馬淑紅 張?jiān)苹?馬韞娟 戈峰 程鵬 韋振勛 薛萬新

1. 北京大學(xué)，北京 100871；2. 新疆氣象臺，烏魯木齊 830002；3. 清華大學(xué)，北京 100084；4. 國家發(fā)改委宏觀院，北京 100037；5. 新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830002

新疆高速公路風(fēng)害防控技術(shù)研究*

馬淑紅1張?jiān)苹?馬韞娟3戈峰4程鵬5韋振勛5薛萬新5

1. 北京大學(xué)，北京 100871；2. 新疆氣象臺，烏魯木齊 830002；3. 清華大學(xué)，北京 100084；4. 國家發(fā)改委宏觀院，北京 100037；5. 新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830002

選取新疆高速公路沿線100多個(gè)氣象臺站近50年（1961～2010年）風(fēng)向、風(fēng)速資料，以及沿線7個(gè)6要素5層梯度風(fēng)1年（2009～2010年）風(fēng)監(jiān)測資料、10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)和30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站近10年（2001～2010年）監(jiān)測資料，應(yīng)用氣象模式和極值Ⅰ概率模式計(jì)算出高速公路沿線100m×100m空間網(wǎng)格點(diǎn)上距路面4m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速，結(jié)合線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角，確定高速公路沿線強(qiáng)橫風(fēng)警戒區(qū)間。研究結(jié)果表明：新疆高速公路五橫布局中的百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)在157～209d，是我國乃至世界高速公路風(fēng)害最嚴(yán)重的區(qū)間之一。阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之，年平均大風(fēng)日數(shù)148～155d。公路平原綠洲區(qū)間的風(fēng)害最少，年平均大風(fēng)日數(shù)不足10d。沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)多于盆地邊緣綠洲區(qū)間。高速公路強(qiáng)風(fēng)區(qū)間短時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化遵循正弦波周期。新疆高速公路沿線風(fēng)害5大區(qū)域中以特強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)和強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)危害區(qū)危害最大。研究提出了新疆“五橫七縱”高速公路風(fēng)害防控技術(shù)主要包括：風(fēng)害防控信息管理技術(shù)、防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)。因此本項(xiàng)研究對于制定全國高速公路風(fēng)害防控技術(shù)和安全行車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。

高速公路沿線；大風(fēng)規(guī)律；風(fēng)害防控技術(shù)

大風(fēng)天氣對公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)以及安全行車影響很大。分析研究新疆高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律以及防控技術(shù)，對確定強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間和防護(hù)對策以及安全行車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有重要科學(xué)意義和工程價(jià)值。

新疆短期預(yù)報(bào)指導(dǎo)手冊中張家寶曾利用72個(gè)氣象臺站30年（1951～1980年）大風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)分析新疆大風(fēng)的氣候特征[1]。馬淑紅曾用古爾班通古特沙漠地區(qū)及周圍20個(gè)氣象站45a（1961～2005a）歷史資料，結(jié)合古爾班通古特沙漠北部、中部、南部3個(gè)5層梯度風(fēng)近5年（2001～2005年）風(fēng)監(jiān)測資料，分析了古爾班通古特沙漠瞬時(shí)最大風(fēng)速時(shí)空分布特征[2]。馬韞娟等對我國高速鐵路、高速公路風(fēng)害的防控等方面做了大量的研究[3-9]。然而，對新疆高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律防控技術(shù)研究目前尚未見報(bào)道。

本文利用了新疆公路沿線100多個(gè)氣象臺站近50年（1961）風(fēng)向、風(fēng)速資料，以及沿線7個(gè)6要素5層梯度風(fēng)1年（2009～2010年）風(fēng)監(jiān)測資料、10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)和30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站近10年（2001～2010年）監(jiān)測資料。在大量的野外監(jiān)測珍貴資料分析基礎(chǔ)上，計(jì)算出高速公路沿線100m×100m空間網(wǎng)格點(diǎn)上距路面4m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速，系統(tǒng)分析新疆公路沿線大風(fēng)規(guī)律，提出了新疆“五橫七縱”高速公路風(fēng)害防控技術(shù)由風(fēng)害防控信息管理技術(shù)、防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)組成。為高速公路強(qiáng)橫風(fēng)天氣安全行車提供技術(shù)保障。

1 資料來源與方法

1.1 資料選取

依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]和公路橋梁抗風(fēng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]，選取新疆公路沿線107個(gè)氣象臺站近50a（1961a～2010a）最大和極大風(fēng)速、風(fēng)向資料，以及沿線7個(gè)6要素（風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量）5層（0.15m、0.5m、2.0m、3.0m、4.0m）梯度風(fēng)監(jiān)測站1年最大和極大風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測資料、10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)監(jiān)測站和30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站近10年（2001年～2010年）最大和極大風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。

