青藏鐵路北麓河段風(fēng)況特征分析

柯裕州，姜鑫貴，王麗娜，楊梅香,徐赟

(1.西藏自治區(qū)林木科學(xué)研究院，西藏 拉薩 850000；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.北京林業(yè)大學(xué)，水土保持學(xué)院，水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué)，云南建水荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，北京 100083)

青藏鐵路格拉段長1 142 km，大部分地段位于荒漠區(qū)或戈壁區(qū)，導(dǎo)致鐵路安全運(yùn)營受到嚴(yán)峻的風(fēng)沙威脅[1～3]。沙害路段共長269.68 km，其中包括輕度沙害路段209.51 km、中度沙害路段49.83 km、嚴(yán)重沙害路段10.34 km，輕度沙害路段主要集中在格爾木-西大灘、五道梁等段，中度和重度沙害路段主要集中在紅梁河、秀水河-北麓河、沱沱河、通天河、措那湖一帶[4]。低溫、多風(fēng)、強(qiáng)輻射、土壤貧瘠的高寒脆弱生態(tài)系統(tǒng)使得生物治沙措施難以實(shí)施[5～7]，機(jī)械措施的防護(hù)效益也隨著攔沙設(shè)施攔截的沙物質(zhì)增多而降低[8]，甚至喪失防沙功能，經(jīng)常需要人工清理，增加了鐵路維修管護(hù)成本[9]。青藏鐵路北麓河段地處多年凍土區(qū)，平均海拔達(dá) 4 600 m，實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，迎風(fēng)側(cè)前幾排沙障基本被埋沒，尤其在南岸離鐵路約50 m處高達(dá)2 m的攔沙墻已被掩埋，成為鐵路安全運(yùn)營的隱患。風(fēng)是鐵路沙害的最主要的趨動力，其攜沙能力隨風(fēng)速增大而增強(qiáng)，受阻后在鐵路兩旁堆積的沙物質(zhì)相應(yīng)增多。路基積沙致使道軌不平整，極有可能發(fā)生列車側(cè)滑和脫軌等問題[11][12]。研究表明，北麓段屬于高風(fēng)能環(huán)境，冬春季節(jié)風(fēng)向變化相對單一、風(fēng)力較大，夏季和秋季方向變化較大、風(fēng)力較小。目前青藏鐵路治沙缺乏適合的植物措施，多以機(jī)械沙障布設(shè)為主。在長時間尺度上分析北麓河段風(fēng)況，可為機(jī)械沙障防護(hù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和長期布局以及青藏鐵路的防沙治沙工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究所采用的數(shù)據(jù)來源于離青藏鐵路北麓河段50 km遠(yuǎn)的五道梁氣象站和利用美國氣象數(shù)據(jù)中心(national climatic data center,NCDC)建立的全球地面小時數(shù)據(jù)庫(Global Integrated Surface Hourly Data,GISHD)。本研究選用1973—2015年(43 a)的時間序列，分析數(shù)據(jù)包括每日風(fēng)速、風(fēng)向、能見度及空氣相對濕度。風(fēng)向數(shù)據(jù)使用0°～360°順時針方位角表示。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 風(fēng)氣象統(tǒng)計(jì)

我國氣象觀測業(yè)務(wù)中規(guī)定，瞬間風(fēng)速達(dá)到或超過17 m·s-1的風(fēng)稱為大風(fēng)，某一日中有大風(fēng)出現(xiàn)，便將該日計(jì)入大風(fēng)日數(shù)[13]。沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)從地面卷起大量沙塵，使水平能見度小于1 km，具有突發(fā)性和持續(xù)時間較短特點(diǎn)的概率小危害大的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。研究表明出現(xiàn)沙塵暴的天數(shù)可以表征區(qū)域風(fēng)沙活動的強(qiáng)度[14]。本研究將風(fēng)速>17 m·s-1的、能見度>1 km、空氣相對濕度<90的天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其算入大風(fēng)日數(shù)和沙塵暴發(fā)生日數(shù)中。

