京沪高铁沿线江苏段风况研究

李伟，张颖超,2，熊雄，袁诗云，吕于荣，叶星瑜

(1.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044)

京沪高铁是连接华北地区和华东地区的重要连接线，然而，近年来京沪高速铁路大风灾害事故时有发生，例如，2013年7月苏州至无锡东因大风(瞬时风速高达36 m/s)发生故障；2017年4月廊坊至天津段因大风导致接触网悬挂异物；2019年8月9日受台风“利奇马”影响，11日14时前上海至苏州段采取停运和停售措施。铁路沿线在发生风致灾害后，不仅导致当前列车及后续列车停运，而且对其他地区交通运输和经济等方面迅速造成严重影响，因此深入展开对京沪高铁的大风灾害研究，为高铁安全稳定运行、灾后快速应急等提供强有力支撑具有重要作用[1−2]。21世纪以来，国内学者对高铁沿线风致灾害研究十分重视，马韫娟等[3]将我国铁路沿线大风类型主要分为台风大风、寒潮大风和短时雷雨大风。代娟等[4]指出致灾因子危险性、承灾体脆弱性和孕灾环境敏感性等作为评价因子，建立了高铁大风灾害评价模型。我国高速铁路针对风致灾害研究主要集中在西北地区，以青藏铁路和兰新铁路最具有代表性。孟祥连等[5]利用气候分析、天气诊断等方法划分兰新高铁防风工程设计分区。白虎志等[6]研究青藏铁路沿线大风、风向和风压特征，指出青藏铁路沿线大风日数集中在五道梁至安多段，具有中间多、两头少的分布特点。夏祎萌等[7]研究东疆兰新铁路沿线大风特征，给出大风监测、预报和防风的重点区域。蔡迪文等[8]研究青藏铁路格拉段风动力环境特征，指出格拉段铁路沿线冬春季月均风速高，多大风，导致沙尘暴频发。除此之外，孙玫玲等[9]研究津秦高速铁路沿线风况特征，给出在高路堤、桥梁和特殊暴露环境等风灾威胁严重区域布设自动监测仪器建议。本文选取京沪高铁江苏段作为研究对象，利用邻近气象站的瞬时风数据，应用风资源评估软件Meteodyn WT(简称WT)建模计算高铁沿线瞬时风数据，分析其风况特征，并探讨地形环境、高铁沿线走向、气候特征和水系分布等因素对高铁沿线强横风发生的影响。为高铁沿线优化站点布局、挡风墙设置以及风险评估和大风监测预警等提供科学的理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

本文利用国家气象中心提供的1980～2018年地面气象站点数据，提取出京沪高铁沿线江苏段90 km范围内34个站点的日最大风速数据，通过对京沪高铁沿线江苏段年均日最大风速和风速大于等于10.8 m/s的日数进行空间插值分析，如图1，可以发现高铁沿线在大胜关和阳澄湖地区的年均日最大风速和大于等于10.8 m/s的天数均明显较大，因此，针对大胜关和阳澄湖地区高铁沿线风况展开研究具有十分重要意义。

图1 京沪高铁沿线江苏段空间分布图Fig.1 Spatial distribution map of the Jiangsu section along the Beijing-Shanghai high-speed rail

1.2 研究方法

1.2.1 获取研究区域各站点数据

为获得高铁沿线更加精确可靠的瞬时风数据[10]，对研究区域进行站点划分，以1 km为间隔，将大胜关地区高铁沿线划分43个模拟站点，阳澄湖划分23个模拟站点。通过WT模拟高铁沿线风流场，对研究区域进行流体力学计算，得到各研究区段模拟站点2016～2018年的瞬时风数据，其具体步骤如下：

1)风数据及站点位置信息：利用距离大胜关最近的浦口、南京气象站和阳澄湖最近的吴中和昆山气象站2016～2018年5 min瞬时风数据，包括5 min瞬时风速数据和风向，并获取各研究区域内沿线模拟站点的地理位置信息(经纬度坐标)。

