上海軌道交通16號(hào)線高架地面段大風(fēng)特征及測(cè)風(fēng)設(shè)備布點(diǎn)研究

楊通曉，談建國，史 軍，3，韓志惠

（1.上海市生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，上海 200030；2.上海市氣候中心，上海 200030；3.上海市青浦區(qū)氣象局，上海 201700）

引 言

氣象條件對(duì)交通運(yùn)輸效率和運(yùn)輸安全有著重要影響［1－5］。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)，是城市發(fā)展經(jīng)濟(jì)和服務(wù)社會(huì)的重要交通設(shè)施，也是緩解城市交通擁堵的重要途徑。然而，隨著通車?yán)锍碳靶熊囁俣鹊牟粩嘣黾?，城市軌道交通行車安全問題日益凸顯［4－5］，尤其在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣影響下，城市軌道高架地面線路的行駛列車極易發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻、出軌等運(yùn)營(yíng)事故［6－7］，造成人員傷亡、運(yùn)營(yíng)中斷甚至整個(gè)城市或區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)功能癱瘓［8］。在經(jīng)濟(jì)全球化和城市規(guī)模不斷擴(kuò)大以及極端天氣氣候事件頻發(fā)的背景下［9］，人們出行對(duì)城市軌道交通的依賴越來越大，災(zāi)害性天氣對(duì)城市軌道交通的影響以及對(duì)城市造成的損失也越來越大［8，10］。因此，開展城市軌道交通的災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警和影響評(píng)估研究，對(duì)保障城市安全和乘客人身安全、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外城市軌道交通重大運(yùn)營(yíng)事故時(shí)有發(fā)生，并造成嚴(yán)重后果［11－16］，如 2012年“?？迸_(tái)風(fēng)影響上海期間，多條城軌線路被迫限速或停運(yùn)［17］；2007年2月28日，新疆列車遭遇13級(jí)大風(fēng)襲擊，11節(jié)車廂脫軌，造成3人遇難。目前，針對(duì)城市軌道交通安全的研究多是從運(yùn)營(yíng)事故類型及事故原因調(diào)查［4，11－15］、軌道交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［16，18］等方面開展的定性分析。影響城市軌道交通的災(zāi)害性天氣類型較多［8］，其中受臺(tái)風(fēng)影響的大風(fēng)天氣過程影響最大，且距離海洋越近風(fēng)力越大［19］，在附近有大范圍水系分布的路段，其風(fēng)速有所增大，風(fēng)速大小與距離水系的遠(yuǎn)近成正比［20－21］。然而，災(zāi)害性天氣對(duì)軌道交通安全的影響及預(yù)警方法等方面缺乏定量的數(shù)理分析和佐證。因此，科學(xué)、定量地評(píng)估各種災(zāi)害性天氣影響下城市軌道交通行車安全是城市軌道交通管理工作亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

