格库铁路青海段沿线大风特征统计分析

郑玲，孙芙荣，雷春苗，达海钰，李宝华

(青海省气象服务中心，青海 西宁 810001)

引言

随着国民经济的发展，全国交通网络发展迅速，尤其是近年来铁路运输网的建设，使我国已经跃升为高速铁路第一大国，到2020年底我国的铁路总营业里程已达14.5万km，其中三分之二位于山区。近年来，随着全球气候变暖，极端天气气候事件频繁发生，如持续低温、暴雨、暴雪、雷电、大风等高影响天气给铁路运输造成了极大影响。我国地域辽阔，自然地理情况复杂，气象灾害种类多种多样，是世界上气象灾害较严重的国家之一，铁路沿线涉及的地理环境差异更大，气候类型众多，因高影响天气导致的铁路安全运行问题将更加突出。铁路高影响天气的形成和发生与其自身及铁路地理位置密切相关[1～3]。据统计，每年因为天气原因造成的列车晚点、停运的事件有100多起。近些年来，因气象灾害导致的铁路重大重特大事件的频率越来越高，2007年2月28日，58074列车在吐鲁番境内遭遇大风沙尘袭击，最大瞬间风力达到了49.1m/s，造成11节车厢被吹翻，其中3人死亡、34人受伤。

大风是对高速铁路运行影响最为严重的天气之一，也是铁路部门重点防范的气象灾害，大风可造成列车动力系统和信号系统故障，严重时可造成列车倾覆。高速铁路的安全很大程度上受到大风影响，这是由于高铁输电线路在很大程度上会受到大风产生的摇摆和震动的影响。由于高速运行的列车车体与轨道之间的摩擦力较小，当列车走向与风向夹角垂直的时候，高速列车将会受到横向风的影响，此时列车的安全运行将会受到威胁。国内已有不少研究人员在气象条件、气象灾害对铁路的影响方面进行了相关研究。崔新强[4]等通过对我国1950～2015年期间铁路沿线气象灾害及其衍生灾害分析，发现大风、降雪、雷电、强降雨及其引发的地质灾害是影响我国铁路运行的主要灾害。王志[5]等对2001～2010年全国760站极大风速资料进行统计，利用GIS和自然灾害风险指数，结合人口、经济等要素，计算得到高速铁路大风风险指数，并绘制区划图。姜萍[6]等对兰新铁路新疆段内两个最强风区带—百里风区和前百里风区的大风特征进行统计和对比分析。潘新民[7]等分析了南疆线前百公里风区的大风时空分布特征，并与著名的百里风区代表站十三间房气象站进行对比分析。因此，做好高速铁路沿线气象条件的分析以及气象要素的探测，为铁路交通的建设及安全运营提供精准服务，具有极为重要的意义。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

格尔木—库尔勒铁路(简称格库铁路)是连接青海省海西蒙古族藏族自治州格尔木市和新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州首府库尔勒市的国铁Ⅰ级客货共线电气化铁路，是中国西北路网骨架的重要组成部分，对促进沿线地区资源开发和脱贫致富、推动青海新疆两省区经贸交流、加强民族地区团结、服务“一带一路”倡议等均具有重要意义。格库铁路线路东自青海省格尔木、格尔木南站客货分线引出，沿昆仑山北麓、柴达木盆地南缘西行，与集安—阿巴嘎旗公路(国道303线)、西宁—吐尔尕特公路(国道315线)伴行，经乌图美仁、甘森、花土沟至茫崖石棉矿，进入新疆境内从巴什考垭供口穿越阿尔金山，再经米兰、若羌、尉犁后，西抵终点站库尔勒市，正线全长1 213.7km，其中青海境内505.6km，新疆境内708.1km，设计速度120km/h，并于2020年12月9日全线贯通运营。格库铁路青海段沿线所在区域隶属青藏高原柴达木盆地，平均海拔在3000m左右，属于典型的高原大陆型干旱性气候，降水少、蒸发量大，且地下水位深，植被稀少，加之风沙地貌类型复杂多样，在大风作用下，极易形成风沙流，对铁路(路基、桥梁和涵洞等)产生极大的破坏作用[8]。同时由于沿线气象观测站点稀疏、天气气候局地性强，沿线的大风、沙尘天气对铁路的安全运行和维护保障影响较大。因此开展格库铁路沿线大风天气的监测、预报工作意义重大，可为格库铁路沿线防风天气、火车安全运营提供科学依据。

1.2 数据来源

由于格库铁路青海段沿线各站估测资料时间序列不同，本着既考虑资料的均一性和序列长度，又尽可能反映格库铁路青海段沿线大风天气变化事实的原则，本文选取格库铁路青海段沿线茫崖、格尔木、小灶火3个气象站1981～2020年，胡杨林、大乌斯、甘森站点2016～2020年逐月平均风速、大风日数、最大风向风速、极大风向风速等资料(图1)。季节划分为春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12月至翌年2月)。

图1 格库铁路沿线及周边气象观测站点分布

1.3 研究方法

运用统计学分析、线性趋势分析对大风天气进行分级统计分析，研究格库铁路沿线大风天气的时间空间分布特征。

2 结果分析

2.1 平均风速

2.1.1平均风速特征分析

对格库铁路沿线茫崖、格尔木、小灶火3个气象站1981～2020年，胡杨林、大乌斯、甘森站点2016～2020年各月平均风速(图2(a))进行统计分析发现，小灶火年平均风速最大，为3.5m·s-1，其中，5月平均风速最大，达4.4 m·s-1，12月最小，为2.7 m·s-1。甘森年平均风速次之，为3.4m·s-1，其中，5月平均风速最大，达4.4 m·s-1，12月最小，为2.3m·s-1。大乌斯年平均风速为3.3m·s-1，其中，4月和5月平均风速最大，为4.1 m·s-1，12月最小，为2.3m·s-1。胡杨林年平均风速为3.0m·s-1，其中，5月平均风速最大，为3.8m·s-1，12月最小，为2.3m·s-1。茫崖年平均风速为2.8m·s-1，其中，4月平均风速最大，为3.6m·s-1，12月最小，为1.7m·s-1。格尔木年平均风速最小，为2.3m·s-1，其中，5月平均风速最大，为3.0m·s-1，11月和12月最小，为1.7m·s-1。各站点年平均风速最大值出现在4月和5月，之后出现明显的减弱，最低值出现在12月。