1.2.2 起沙風(fēng)風(fēng)況特征統(tǒng)計(jì)

依據(jù)已有的相關(guān)研究，將10m高處的沙粒啟動風(fēng)速取為6 m·s-1。首先統(tǒng)計(jì)年平均風(fēng)速，再對原始數(shù)據(jù)中≥6 m·s-1起沙風(fēng)、最大風(fēng)速以及起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而分析起沙風(fēng)的季節(jié)變化。將風(fēng)向觀測中的方位角按劃分為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個方位。并統(tǒng)計(jì)≥6 m·s-1的起沙風(fēng)在16個方位出現(xiàn)的頻率，對每月不同方向上的起沙風(fēng)進(jìn)行分析。

1.2.3 合成輸沙勢計(jì)算

輸沙勢(drift potential,DP)即輸沙風(fēng)能，數(shù)值以矢量單位(vector unit,VU) 表示，16 個方位上的合成方向?yàn)楹铣奢斏撤较? resultant drift direction,RDD) 和合成輸沙勢(Resultant drift potential,RDP)。對研究區(qū)1973—2015年輸沙勢計(jì)算采用Fryberger 方程[15]：

Q∝V2(V-Vt)×t

(1)

式中：Q——輸沙勢；

V——10 m高度的風(fēng)速；

Vt——臨界起沙風(fēng)速，其值為6.0 m·s-1；

t——刮風(fēng)時間(次數(shù))。

注：計(jì)算時，將風(fēng)速速度單位m·s-1均轉(zhuǎn)換為節(jié)(knot·h-1)；各方向輸沙勢:相加為總輸沙勢(DP)，矢量相加為合成輸沙勢(RDP)，RDP/DP表示風(fēng)向變率指數(shù)，用來表示風(fēng)向的變化程度[16～18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)況指標(biāo)年際變化

統(tǒng)計(jì)可知，1973—2015年間年均大風(fēng)日數(shù)為17 d，大風(fēng)日數(shù)最多在1975年，1年內(nèi)共出現(xiàn)41 d；起沙風(fēng)頻率高于25%，平均發(fā)生頻率為35.89%；最大頻率、最大年平均風(fēng)速出現(xiàn)在1975年，多年平均風(fēng)速為5.15 m·s-1；平均年沙塵暴日數(shù)為15 d，1984年頻率最高(44 d)。2010—2015年間，年均大風(fēng)日降為9.5 d，起沙風(fēng)平均發(fā)生頻率為31.01%，平均沙塵暴日數(shù)約為8 d，多年平均風(fēng)速為4.66 m·s-1。總體來看，43 a間，年大風(fēng)日數(shù)、年沙塵暴日數(shù)、沙風(fēng)頻率及年平均風(fēng)速呈下降趨勢(見圖1)。2000年前各指標(biāo)變化幅度較大，之后下降趨勢逐漸減弱，由此說明近年來風(fēng)力減弱趨勢趨于平緩；沙塵暴日數(shù)與其它3個指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均<0.7，與大風(fēng)日數(shù)的相關(guān)性僅為0.68，起沙風(fēng)頻與大風(fēng)日數(shù)及平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)>0.85，表明沙塵暴的發(fā)生除風(fēng)力主要影響因子外，還受其它因素的較大影響。