上海軌道交通16號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱“16號(hào)線”），北起龍陽路站，南至滴水湖站，全長(zhǎng)58.96 km，其中地下線長(zhǎng)約13.74 km，高架線長(zhǎng)約45.22 km，共設(shè)有車站13個(gè)，是目前國內(nèi)最快時(shí)速（120 km·h－1）的城市軌道交通路線。然而，16號(hào)線地處上海浦東新區(qū)東南部，瀕臨沿海大風(fēng)區(qū)域［22］，且地勢(shì)較為平坦，每年汛期相比其他線路受臺(tái)風(fēng)大風(fēng)、冷空氣大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣干擾而影響運(yùn)營(yíng)的程度和可能性都較大［17］，甚至有時(shí)對(duì)線路的安全運(yùn)行造成威脅。目前上海城市軌道交通僅僅依靠氣象部門發(fā)布的全市總體氣象預(yù)警，并結(jié)合司機(jī)現(xiàn)場(chǎng)個(gè)人判斷作出運(yùn)營(yíng)指揮調(diào)整，尚未建立具體軌道交通線路運(yùn)行的氣象預(yù)警，迫切需要開展16號(hào)線高架地面段大風(fēng)特征分析，合理布設(shè)測(cè)風(fēng)觀測(cè)設(shè)備，加強(qiáng)對(duì)沿線大風(fēng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。鑒于此，本文通過對(duì)浦東、南匯氣象站歷史大風(fēng)觀測(cè)資料和近年來臺(tái)風(fēng)影響期間16號(hào)線沿線周邊自動(dòng)氣象站大風(fēng)觀測(cè)資料以及地表粗糙度數(shù)據(jù)，分析16號(hào)線及附近大風(fēng)時(shí)空分布特征，提出16號(hào)線高架地面段測(cè)風(fēng)設(shè)備布點(diǎn)建議，以期為16號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料主要有：（1）上海浦東和南匯國家基本氣象站2001—2018年逐日風(fēng)觀測(cè)資料，包括日最大風(fēng)速及風(fēng)向、日極大風(fēng)速及風(fēng)向，并從中選取兩站中有一站滿足日最大風(fēng)速為6級(jí)（10.8 m·s－1）以上或陣風(fēng)風(fēng)速為 7級(jí)（13.9 m·s－1）以上的記錄，共計(jì)348 d，并按照時(shí)間先后順序依次編號(hào)。（2）2005—2018年臺(tái)風(fēng)過程影響上海時(shí)16號(hào)線沿線自動(dòng)氣象站逐時(shí)風(fēng)觀測(cè)資料。2005—2018年，共有24個(gè)臺(tái)風(fēng)影響上海，臺(tái)風(fēng)信息及影響時(shí)數(shù)見表1。根據(jù)24個(gè)臺(tái)風(fēng)影響期間上海16號(hào)線沿線自動(dòng)氣象站的逐時(shí)風(fēng)數(shù)據(jù)，選擇任何一個(gè)自動(dòng)站最大風(fēng)速大于或等于6級(jí)且持續(xù)3 h以上的過程，共計(jì)時(shí)數(shù)559 h（表1）。由于一些站點(diǎn)資料不完整，最后選取了靠近16號(hào)線的12個(gè)自動(dòng)氣象站（圖1）觀測(cè)資料，并進(jìn)行了界限值、僵值、時(shí)間一致性檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。（3）地表粗糙度資料。利用16號(hào)線沿線Landsat TM／ETM＋衛(wèi)星影像反演的土地利用數(shù)據(jù)和地面高程數(shù)據(jù)，基于地表形態(tài)測(cè)量學(xué)方法計(jì)算地表粗糙度，空間分辨率為500 m。

圖1 上海軌道交通16號(hào)線及沿線基本站、自動(dòng)站分布Fig.1 The location of the rail transit line 16 and distribution of basic weather stations and automatic weather stations along the line 16 in Shanghai

1.2 研究方法

1.2.1 基于地表粗糙度的近地層風(fēng)速計(jì)算方法

地表粗糙度是影響近地面風(fēng)速的重要指標(biāo)［23］。本文采用地表形態(tài)測(cè)量學(xué)方法［24］計(jì)算地表粗糙度，即根據(jù)地面粗糙元的形態(tài)和分布估測(cè)下墊面空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分為城區(qū)和非城區(qū)兩部分，城區(qū)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是基于粗糙元高度進(jìn)行計(jì)算，而郊區(qū)因下墊面較為均一且地勢(shì)平緩，是基于土地利用類型，對(duì)每一類型的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度賦予特定的數(shù)值［23］。

近地層分為慣性子層和粗糙子層，慣性子層內(nèi)具有恒定的剪應(yīng)力和水平均一的氣流，慣性子層底部對(duì)應(yīng)著混合高度，而在粗糙子層內(nèi)，受近地面地表形態(tài)的影響，氣流具有很大的不均一性，粗糙度可以較好地描述局地下墊面對(duì)風(fēng)速的影響。

對(duì)于粗糙子層內(nèi)風(fēng)速的推算，利用對(duì)數(shù)廓線方程可得到10 m高度的風(fēng)速U10，公式［25］如下：

式中：Ubh（m·s－1）為混合層高度的風(fēng)速；Zbh（m）為混合層高度；Zd＿local（m）為局地零平面位移；Z0＿local（m）為局地地表粗糙度。