1.2 資料對比分析

本文采用工程氣象學(xué)、流體力學(xué)、風(fēng)監(jiān)測技術(shù)、公路工程技術(shù)、空氣動力學(xué)相結(jié)合方法，以新疆公路沿線100多個(gè)氣象臺站近50年（1961～2010）最大風(fēng)速、極大風(fēng)速資料為基礎(chǔ)，結(jié)合沿線7個(gè)6要素5層梯度風(fēng)1年監(jiān)測資料、10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)和30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站近10年（2001年～2010年）監(jiān)測站最大風(fēng)速、極大風(fēng)速資料，進(jìn)行相關(guān)對比分析，結(jié)果表明：新疆“五橫七縱”高速公路沿線氣象臺站10m高度處的最大瞬時(shí)風(fēng)速與沿線梯度風(fēng)監(jiān)測站4m高度處最大瞬時(shí)風(fēng)速，以及30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站最大瞬時(shí)風(fēng)速具有空間相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.4501～0.9897，均通過顯著性檢驗(yàn)。如七角井氣象站與十三間房氣象站10m高度處最大風(fēng)速進(jìn)行對比分析，相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)為0.6769，k系數(shù)為1.58，七角井氣象站與十三間房氣象站的站號相同，但是站址搬遷后的最大風(fēng)速平行觀測對比分析結(jié)果表明：十三間房氣象站最大風(fēng)速比七角井氣象站偏大1.58倍。這與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中與風(fēng)向一致山口地形訂正系數(shù)基本一致。經(jīng)分析用前后兩站的對比觀測資料，結(jié)合前后兩段最大風(fēng)速的比值系數(shù)來處理前段風(fēng)速資料，使該站風(fēng)速資料成為連續(xù)系列。從而證實(shí)本研究采用工程氣象學(xué)、流體力學(xué)、風(fēng)監(jiān)測技術(shù)、公路工程技術(shù)、空氣動力學(xué)等相結(jié)合方法是科學(xué)合理的。

1.3 強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的確定

本文中強(qiáng)風(fēng)、大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)“公路風(fēng)害防控技術(shù)研究課題和公路風(fēng)害防控信息管理技術(shù)規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)制定，強(qiáng)風(fēng)定義：當(dāng)風(fēng)力達(dá)6級（瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到≥10.8m/s）的風(fēng)稱為強(qiáng)風(fēng)[12]。大風(fēng)定義：當(dāng)風(fēng)力達(dá)8級（瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到≥17.0m/s）的風(fēng)稱為大風(fēng)日數(shù)。公路沿線氣象臺站和鐵塔監(jiān)測站大風(fēng)日數(shù)是指10m高度處3s平均風(fēng)速達(dá)到≥17.0的天數(shù)，高速公路沿線梯度風(fēng)監(jiān)測站大風(fēng)日數(shù)是指4.0m高度處3s平均風(fēng)速達(dá)到≥17.0m/s的天數(shù)。

1.4 氣候傾向率計(jì)算方法

年平均大風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率采用一次線性方程表示，方程如下：

式中Ti為年平均大風(fēng)日數(shù)，ti為時(shí)間。b×10為氣候傾向率，表示為年平均大風(fēng)日數(shù)每10年變化率b=d/10。相關(guān)系數(shù)r可作為年平均大風(fēng)日數(shù)變化趨勢顯著性檢驗(yàn)的判別依據(jù)。

2 大風(fēng)規(guī)律

2.1 公路沿線大風(fēng)規(guī)律

新疆地域遼闊，地形地貌具有“三山夾二盆” 的獨(dú)特特征，構(gòu)筑“五橫七縱”高速、高等級公路網(wǎng)，其中“五橫”基本是E～W走向，“七縱”基本是S～N走向。在特殊地形環(huán)境影響下，每次冷空氣南下都可造成強(qiáng)勁風(fēng)力，特別是線路走向與主風(fēng)向之間夾角垂直的強(qiáng)橫風(fēng)，對社會生產(chǎn)以及交通運(yùn)輸?shù)仍斐刹焕绊懀o經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失。