圖1 風(fēng)況各指標(biāo)年際變化特征Fig.1 Interannual variation of indicators

2.2 風(fēng)向變化

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示， W和WNW方向的起沙風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，多年平均頻率分別為36.03%、18.61%，WSW、NW和NNE方向分別為8.61%、5.05%和5.30%，其余風(fēng)向出現(xiàn)的頻率在1%～5%的范圍內(nèi)；SE、SSE方向最小分別為0.51%和0.58%。W、WNW方向出現(xiàn)頻率之和為54.65%，2002年達(dá)到66.22%。從圖2可知，除1987—1989年外，W風(fēng)向出現(xiàn)的頻率大，1998—2009年平均高出27.84%；1973—1997年及2009年后兩者出現(xiàn)的頻率相差不大，W與WNW風(fēng)向出現(xiàn)頻率的方差為0.073和0.064，出現(xiàn)頻率隨時間變化未產(chǎn)生較大波動。說明起沙風(fēng)W、WNW應(yīng)該是北麓河地區(qū)的第一、第二主導(dǎo)方向且在的40多年間一直保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2 主要風(fēng)向起沙風(fēng)頻率年際變化Fig.2 Interannual variation of sand frequency in main Wind Directions

2.3 輸沙勢的年際變化

1973—2015年總輸沙勢呈下降趨勢，平均值為1195.73 VU，最大值出現(xiàn)在1975年(圖3)。1985—1997年前波動明顯且降幅較大，1997年后相對穩(wěn)定，并在2007年后呈上升趨勢。2015年的總輸沙勢為904.54 VU，與1975年最大值相比下降了1.6倍。期間最小年總輸沙勢出現(xiàn)在1997年，總輸沙勢為323.70 VU。據(jù)Fryberger對區(qū)域風(fēng)能的分類，除1997年外，北麓河地段均屬高風(fēng)能環(huán)境。輸沙變率指數(shù)(RDP/DP)是反映風(fēng)場方向的重要指標(biāo)，比率與復(fù)合風(fēng)況有關(guān)[15]。中比率與鈍雙峰風(fēng)況或銳雙峰風(fēng)況有關(guān)，而大比率主要與單峰風(fēng)況有關(guān)[19]，由圖3可知，1983和1997年風(fēng)向變率為中比率，鈍雙峰風(fēng)況外，其余均為大比率，單峰風(fēng)況。

2.3.1 不同方向輸沙勢的年際變化

圓的半徑越大，代表輸沙勢越大(見圖4)，輸沙勢最大的方向?yàn)閃方向，其次為WNW與WSW，其余方向的輸沙勢都相對較小，與各風(fēng)向每年出現(xiàn)的頻率規(guī)律一致。W、WNW、WSW方向輸沙勢的多年平均值125.93 VU，3個方向的輸沙勢都隨年份增加而減小，其中W方向減小幅度最為明顯，其次為WNW和WSW方向，這三個方向的輸沙勢之和基本代表了該年的總輸沙勢， 1973—2015年W方向的輸沙勢與年總輸沙勢的相關(guān)系數(shù)為0.80，WNW為0.74。隨著時間后推三者的輸沙勢逐漸減少也決定了年總輸沙勢的減少。

圖3 輸沙勢的年際變化Fig.3 Interannual variation of sand drift potential

圖4 不同方向輸沙勢的年際變化Fig.4 Interannual variation of the sand drift potential in different directions

2.3.2 月合成輸沙勢的變化規(guī)律

合成輸沙勢較大的月份，主要是在1月—3月(春季)及11月—12月(冬季)，以W風(fēng)為主，偶爾會出現(xiàn)WNW風(fēng)；其次為4月，以WNW方向?yàn)橹?。整體上來看，10月的合成輸沙勢略小于4月，方向仍以W風(fēng)為主；5月—9月的合成輸沙勢最小，無明顯方向規(guī)律。輸沙勢減少幅度較大的月份，主要集中在輸沙勢較大的月份上，說明合成輸沙勢的減少與11月至來年3月輸沙勢的減少密不可分。

圖5 不同月份不同方向的輸沙勢變化Fig.5 The variation of the sand drift potential in different directions in different months