倘若平均建筑物高度大于10 m，則對(duì)數(shù)廓線方程不再適用，故而采用指數(shù)廓線方程推算，公式［26］如下：

表1 2005—2018年影響上海的臺(tái)風(fēng)及其影響時(shí)段Tab.1 Typhoons affecting Shanghai and their lasting periods from 2005 to 2018

式中：Uh＿local（m·s－1）為局地建筑物平均高度風(fēng)速；hm＿local（m）為局地建筑物平均高度；λf為局地粗糙元迎風(fēng)面面積指數(shù)；σh（m）為局地建筑物高度的標(biāo)準(zhǔn)差。λf、hm＿local、σh均基于地面高程計(jì)算獲得。

本文以浦東非城區(qū)10 m高度風(fēng)場(chǎng)作為背景場(chǎng)，通過近地面層風(fēng)速插值推算10 m高度風(fēng)速分布。為減小插值過程中空間環(huán)境不均勻性帶來的影響，將10 m高度背景風(fēng)速利用公式（1）轉(zhuǎn)換成混合層高度風(fēng)速，再根據(jù)研究區(qū)的土地類型利用公式（1）或（2）向下插值得到10 m高度風(fēng)速。

1.2.2 陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算方法

大風(fēng)的陣性特征是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)關(guān)注的破壞因子之一，通常以陣風(fēng)系數(shù)來反映風(fēng)的陣性。一般情況下，將持續(xù)時(shí)間小于3 s的風(fēng)稱為陣風(fēng)，并定義最大陣風(fēng)風(fēng)速與持續(xù)10 min的平均風(fēng)速之比為陣風(fēng)系數(shù)［27］，公式如下：

式中：Vτ（m·s－1）為持續(xù)時(shí)間為 τ的最大陣風(fēng)風(fēng)速（m·s－1）為 10 min的平均風(fēng)速。

1.2.3 車輛行車風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算方法

強(qiáng)風(fēng)對(duì)運(yùn)行車輛形成的風(fēng)壓會(huì)影響行車的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致脫軌事故［28］。本文主要考慮影響車輛側(cè)向穩(wěn)定性的氣動(dòng)升力Fl（N）、側(cè)向氣動(dòng)力Fs（N）、傾覆力矩M（N·m）在不同主導(dǎo)風(fēng)向下的變化特性，公式如下：

式中：A（m2）為車輛側(cè)向投影面積，取72.9 m2；ρ（kg·m－3）為空氣密度；Vh（m·s－1）為車輛所在位置的風(fēng)速；H（m）為車輛中心高度，取 2.3275 m；Cl、Cs、Cm分別為氣動(dòng)升力系數(shù)、側(cè)向氣動(dòng)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)，為實(shí)際風(fēng)致氣動(dòng)力與參考高度來流風(fēng)致氣動(dòng)力的比值，且隨風(fēng)攻角β的變化而不同。軌道交通車輛在行駛中所受的風(fēng)壓實(shí)際上是由相對(duì)風(fēng)造成的，因此在計(jì)算車輛所受的氣動(dòng)力時(shí)應(yīng)使用相對(duì)風(fēng)速，車輛的行車速度Vv、來流風(fēng)速Vw、相對(duì)風(fēng)速V三者之間的關(guān)系見圖2。

圖2 車速V v、風(fēng)速V w和相對(duì)風(fēng)速V之間的關(guān)系Fig.2 Relation between vehicle velocity，wind velocity and relative wind velocity

以氣動(dòng)力作為衡量車輛危險(xiǎn)性的量化指標(biāo)，采用風(fēng)險(xiǎn)因子R表示車輛在極端大風(fēng)天氣下的危險(xiǎn)性。風(fēng)險(xiǎn)因子定義為某種氣動(dòng)力與對(duì)應(yīng)閾值之比，采用在8級(jí)大風(fēng)條件下軌道交通車輛限速行駛時(shí)所承受的最大氣動(dòng)力作為閾值。風(fēng)險(xiǎn)因子取氣動(dòng)升力、側(cè)向氣動(dòng)力、傾覆力矩中最大值。R表達(dá)式為：