近50年大風(fēng)資料研究結(jié)果表明：新疆五橫七縱高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)的分布特征受天氣系統(tǒng)和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區(qū)間強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)最多。其中五橫第一橫的百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間風(fēng)害最嚴(yán)重，是我國乃至世界高速公路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)間之一，年平均大風(fēng)日數(shù)在157d～209d，以十三間房氣象站大風(fēng)日數(shù)最多，年平均大風(fēng)日數(shù)209d，2010年大風(fēng)日數(shù)達(dá)到224d，高速公路百里風(fēng)區(qū)紅山口的年平均大風(fēng)日數(shù)157d，以紅山口為中心向東西遞減。阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之，年平均大風(fēng)日數(shù)148～155d。公路沿線平原綠洲區(qū)間風(fēng)害最少，年平均大風(fēng)日數(shù)不足10d，沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)多于盆地邊緣綠洲區(qū)間。

2.2 公路沿線年平均大風(fēng)日數(shù)隨年代變化趨勢

新疆公路沿線除個(gè)別區(qū)間年平均大風(fēng)日數(shù)隨年代呈現(xiàn)增加趨勢外，大多數(shù)區(qū)間年平均大風(fēng)日數(shù)隨年代呈現(xiàn)遞減趨勢，這與王旭等[13-14]的新疆大部分地區(qū)年大風(fēng)日數(shù)隨年代呈現(xiàn)遞減趨勢相一致，這主要由于主要是北方冷空氣活動減弱和公路綠洲區(qū)間植樹造林防風(fēng)效應(yīng)所致；百里風(fēng)區(qū)戈壁路段大風(fēng)強(qiáng)度增加和大風(fēng)日數(shù)隨年代變化趨勢呈現(xiàn)增加趨勢，變化率b＝20.0/10a，這主要由于全球氣候變暖，戈壁地帶溫度增高，地形導(dǎo)致氣壓梯度增大所致。

2.3 大風(fēng)日數(shù)月分布

春秋季冷暖空氣交替頻繁，地區(qū)間氣壓梯度加大，常出現(xiàn)強(qiáng)勁的大風(fēng)。夏季氣層不穩(wěn)定，多陣性大風(fēng)天氣，新疆高速公路大多數(shù)區(qū)間一年中以3～9月大風(fēng)最多，占全年大風(fēng)日數(shù)70%～90%以上。其中五橫七縱百里風(fēng)區(qū)十三間房18d～25d，紅山口14d～20d，達(dá)坂城區(qū)間和三十里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間為11d～20d，如圖1a所示。阿拉爾一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右，如圖1b所示。

2.4 最大瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化及周期特征

掌握強(qiáng)風(fēng)隨時(shí)間變化規(guī)律，是為了保障不同類型汽車在強(qiáng)橫風(fēng)天氣安全行車。因此，必須在不同類型汽車進(jìn)入警戒區(qū)域前，依據(jù)短時(shí)內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速增加量，確定不同類型汽車在警戒區(qū)間內(nèi)是控速、還是停車。根據(jù)芬蘭WXT520超聲波6要素傳感器、熱場式風(fēng)向風(fēng)速傳感器、三杯式風(fēng)向風(fēng)速傳感器，對新疆高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間進(jìn)行風(fēng)監(jiān)測表明：以芬蘭WXT520超聲波6要素風(fēng)向風(fēng)速傳感器精度最高。其次是三杯式風(fēng)速傳感器，但存在長期維修的隱患。熱場式風(fēng)向風(fēng)速傳感器雷雨大風(fēng)偏大5m/s～10m/s，寒潮大風(fēng)偏低3m/s～5m/s。新疆高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間短時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化遵循正弦波周期。

圖1 新疆五橫七縱百里風(fēng)區(qū)沿線、阿和沙漠公路沿線各月大風(fēng)日數(shù)曲線圖

圖2 強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同風(fēng)向下不同類型汽車傾覆臨界風(fēng)速

2.5 強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向?qū)Π踩熊囉绊?/p>

強(qiáng)橫風(fēng)定義：瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到10.8m/s以上，線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角在75～95°之間，稱為強(qiáng)橫風(fēng)。強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到傾覆翻車臨界風(fēng)速是造成不同類型汽車傾覆翻車的主要和直接原因。因此，強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向之間夾角以及最大瞬時(shí)風(fēng)速是高速公路沿線汽車安全行車標(biāo)準(zhǔn)中的重要參數(shù)之一。

新疆高速公路沿線全年強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖分析結(jié)果表明：新疆高速公路沿線受強(qiáng)橫風(fēng)影響的區(qū)間主要分布在百里風(fēng)區(qū)區(qū)間、三十里風(fēng)區(qū)高路堤彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間、瑪依塔斯等強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間，上述區(qū)間風(fēng)季常常出現(xiàn)傾覆翻車事故，對安全行車影響很大。為了確定強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同風(fēng)向下不同類型汽車傾覆翻車臨界風(fēng)速，選取新疆高速公路百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明：高速公路百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同主風(fēng)下大客車、大貨車傾覆臨界風(fēng)速為25.0m/s；中型客車17.0m/ s；小客車傾覆臨界風(fēng)速為12.0m/s，如圖2所示。

