场天气的瞬间极大风速统计来看，三个泉特大桥有8 场天气在前百公里风区中达到极大风速，且都大于十三间房；第4 场天气瞬间极大风速出现在铁泉特大桥，第10 场天气瞬间极大风速出现在红山渠东，同样都大于同期的十三间房瞬间极大风速。前百公里风区中，瞬间极大风速的最小值主要出现在吐鲁番西和小垭至鱼儿沟段（表6）。

综上，前百公里风区的17 个站10 场大风天气过程统计显示，铁泉特大桥至白杨河段起风时间早，止风时间晚，大风历时长，瞬间极大风速大，尤其是三个泉特大桥，大风历时长，极大风速大；吐鲁番西和小垭至鱼儿沟段起风时间相对较晚，止风时间也早，大风历时相对较小，瞬间极大风速也相对较小。

表5 前百公里风区各气象站和十三间房站大风历时统计 h

表6 前百公里风区各气象站和十三间房站瞬间极大风速 m/s

2.4 风向基本特征

在大风条件下（风速大于17.1 m/s），前百公里风区的17 个站风向均在NW（西北风）到N（北风）之间出现的频率最高（图5），主导风向为NNW（西北偏西风），频率为36.2%，其次分别是NW（西北风）、N（北风），频率分别为24.9%、13.0%。

图5 17 个站大风平均风玫瑰图

前百公里风区大风情况下主导风向较为稳定，以西北至北为主，这也和冷空气的入侵路径较符合。同时，前百公里风区铁路沿线呈东北—西南走向，这样正好与大风的主导风向相正交，直接形成横风，加上前百公里风区风力强劲，对列车运行可产生较大的危害。

3 结论

分析表明，南疆线前百公里风区是新疆除百里风区和三十风区外又一强风区，前百公里风区风速强劲、持续时间长、季节变化明显、影响范围广，对交通运行可形成较大危害。

（1）前百公里风区平均风速季节变化规律为：平均风速强度春夏秋三季大、冬季小，以夏季最大，按照夏季＞春季＞秋季＞冬季顺序排列。其中，三个泉特大桥各季风速均最大，其夏季风速为18.4 m/s，其次春季为17.5 m/s，冬季风速最小，达7.6 m/s。鱼儿沟各季风速均最小，其夏季风速为7.0 m/s，其春季为6.2 m/s，冬季风速最小，仅为2.4 m/s。

前百公里风区平均风速月变化趋势为：5 月达到月均风速的最大值；1 月为最小值。其中，三个泉特大桥4—8 月平均风速均大于18.0 m/s，其中8 月最大，为18.8 m/s。其次是珍珠泉东站，除1 月、2 月平均风速不是次大风速，3—12 月平均风速均仅次于三个泉特大桥，5—8 月平均风速均大于15 m/s，其最大月8 月平均风速为16.5 m/s。

（2）前百公里风区平均风速日变化特征：17 个站中头道河特大桥、铁泉特大桥、三个泉特大桥、珍珠泉东、珍珠泉西、白杨河6 个站风速明显大于其余站点，尤其是三个泉特大桥，风速日变化在11.9～16.4 m/s。这6 站风速日变化一致，呈单峰变化，在11：00—15：00 达到一天中的最小值，在23：00—次日3：00 左右达到最大值。其余各站除鱼儿沟外，风速日变化呈不明显的双峰型变化。在0：00 左右达到最大值，17：00 左右达到次大值，10：00 左右达到最小值。

（4）极大风速则显示铁泉特大桥至白杨河段起风时间早，止风时间晚，大风历时长，瞬间极大风速大，尤其是三个泉特大桥，大风历时长，极大风速大，三个泉特大桥在前百公里风区中起风最早，早于十三间房4.9 h，其次是珍珠泉东，早于十三间房4.6 h；吐鲁番西和小垭至鱼儿沟段起风时间相对较晚，止风时间也早，大风历时相对较小，瞬间极大风速也相对较小。前百公里风区各站点止风时间都早于十三间房，其中望步东止风最早，早于十三间房21.6 h，其次是鱼儿沟，早于十三间房17.5 h；止风最晚的是三个泉特大桥，仅早于十三间房1.2 h。

（5）前百公里风区代表站三个泉大桥瞬间极大风速比百里风区代表站十三间房平均大12.2 m/s。在大风条件下（风速≥17.1 m/s），前百公里风区的17 个站风向均在NW（西北风）到N（北风）之间出现的频率最高，主导风向为NNW（西北偏西风），频率为36.2%，其次分别是NW（西北风）、N（北风），频率分别为24.9%、13.0%。风区中铁路沿线呈东北—西南走向，正好与大风的主导风向相正交，形成横风，对列车运行可产生较大的危害。