2)相关数据文件：准备建模所需的等高线地形图和粗糙度文件。WT建模采用的是欧洲航天局的ESA(2010)300 m分辨率粗糙度，本文研究区域的粗糙度如图2所示。

图2 研究区域大范围粗糙度Fig.2 Large-scale roughness of study area

3)风速计算：通过WT软件输入已准备好的气象站瞬时风数据文件、站点位置信息、等高线地形图和粗糙度文件进行流体力学计算，输出各站点2016～2018年瞬时风数据。

1.2.2 大风标准、横风范围和强横风标准确定

风向与铁路沿线走向的夹角不同，对铁路沿线列车运行产生的影响也不同。马淑红等[11]在研究瞬时风速对高速列车安全运行影响时，提出当大风风向与沿线走向呈75°～95°时，在大风天气条件下，瞬时风速和横风因素合力导致气动力增大，列车脱轨、倾覆的可能性极大增加。由于高铁线路走向不一致，需要确定各站点的横风范围，方法如下：因为风向是以正北方向(0°或360°)为基准，以第1个站点为原点，求出剩余站点与第1个站点的正北方向夹角，将夹角误差10°以内站点归为一个区域，大胜关和阳澄湖分别划分出2个区域，每个区域夹角取范围中值。为充分考虑高铁运行安全，消除误差，故本文将横风范围定义为：风向与高铁沿线走向夹角为70°～95°范围。根据横风范围定义，各区域范围及横风范围见表1。

表1 大胜关和阳澄湖各区域横风范围和大风频数Table 1 Crosswind range and high wind frequency in Dashengguan and Yangcheng Lake regions

根据《地面气象观测规范》规定：当瞬时风速≥17.0 m/s的风记为大风。本文强横风定义：风速满足上述大风条件且风向属于横风范围的风。

1.2.3 风切变指数

在近地层风切变指数变化中，主要受地面粗糙度和大气稳定等因素影响，由于京沪高铁是“八纵八横”高速铁路主通道之一，途径华东和华北地区，不同地区地形环境、粗糙度、植被覆盖率等千差万别，季节和环流趋势差异性显著，因此风切变指数大小也不尽相同。WT模式下风切变指数同风数据一样，均是基于地形和粗糙度数据定向计算，其计算公式为

式中：a为切变指数；v1和v2分别是z1和z2高度处的风速。

2 结果与分析

2.1 大胜关和阳澄湖地区风况特征

2.1.1 平均瞬时风速空间分布特征

图3是利用研究区域邻近气象站2016～2018年瞬时风数据经过WT建模计算绘制得到的3 a平均瞬时风速空间分布图。从图3(a)可以看出大胜关铁路沿线西部地区平均瞬时风速较大，东部次之，中部较小，这是因为西部站点靠近长江，沿江西侧以植被为主，中部是平原，多矮型山体、植被和城市，东部地势相对较高。由于图3是均值化的结果，大于17 m/s风速信息被隐含，高铁沿线在长江段1-5站点是瞬时风速≥17 m/s高频区域，总频数高达14 000余次，约占大胜关地区大风总频数(见表1)的42%，从图3(a)中能够看出该区域平均瞬时风速较大。沿线往中部平均瞬时风速逐渐减小,然而在站点12处平均瞬时风速较大，由于该站点地势低，东西两侧环山，原始环境风速相对较大，处于隧道口，横截面积小，气密性较低，形成的气压差也较强。

从阳澄湖地区高铁沿线南北侧来看，沿线北部东中西毗邻3个大的湖泊，南部是平缓平原，地势西高东低，河道贯穿，因此高铁沿线北部区域平均瞬时风速较大，南部整体平均瞬时风速相对较小。由于西部高铁沿线两侧均有较大湖泊，从图3(b)看出7和8站点处周围平均瞬时风速≥9.5 m/s，是阳澄湖沿线风速较大的地方。

图3 平均瞬时风速空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of average instantaneous wind speed

整体来说，阳澄湖高铁沿线位于大面积湖泊，而大胜关仅西部靠近长江，因此从表1看出，站点相对较少的阳澄湖大风总频数略多于大胜关，整体平均瞬时风速比大胜关大。从局部来讲，在大胜关1～5和12站点处增设测风站点，阳澄湖沿线平均瞬时风速较大，超过70%站点大风频数均超过1 000，需合理布设站点，并着重关注7和8站点风速。