3 強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間確定

應(yīng)用氣象模式和氣流分析及極值Ⅰ型概率模式計(jì)算出高速公路沿線1km×1km空間網(wǎng)格點(diǎn)上最大風(fēng)速設(shè)計(jì)值，再將空間分布與沿線各里程的強(qiáng)風(fēng)系數(shù)、路堤高和橋高增速系數(shù)、不同下墊面特征下冪指數(shù)相結(jié)合，建立距路面4m高度處任意里程100m×100m空間網(wǎng)格點(diǎn)上最大瞬時(shí)風(fēng)速預(yù)測模式，結(jié)合線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角和不同車型傾覆臨界風(fēng)速，從而確定高速公路沿線強(qiáng)橫風(fēng)警戒區(qū)間。綜上所述，高速公路不同類型汽車傾覆翻車事故主要由于強(qiáng)橫風(fēng)天氣條件下瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速所致，因此以最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇為“風(fēng)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃”指標(biāo)的核心技術(shù)方法之一，為風(fēng)害等級閾值劃分提供科學(xué)依據(jù)。

4 公路風(fēng)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及防控技術(shù)

采用三級區(qū)劃指標(biāo)體系（年平均大風(fēng)日數(shù)、最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值、四季大風(fēng)日數(shù)占全年百分比），等概率分區(qū)原則[15-16]，將新疆高速公路沿線風(fēng)害危險(xiǎn)分為5個(gè)大區(qū)，分別用羅馬字符文字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示：Ⅰ特強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)、Ⅱ 強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)、Ⅲ重大危險(xiǎn)區(qū)、Ⅳ 中度危險(xiǎn)區(qū)、Ⅴ較輕危險(xiǎn)區(qū)。新疆高速公路沿線風(fēng)害五大區(qū)域中以特強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)和強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)危害最大。提出了新疆“五橫七縱”高速公路風(fēng)害防控技術(shù)主要包括：風(fēng)害防控信息管理技術(shù)、防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)。因此本項(xiàng)研究對于制定全國高速公路風(fēng)害防控技術(shù)和安全行車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及防災(zāi)減災(zāi)有一定指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語與建議

5.1 新疆五橫七縱高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)的分布特征受天氣系統(tǒng)和地形影響的制約，以埡口、峽谷、山口、河谷、特大橋和高路基彎道區(qū)間強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)最多。其中五橫第一橫的百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)在157d～209d，是我國乃至世界高速公路風(fēng)害最嚴(yán)重的區(qū)間之一。

5.2 新疆高速公路大多數(shù)區(qū)間一年中以3～9月大風(fēng)最多，五橫第一橫百里風(fēng)區(qū)十三間房18d～25d，紅山口14d～20d，達(dá)坂城區(qū)間和三十里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間為11d～20d。阿拉爾一和田沙漠公路中部1d～3d，沙漠公路北部1d～2d，沙漠公路南部1d左右。

5.3 新疆高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間風(fēng)監(jiān)測結(jié)果表明：以芬蘭WXT520超聲波6要素風(fēng)向風(fēng)速傳感器精度最高。其次是三杯式風(fēng)速傳感器，但存在長期維修的隱患。熱場式風(fēng)向風(fēng)速傳感器雷雨大風(fēng)偏大5m/s～10m/s，寒潮大風(fēng)偏低3m/s～5m/s。建議采用芬蘭WXT520超聲波6要素風(fēng)向風(fēng)速傳感器。

5.4 高速公路強(qiáng)風(fēng)區(qū)間短時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化增量在±5.0m/s之間，最大瞬時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間變化遵循正弦波周期。

5.5 新疆高速公路沿線全年強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖分析結(jié)果表明：新疆高速公路沿線受強(qiáng)橫風(fēng)影響的區(qū)間分布在百里風(fēng)區(qū)區(qū)間、三十里風(fēng)區(qū)高路堤彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間、瑪依塔斯強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間、克拉瑪依至烏爾禾強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間等。上述區(qū)間風(fēng)季常常出現(xiàn)傾覆翻車事故，對安全行車影響很大。

5.6 新疆高速公路沿線風(fēng)害5大區(qū)域中以風(fēng)害特強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)和強(qiáng)重大危險(xiǎn)區(qū)的強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間風(fēng)害最嚴(yán)重。建議采取防風(fēng)柵防護(hù)措施和風(fēng)害防控信息管理技術(shù)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.013

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（編號：2009318000024）