式中：△l是 Fl閾值，取1.7×104N；△s是 Fs閾值，取1.8×104N；△m是 M閾值，取1.9×104N·m。

另外，還采用了極值分析、均值及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)比分析最大風(fēng)速、極大風(fēng)速及其風(fēng)向、陣風(fēng)系數(shù)的總體分布及站點(diǎn)差異，給出主導(dǎo)風(fēng)向下的行車風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 16號(hào)線周邊大風(fēng)時(shí)空分布特征

2.1.1 站點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)性

針對(duì)2005—2018年臺(tái)風(fēng)影響上海的559個(gè)時(shí)次，計(jì)算浦東和南匯2個(gè)國家基本站與16號(hào)線沿線12個(gè)自動(dòng)氣象站風(fēng)速與風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)（表2），發(fā)現(xiàn)2個(gè)國家基本站與自動(dòng)站的風(fēng)速和風(fēng)向均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（通過0.05及以上的顯著性檢驗(yàn)），其中南匯站與綠川學(xué)校、新場(chǎng)中學(xué)自動(dòng)站風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)較低，僅通過0.05和0.01的顯著性檢驗(yàn)，其他站點(diǎn)間風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)普遍較高，通過0.001的極顯著性檢驗(yàn)。可見，16號(hào)線沿線大風(fēng)存在一定的空間差異，但總體上空間特征較為一致，可通過浦東和南匯兩站歷史大風(fēng)觀測(cè)資料來揭示16號(hào)線沿線大風(fēng)的分布特征。

表2 浦東和南匯國家基本站與16號(hào)線沿線自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)Tab.2 The correlation coefficients of wind speed and wind direction between Pudong，Nanhui national basic stations and adjacent automatic weather stations along the line 16 of rail transit

2.1.2 日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速

最大風(fēng)速是指給定時(shí)段內(nèi)10 min平均風(fēng)速的最大值，而極大風(fēng)速則是指給定時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)（一般是指1 s）風(fēng)速的最大值。

圖3是2001—2018年348 d大風(fēng)日浦東和南匯站日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速?？梢钥闯?，348 d中南匯站和浦東站日最大風(fēng)速分別為17.0和11.9 m·s－1，分別出現(xiàn)在 2002年 7月 5日“威馬遜”臺(tái)風(fēng)影響期間和2005年8月7日“麥莎”臺(tái)風(fēng)影響期間，而日極大風(fēng)速分別為28.0和23.2 m·s－1，均出現(xiàn)在2005年8月6日“麥莎”臺(tái)風(fēng)影響期間。浦東站位于城區(qū)，而南匯站處于沿海，故而日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速前者較后者小。另外，兩站日最大風(fēng)速均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，浦東站減小趨勢(shì)顯著；南匯站日極大風(fēng)速變化趨勢(shì)不明顯，而浦東站則呈顯著減小趨勢(shì)。受臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流天氣等影響，兩站日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的波動(dòng)比較劇烈。在全球氣候變暖背景下，區(qū)域風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)［29－30］，氣候變化和城市下墊面的改變對(duì)上海16號(hào)線周邊日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速影響明顯，開展風(fēng)速極值分布研究對(duì)軌道交通安全運(yùn)行很有必要。

圖3 2001—2018年大風(fēng)日浦東和南匯站日最大風(fēng)速（a）與極大風(fēng)速（b）分布Fig.3 The distribution of daily maximum（a）and extreme（b）wind speed at Pudong and Nanhui stations on gale days from 2001 to 2018