2.1.2 大风日内变化特征

将2016～2018年WT瞬时风速模拟数据分季节处理，按占总频数百分比得到2地区四季大风日变化曲线(见图4)。江苏东部濒临黄海和东海，属于温带向亚热带的过渡性气候，气候温和，白天海洋与陆地的温度相差不多，而夜间陆地散热程度远高于海洋，气温差使得近地面大气层产生密度和气压差，形成的气压梯度使得陆风在夜间最强。由于存在季节性差异，在下半夜不同时刻达到最值，日出之后9～10时温差逐渐减少，大气层结逐渐稳定，大风发生频率呈下降趋势。午后是江苏地区不稳定天气多发时段，常伴有短时强降水、大风等强对流天气产生，因此午后大风天气产生的过程也较多，秋季尤为明显。

图4 大风日内变化特征Fig.4 Intraday variation characteristicsof gale

2.1.3 大风季节分布特征

统计2个地区各月大风日数的平均值时间序列，分析月际和季节变化分布特征。从图5可以看出，冬末至春季是2个地区大风高发的季节，大风日数变化较为一致，均从2月至5月小幅减少，并且可以看出大胜关在冬末至春季大风平均天数略多于阳澄湖。初夏是2地区全年大风日数最少的时节，而夏末至秋初是大风频发季节，特别是7月和8月，是一年中大风日数出现较多的月份。本文所研究的2016～2018年间，每年7月和8月是江苏省间接或直接受强热带气旋影响较多的月份。总体来说，由于江淮气旋和强对流不稳定天气多出现在春夏季，导致2个地区在春夏2季遭受大风危害最大，发生频率最高。

图5 大胜关和阳澄湖大风日数柱状图Fig.5 Histogram of gale days at Dashengguan pass and Yangcheng Lake

2.2 区域强横风时空分布特征

由前述分析大胜关和阳澄湖风况特征可知，2个地区经过桥梁、隧道、大面积湖泊等特殊环境区域，并且沿线走向的不一致和各站点所处地理位置差异性，导致强横风产生的气动载荷对列车安全运行影响更加突出，因此，下文重点探讨分析2地区强横风时空分布特征。

2.2.1 区域强横风时间变化特征

从图6各区域强横风时间变化特征看出，大胜关区域Ⅰ在下半夜3～4时达到一天中峰值后呈下降趋势，而阳澄湖区域Ⅰ日变化波动相比大胜关十分显著，上午8时谷值之后快速上升，正午12时达到一天变化的峰值，其余时间段波动以振荡形式表现。

图6 强横风日变化特征Fig.6 Diurnal variation of strong cross wind

2地区在沿线区域Ⅱ上受强横风影响比区域Ⅰ要小，阳澄湖区域Ⅱ在上半夜至下半夜强横风幅度有一定增强且峰值出现在日出时，而大胜关区域Ⅱ在此期间几乎不受强横风影响，并且仅在正午时受强横风影响比较突出。由于京沪高铁下半夜0～6时属于停运检修阶段，因此大胜关地区应注意防范日出至正午运行受强横风的影响，阳澄湖则需重点关注区域Ⅰ沿线运行。

2.2.2 区域强横风季节变化特征

通过分析大胜关和阳澄湖地区大风总样本的风速风向玫瑰图(图7～8)可知，大胜关大风盛行风向为西西北和西北风，阳澄湖地区盛行风向为西西北风和西风。春季是冬夏过渡性季节，仍受冬季大气环流的影响，低压气团向我国东部移动，蒙古冷空气同时南下导致气压梯度的产生，导致春季是京沪高铁沿线江苏段大风天气多发季节。2地区在春季大风盛行风向发生明显变化，大胜关和阳澄湖主风向西西北风分别减少约15%，30%，偏东北风分别增加约20%，15%。从表1知大胜关和阳澄湖沿线区域Ⅰ大致走向为东南−西北，正是由于冬季向春季转变过程中偏北−东北风的逐渐增加，且与2地区沿线区域Ⅰ走向呈直角，因此强横风在冬春季发生频率较高，大胜关尤为明显，约为40.7%(见表2)。

表2 大胜关和阳澄湖各区域四季强横风频率Table 2 Frequency of strong cross winds in each region of Dashengguan and Yangcheng Lake in four seasons %