从季节变化看，小灶火、甘森夏季平均风速最大，均为4.1m·s-1；格尔木、胡杨林春季和夏季平均风速最大，分别为2.7m·s-1、3.4m·s-1；而茫崖、大乌斯春季平均风速最大，分别为3.5m·s-1、4.0m·s-1。6个站点平均风速最小都在冬季(图2(b))。

图2 格库铁路沿线各站月、季平均风速

2.1.2平均风向特征分析

依据16方位风向资料，从2016～2020年格库铁路沿线各站点年平均风向频率分布来看(图3)，格尔木全年平均风向以W为主，占总风向的14.01%，其次为 WNW、WSW、NW、SW、C，出现频率分别为8.41%、5.9%、4.71%、3.09%、3.09%。小灶火全年平均风向以WNW为主，占总风向的11.91%，其次为 W、SW、NW、WSW、NNW，出现频率分别为8.38%、5.95%、5.45%、5.06%、3.4%。茫崖全年平均风向以NE为主，占总风向的6.12%，其次为 ENE、E、ESE、NNE，出现频率分别为5.55%、4.36%、4.14%、4.1%。甘森全年平均风向以NW为主，占总风向的8.67%，其次为 WNW、NNW、W、N，出现频率分别为8.05%、6.06%、6.02%、5.61%。胡杨林全年平均风向以W为主，占总风向的9.34%，其次为 WNW、WSW、SSW、SW，出现频率分别为6.33%、6.14%、4.51%、4.46%。大乌斯全年平均风向以SSE为主，占总风向的6.35%，其次为 WNW、SE、ESE、W，出现频率分别为6.02%、5.36%、4.89%、4.25%。

图3 格库铁路沿线各站2016～2020年平均风向频率玫瑰图

2.2 大风日数特征分析

2016～2020年格库铁路沿线茫崖、格尔木、小灶火大风日数分别为99d、20d、114d。统计各月大风日数出现情况(图4)可以得出：大风主要集中发生的季节各不相同，格尔木主要出现在秋季，大风日数占全年大风总日数的60%，其次是夏季。小灶火主要出现在夏季，大风日数占全年大风总日数的46%，其次是春季。茫崖主要出现在春季，大风日数占全年大风总日数的38%，其次是冬季。

图4 格库铁路沿线各站大风出现日数季节变化

2.3 极大风速特征分析

对格库铁路沿线茫崖、格尔木、小灶火、胡杨林、大乌斯、甘森站点2016～2020年各月平均极大风速(图5(a))进行统计分析发现，大乌斯年平均极大风速最大，为20.0m·s-1，其中，6月平均极大风速最大，达24.9m·s-1，12月最小，为15.5 m·s-1。甘森年平均极大风速次之，为19.2m·s-1，其中，5月和7月平均极大风速最大，达22.6m·s-1，12月最小，为14.3m·s-1。小灶火年平均极大风速为18.5m·s-1，其中，6月平均极大风速最大，为22.4 m·s-1，1月最小，为14.3m·s-1。胡杨林年平均极大风速为17.6m·s-1，其中，5月平均极大风速最大，为22.3m·s-1，11月最小，为13.4m·s-1。茫崖年平均风速为16.8m·s-1，其中，6月和7月平均极大风速最大，为19.8m·s-1，1月最小，为13.3m·s-1。格尔木年平均极大风速最小，为15.1m·s-1，其中，4月平均极大风速最大，为17.9m·s-1，1月最小，为12.2m·s-1。各站点年平均极大风速最大值出现在4～7月，之后出现明显的减弱，最低值出现在11月至翌年1月。

从季节变化看，大乌斯春季平均极大风速最大，为21.7m·s-1；格尔木、小灶火、胡杨林、茫崖、甘森夏季平均极大风速最大，分别为17.2m·s-1、21.5m·s-1、20.0m·s-1、19.4m·s-1、21.8m·s-1。格尔木、胡杨林的平均极大风速最小都出现在秋季，其余站点的平均极大风速最小都出现在冬季(图5(b))。

图5 格库铁路沿线各站月、季平均极大风速

3 结论

(1)格库铁路沿线各站点中，小灶火年平均风速最大，甘森年平均风速次之，格尔木年平均风速最小，各站点年平均风速最大值出现在4月和5月，之后出现明显的减弱，最低值出现在12月；小灶火、甘森夏季平均风速最大，格尔木、胡杨林春季和夏季平均风速最大，而茫崖、大乌斯春季平均风速最大，6个站点平均风速最小都在冬季。

(2)格库铁路沿线各站点年平均风向年频率分布，格尔木、胡杨林全年平均风向以W为主，小灶火全年平均风向以WNW为主，茫崖全年平均风向以NE为主，甘森全年平均风向以NW为主，大乌斯全年平均风向以SSE为主。

(3)大风主要集中发生的季节各不相同，格尔木主要出现在秋季，小灶火主要出现在夏季，茫崖主要出现在春季。

(4)格库铁路沿线各站点年平均极大风速最大值出现在4～7月，之后出现明显的减弱，最低值出现在11月到翌年1月。