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，浦東和南匯兩站日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速差異明顯（表3），南匯站日最大風(fēng)速比浦東站平均偏大 3.52 m·s－1，兩站最大、最小分別相差7.9 m·s－1（2002年7月5日）、4.5 m·s－1（2003年8月2日）。2003年8月2日，浦東及中心城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，浦東耀華路、耀華支路口的高壓線被雷擊斷，造成該地段約2000戶居民樓斷電。日極大風(fēng)速南匯站比浦東站平均偏大2.63 m·s－1，極端情況下前者比后者偏大15.0 m·s－1（2017年8月20日），前者比后者偏小13.4 m·s－1（2003年8月25日）。2003年8月25日，浦東出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣，共有7條35 kV線路、24條10 kV線路因雷擊開關(guān)跳閘，使3500多戶居民樓和380多家企業(yè)停電，同時(shí)造成地鐵二號(hào)線張江站一輛列車停運(yùn)約20 min。因此，16號(hào)線周邊日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速空間差異較大，需開展較為密集的觀測(cè)和分析研究。

另外發(fā)現(xiàn)，348 d大風(fēng)日浦東和南匯兩站日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的中位數(shù)隨季節(jié)變化不大。對(duì)于浦東站而言，日最大風(fēng)速介于 2.4～11.9 m·s－1之間，日極大風(fēng)速介于 7.2～23.2 m·s－1之間，均是夏季最大，秋季最小（圖4）。夏季受臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流天氣等影響，兩站日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速波動(dòng)幅度較大，其中浦東站夏季日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.8、3.4 m·s－1，而南匯站分別為 2.3、3.7 m·s－1。因此，16號(hào)線沿線大風(fēng)預(yù)警需要對(duì)夏季日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速應(yīng)特別關(guān)注。

表3 南匯站和浦東站日最大風(fēng)速與極大風(fēng)速差異統(tǒng)計(jì)Tab.3 The differences of daily maximum and extreme wind speed between Nanhui and Pudong stations from 2001 to 2018 單位：m·s－1

圖4 浦東站日最大風(fēng)速（a）與極大風(fēng)速（b）的季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution of daily maximum（a）and extreme（b）wind speed at Pudong station

2.1.3 日最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的風(fēng)向

風(fēng)頻是用來表示某個(gè)方向的風(fēng)出現(xiàn)的頻率，可用一年（月）內(nèi)某方向風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)與各方向風(fēng)出現(xiàn)總次數(shù)的百分比來表示。從圖5看出，大風(fēng)期間浦東和南匯兩站日最大風(fēng)速與極大風(fēng)速的風(fēng)向有明顯差異，浦東站日最大風(fēng)速的風(fēng)向多為偏西風(fēng)和偏東北風(fēng)，南匯站多為偏北風(fēng)；日極大風(fēng)速的風(fēng)向浦東站多為偏西北風(fēng)、東北風(fēng)和偏東風(fēng)，南匯站多為偏北風(fēng)。南匯站較浦東站臨近海洋，受臺(tái)風(fēng)影響更為顯著，臺(tái)風(fēng)影響期間多為偏北風(fēng)，而浦東站位于城區(qū)，受城市建筑物影響風(fēng)向變化較大。

另外，兩站日最大風(fēng)速與極大風(fēng)速風(fēng)向的四季分布（圖略）顯示，浦東站日最大風(fēng)速的風(fēng)向在春、秋、冬季主要為偏西風(fēng)和偏東北風(fēng)，在夏季主要是偏東風(fēng)和偏西風(fēng)；南匯站日最大風(fēng)速的風(fēng)向在春、秋、冬季主要為偏北風(fēng)，在夏季主要為偏東南風(fēng)和偏北風(fēng)。南匯站夏季主導(dǎo)風(fēng)向的形成，一方面與東亞夏季風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向即東南風(fēng)有關(guān)［31］，另一方面可能是南匯站臨近海洋，受臺(tái)風(fēng)帶來的偏北風(fēng)影響，而浦東站夏季主導(dǎo)風(fēng)向是夏季風(fēng)和城市下墊面綜合作用的結(jié)果。極大風(fēng)速風(fēng)頻的四季分布與最大風(fēng)速類似。以上進(jìn)一步說明了16號(hào)線周邊最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的風(fēng)向空間差異較大，開展較為密集的測(cè)風(fēng)設(shè)備布點(diǎn)和極端風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)很有必要。