如图7(b)和图8(b)所示，夏季地面大风风力较强，受欧亚大陆低压区影响较多，易发强对流等天气，大胜关大风盛行方向为东东北-北风，夏季是区域Ⅰ强横风多发季节，约19%。而阳澄湖地区大风盛行方向为东南风，与区域Ⅰ和区域Ⅱ沿线走向夹角均较小，因此夏季是阳澄湖沿线受强横风影响最少的季节。秋季是江苏省夏季风环流向冬季风环流转变的过程，2地区大风盛行风向均为偏北风，也是阳澄湖地区全年发生强横风频率最高的季节，区域Ⅰ和Ⅱ强横风总频率约为37.2%。

图7 大胜关各季节大风盛行风向Fig.7 Prevailing wind direction in each season of Dashengguan

图8 阳澄湖各季节大风盛行风向Fig.8 Strong wind prevails in every season in Yangcheng Lake

2.2.3 区域强横风空间分布特征

从图9看出2地区高铁沿线北侧比南侧易受强横风的影响，大胜关区域Ⅰ沿线南北侧强横风发生频率远高于区域Ⅱ，与前文分析结果一致。大胜关区域Ⅰ中站点1～5受强横风影响最为显著，自长江向陆地频率逐渐减少，而区域Ⅱ沿线站点13～17和32～36地势低，南北侧连绵低矮山体，对气流运行有明显的削弱和阻碍作用，因此强横风几乎没有，其余站点地势相对平坦，受地形因素影响较小，有较少的强横风发生频率。

图9 强横风空间分布图Fig.9 Spatial distribution map of strong cross wind

阳澄湖地区沿线北侧东中西湖泊，有较强的局地环流，易发生强横风，站点9～10和13～15所处陆地，受地形影响明显，导致出现3个峰值，且沿线站点18之后处于城市密集区域，强横风逐渐减少。因此，大胜关沿江站点1～5南北侧和阳澄湖全线北侧须挡风墙设置，为充分考虑高铁沿线运行安全，建议在大胜关地区除站点13～17和32～36处北侧设置挡风墙。

2.3 京沪沿线风切变指数空间分布特征

已有研究表明，风切变明显变化受大气层稳定性、下垫面粗糙度和热容性、风速大小等方面影响，常伴随雷暴、台风、寒潮等大风天气过程[12]，因此本文利用WT换算不同高度风速数据模拟出如图10大胜关和阳澄湖风切变指数空间分布特征。

图10 风切变指数空间分布图Fig.10 Spatial distribution map of wind shear index

高铁沿线风切变指数在江流、湖泊、平原城市和山地等分布具有明显的特征，沿江湖泊地区风切变指数较小，在0.05～0.1之间，根据前文分析，风速较大且均大于5 m/s，亦是强横风发生频率较高的地方。平原陆地切变指数居中，山地切变指数相对较大，能够达到0.5以上，而高铁线在山地、平原陆地风速明显较小，集中在3～5 m/s，强横风较少。一方面，因为山地、植被覆盖、城市等此类地区粗糙，对近地层风速摩擦和摇拽扰动较大，另一方面，江流、湖泊与陆地热容性差异明显，陆地比热容小，受气温影响较大，无论在升温或者降温阶段，江流湖泊的切变指数较小，风速大，而在山地、城市、植被覆盖地区切变指数较大，风速小。切变指数大小反映出高铁沿线易受大风和强横风影响的区域，其指数越小的区域应重点防范高铁列车的运行安全。

3 结论

1)因季节差异，2地区在下半夜不同时刻大风发生频率达到峰值，并且午后大风波动显著，秋季尤为明显。

2)受气候和地理环境等影响，春季、秋季分别是大胜关和阳澄湖强横风高发季节，其中大胜关沿线在日出至正午时段易受强横风的影响，阳澄湖则需重点关注区域Ⅰ沿线运行。

3)根据平均瞬时风速和强横风空间分布特征分析，大胜关沿线在站点1～5和12处需增设监测站点，并在站点1～5南北侧设置挡风墙，除站点13～17和32～36之外北侧亦需挡风墙。阳澄湖沿线合理布设站点，并在北侧需设置挡风墙。

4)风切变指数较好的说明平原城市、山地等粗糙地区切变指数大，风速偏小，集中在3～5 m/s，因此受强横风影响较小，而沿江、湖泊等地区风切变指数小，风速大，高铁沿线易受强横风影响。