3 討論

從風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)和輸沙勢等指標(biāo)看，1973—2015年間風(fēng)力呈減小趨勢，與Robert Vautard[20]提出的北半球最近30a風(fēng)速減慢的結(jié)果一致。風(fēng)速下降主要影響因素一方面是氣候變化，影響了氣流的傳統(tǒng)活動模式；另一方面，森林覆蓋面積增加使得地球表面粗糙度增加，對風(fēng)的阻力增加。溫度上升及地面粗糙度增加致使青藏高原風(fēng)速降低。北麓河段的風(fēng)有明顯的季節(jié)性，冬春季主要受西風(fēng)氣流影響，夏季隨著西風(fēng)帶氣流退到青藏高原以北，高原東西兩側(cè)各有半個大型反氣旋環(huán)流(西太平洋副熱帶高壓西伸脊和伊朗高壓東伸脊)，高原主體正好位于副熱帶高壓的斷裂帶中，所以4月份(春季)以WNW為主風(fēng)方，而5月～9月(夏、秋季)西風(fēng)帶氣流作用持續(xù)減弱，此時主風(fēng)方向并在年際上并未無明顯變化規(guī)律。

隨著時間推移，北麓河的風(fēng)況整體上處于減弱的狀態(tài)， 2000年以前風(fēng)沙天氣出現(xiàn)頻率較高，2000年后風(fēng)沙天氣出現(xiàn)下降趨于平穩(wěn)；2006年北麓河風(fēng)況并未出現(xiàn)較大變化，而鐵路沙害卻日趨嚴(yán)重，因此沙害治理不能只依靠于風(fēng)速減弱。根據(jù)IPCC(2014)報(bào)告，全球區(qū)域溫度幾十年來處于上升過程，預(yù)測21世紀(jì)全球平均氣溫上升速率達(dá)0.3 ℃·10 a-1，高海拔地區(qū)增溫的幅度可能更大[21]。到2050年，青藏高原年氣溫將升高2.2 ℃～2.6 ℃[22]。升溫可能導(dǎo)致冬春季高原凍土層提前融化，覆蓋在土層表面的雪層消失，表層土壤的結(jié)構(gòu)更加松散，極易受風(fēng)影響而起沙。北麓河風(fēng)能較大的時間主要集中在冬春季，地表沙物質(zhì)增加，即使北麓河風(fēng)力減弱或保持穩(wěn)定狀態(tài)，沙害依舊日益嚴(yán)重。溫度上升成為了影響高寒沙區(qū)鐵路沙害的主要?dú)夂蛞蜃?，青藏鐵路沿線的沙害防治形式愈發(fā)嚴(yán)峻。

目前北麓河的沙害防護(hù)主要還以機(jī)械措施為主，模式化的鐵路沙害防護(hù)植被模式還未有。其中機(jī)械措施主要以固沙、阻沙為主。阻沙沙障設(shè)置方向一般應(yīng)與主風(fēng)方向垂直，主要通過改變近地表風(fēng)沙流流場，形成渦流，降低地表風(fēng)速和輸沙能力，促使風(fēng)沙流中主要沙粒沉降[23]。目前北麓河段沙障的設(shè)置走向與主風(fēng)方向垂直，但仍有問題存在，南岸的沙障設(shè)置范圍為東側(cè)70 m，西側(cè)500 m，沙障布設(shè)密集，但主要以前三排沙障攔沙為主；而北岸的沙障設(shè)置范圍相對較小，沿河布置的2m高的攔沙障已全部積滿。本研究發(fā)現(xiàn)，北麓河段主害風(fēng)方向包括W和WNW，且以W風(fēng)為主，南北兩岸所受沙害程度暈幾乎相近，可適當(dāng)減少南岸的沙障排數(shù)，增加河北岸的沙障數(shù)量。此外，可借助設(shè)置合適的沙障角度，利用沙障的導(dǎo)沙作用，利用河道的導(dǎo)沙作用，將沙物質(zhì)導(dǎo)向鐵路的另一側(cè)，以減輕河岸沙障的積沙壓力。