2.1.4 陣風(fēng)系數(shù)

從浦東和南匯兩站日最大風(fēng)速與陣風(fēng)系數(shù)的散點(diǎn)圖（圖6）看出，兩站的陣風(fēng)系數(shù)都隨日最大風(fēng)速的增大而減小，位于城區(qū)的浦東站的陣風(fēng)系數(shù)比位于沿海的南匯站偏大，且浦東站的陣風(fēng)系數(shù)隨最大風(fēng)速的變化快于南匯站，表明南匯站的陣風(fēng)系數(shù)更為穩(wěn)定。研究表明，陣風(fēng)系數(shù)與下墊面粗糙度有關(guān)，在粗糙的下墊面上陣風(fēng)系數(shù)往往偏大［27］。另外，大風(fēng)情況下兩站陣風(fēng)系數(shù)的中位數(shù)季節(jié)變化不大，但夏季因受臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流天氣等影響陣風(fēng)系數(shù)的波動(dòng)幅度較大（圖略），尤其是南匯站（浦東站的標(biāo)準(zhǔn)差為0.22，南匯站為0.45）。這表明16號(hào)線周邊陣風(fēng)系數(shù)的空間差異也較大，需要開展高空間分辨率的風(fēng)速觀測(cè)和分析。

2.2 臺(tái)風(fēng)影響期間16號(hào)線沿線風(fēng)速及風(fēng)向分布特征

2.2.1 平均風(fēng)速差

圖7是2005—2018年24次臺(tái)風(fēng)影響期間16號(hào)線臨近自動(dòng)氣象站之間的平均風(fēng)速差及其標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯觯?6號(hào)線沿線臨近自動(dòng)氣象站平均風(fēng)速差最大可達(dá)8.9 m·s－1，出現(xiàn)在書院鎮(zhèn)和滴水湖入海閘之間，風(fēng)速差較大的地鐵站有羅山路、周浦東—新場(chǎng)、野生動(dòng)物園、惠南、惠南東、書院和臨港大道站，而位于城區(qū)的起點(diǎn)龍陽路站附近，站點(diǎn)間風(fēng)速差較小。因此，需要加強(qiáng)16號(hào)線羅山路站、周浦東—新場(chǎng)、野生動(dòng)物園—惠南東和書院—臨港大道線路及附近的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)。

2.2.2 風(fēng)向

主導(dǎo)風(fēng)向是指風(fēng)頻最大的風(fēng)向角的范圍，一般在連續(xù)45°左右。對(duì)于以16方位角表示的風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向一般是指連續(xù)2～3個(gè)風(fēng)向角的范圍。某區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，其主導(dǎo)風(fēng)向角風(fēng)頻之和應(yīng)大于或等于30%。根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境》中主導(dǎo)風(fēng)向的確定方法［32］，得到16號(hào)線沿線自動(dòng)氣象站的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E、ENE和 E（表4）。

圖5 浦東站（a、c）和南匯站（b、d）日最大風(fēng)速（a、b）與極大風(fēng)速（c、d）風(fēng)向分布Fig.5 The distribution of wind direction under daily maximum（a，b）and extreme（c，d）wind speed conditions at Pudong（a，c）and Nanhui（b，d）stations

圖6 浦東（a）和南匯（b）站日最大風(fēng)速與陣風(fēng)系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between daily maximum wind speed and gust factor at Pudong（a）and Nanhui（b）stations

圖7 臺(tái)風(fēng)影響期間16號(hào)線沿線臨近自動(dòng)氣象站之間平均風(fēng)速差及其標(biāo)準(zhǔn)差（單位：m·s－1）（紅色數(shù)值的平均風(fēng)速差超過2.0 m·s－1）Fig.7 The difference of mean wind speed and its standard deviation between adjacent automatic weather stations along the line 16 of rail transit during the influence period of typhoon（Unit：m·s－1）（The mean wind speed differences with red value were more than 2.0 m·s－1）

表4 16號(hào)線沿線自動(dòng)氣象站主導(dǎo)風(fēng)向Tab.4 The dominant wind direction at adjacent automatic weather stations along the line 16 of rail transit

考慮16號(hào)線的走向，采取分段計(jì)算的方法，計(jì)算各路段主導(dǎo)風(fēng)向下行車風(fēng)險(xiǎn)因子R。因臨港大道站至滴水湖站為地下線，不受大風(fēng)影響，故將16號(hào)線分為6段（圖8）。車輛行駛速度Vv取8級(jí)大風(fēng)的行車限行速度40 km·h－1，來流風(fēng)速 Vw取 18 m·s－1，當(dāng)R＞1時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高，需采取限速或停運(yùn)措施。

行駛方向從龍陽路至滴水湖：近似東向行駛的路段（路段4），當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高；東偏南行駛的路段（路段1、6），當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?NE、ENE時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高；近似南向行駛的路段（路段2、3、5），當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?E時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高［圖9（a）］。行駛方向從滴水湖至龍陽路：近似西向行駛的路段（路段4）無風(fēng)險(xiǎn)；西偏北行駛的路段（路段1、6），當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高；近似北向行駛的路段（路段2、3、5），當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE時(shí)行車風(fēng)險(xiǎn)高［圖9（b）］。總體來看，東西向路段受主導(dǎo)風(fēng)向NE影響較大（路段4），近似東南—西北向路段（路段1、6）受主導(dǎo)風(fēng)向NE、ENE影響較大，近似南北向路段（路段2、3、5）受主導(dǎo)風(fēng)向 ENE、E影響較大。可見，16號(hào)線的行車風(fēng)險(xiǎn)對(duì)風(fēng)向比較敏感，開展較為密集的測(cè)風(fēng)設(shè)備布點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)向觀測(cè)非常必要。

圖8 16號(hào)線分段示意圖Fig.8 The sections of the line 16 of rail transit

圖10是臺(tái)風(fēng)影響期間16號(hào)線沿線自動(dòng)站的風(fēng)向玫瑰圖?？梢钥闯?，風(fēng)向差異較大的路段主要分布在龍陽路—羅山路和周浦東—新場(chǎng)之間。這些路段地處城區(qū)，建筑物密布，造成自動(dòng)站風(fēng)向差別較大。此外，野生動(dòng)物園、惠南和惠南東站附近風(fēng)向也差異較大，這可能與此區(qū)域建筑物密集有關(guān)。因此，從風(fēng)向角度考慮，觀測(cè)站布點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)放在龍陽路—羅山路、周浦東—新場(chǎng)和野生動(dòng)物園—惠南東之間。

2.3 地表粗糙度的空間分布

16號(hào)線沿線，龍陽路站附近地表粗糙度最大為1.09，書院站最小為0.11，大部分站點(diǎn)不同方向的粗糙度差異較小，但野生動(dòng)物園、惠南、惠南東、滴水湖站點(diǎn)各方位粗糙度差異較大，如惠南站SSW方位的地表粗糙度最大為1.05，而NNW方位最小為0.41［圖11（a）和圖11（b）］。地表粗糙度對(duì)風(fēng)速影響明顯，假定背景風(fēng)為20 m·s－1，由于粗糙度的差異，龍陽路站風(fēng)速約14 m·s－1，而航頭東、書院等站點(diǎn)的風(fēng)速約20 m·s－1［圖11（d）］；就同一站點(diǎn)不同方位而言，當(dāng)惠南站風(fēng)向?yàn)镾SW時(shí)，其風(fēng)速只有14 m·s－1左右，而當(dāng)風(fēng)向?yàn)镹NW時(shí)，其風(fēng)速達(dá)18 m·s－1。因此，從地表粗糙度角度考慮，需關(guān)注龍陽路—羅山路、野生動(dòng)物園—惠南東和滴水湖的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)。

2.4 16號(hào)線沿線測(cè)風(fēng)設(shè)備布點(diǎn)建議

通過以上分析，測(cè)風(fēng)設(shè)備布設(shè)原則：（1）在臺(tái)風(fēng)影響期間，16號(hào)線沿線相鄰自動(dòng)氣象站平均風(fēng)速差大于2 m·s－1的區(qū)域應(yīng)考慮增加觀測(cè)站點(diǎn)；（2）受平均地表粗糙度影響，當(dāng)16號(hào)線兩相鄰車站間推算的風(fēng)速相差3 m·s－1（相當(dāng)于風(fēng)力相差1級(jí)）的區(qū)域可考慮增加觀測(cè)站；（3）當(dāng)16號(hào)線沿線5 km范圍內(nèi)存在觀測(cè)站，且兩相鄰測(cè)站在平均地表粗糙度下的風(fēng)速相差3 m·s－1時(shí)，可考慮增加觀測(cè)站；（4）16號(hào)線沿線車站周圍各來風(fēng)方向粗糙度差異顯著，各來向風(fēng)速可能會(huì)相差3 m·s－1以上，考慮增加觀測(cè)站。

根據(jù)以上原則，16號(hào)線沿線需要在龍陽路—羅山路和周浦東—新場(chǎng)區(qū)段各加布1個(gè)自動(dòng)氣象站（圖12）。

圖9 16號(hào)線不同路段風(fēng)險(xiǎn)因子R隨風(fēng)向角的變化（a）龍陽路至滴水湖方向，（b）滴水湖至龍陽路方向Fig.9 Change of risk factor R with wind direction angle on different sections of the rail transit line 16（a）the direction from Longyang road to Dishui lake，（b）the direction from Dishui lake to Longyang road

圖10 16號(hào)線沿線臨近自動(dòng)站風(fēng)向圖Fig.10 The wind direction map at adjacent automatic weather stations along the rail transit line 16

圖11 16號(hào)線地鐵站各方位的地表粗糙度（a、b）及取值范圍（c）和不同地表粗糙度下風(fēng)速變化（d）Fig.11 The surface roughness（a，b）with different azimuths and its range（c），and the change of wind speed under different surface roughness conditions（d）along the rail transit line 16

圖12 16號(hào)線沿線新增自動(dòng)氣象站的布設(shè)區(qū)域Fig.12 The locations of newly additional automatic weather stations along the rail transit line 16

3 結(jié) 論

（1）上海軌道交通16號(hào)線周邊浦東和南匯站的日最大風(fēng)速、日極大風(fēng)速以及大風(fēng)情況下風(fēng)向及陣風(fēng)系數(shù)都差異明顯，需要開展較為密集的實(shí)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向觀測(cè)，掌握風(fēng)速、風(fēng)向在不同站點(diǎn)間的空間差異，尤其對(duì)夏季強(qiáng)對(duì)流天氣應(yīng)給予特別關(guān)注，確保軌道交通安全運(yùn)行。

（2）臺(tái)風(fēng)過程影響上海期間，16號(hào)線沿線相鄰自動(dòng)氣象站風(fēng)速差在羅山路站附近、周浦東—新場(chǎng)、野生動(dòng)物園—惠南東和書院—臨港大道之間較大；風(fēng)向差異較大的路段主要分布在龍陽路—羅山路、周浦東—新場(chǎng)、野生動(dòng)物園—惠南東之間。地表粗糙度對(duì)龍陽路—羅山路、野生動(dòng)物園—惠南東和滴水湖路段風(fēng)速影響較明顯。

（3）在相鄰自動(dòng)氣象站平均風(fēng)速差大于2 m·s－1的區(qū)域，或基于地表粗糙度的兩相鄰車站間風(fēng)速相差3 m·s－1的地區(qū)，或沿線5 km范圍內(nèi)考慮地表粗糙度的兩觀測(cè)站間風(fēng)速相差3 m·s－1的地區(qū)，或沿線車站周圍各來風(fēng)方向粗糙度差異顯著且風(fēng)速可能相差3 m·s－1以上的區(qū)域，考慮增加測(cè)風(fēng)觀測(cè)站。因此，16號(hào)線高架地面段需要在龍陽路—羅山路和周浦東—新場(chǎng)區(qū)段各加布一個(gè)自動(dòng)氣象站。