柯裕州，姜鑫貴，王麗娜，楊梅香,徐赟

(1.西藏自治區(qū)林木科學研究院，西藏 拉薩 850000；2.中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.北京林業(yè)大學，水土保持學院，水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學，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)，導致鐵路安全運營受到嚴峻的風沙威脅[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、強輻射、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施[5～7]，機械措施的防護效益也隨著攔沙設施攔截的沙物質增多而降低[8]，甚至喪失防沙功能，經常需要人工清理，增加了鐵路維修管護成本[9]。青藏鐵路北麓河段地處多年凍土區(qū)，平均海拔達 4 600 m，實地勘察發(fā)現，迎風側前幾排沙障基本被埋沒，尤其在南岸離鐵路約50 m處高達2 m的攔沙墻已被掩埋，成為鐵路安全運營的隱患。風是鐵路沙害的最主要的趨動力，其攜沙能力隨風速增大而增強，受阻后在鐵路兩旁堆積的沙物質相應增多。路基積沙致使道軌不平整，極有可能發(fā)生列車側滑和脫軌等問題[11][12]。研究表明，北麓段屬于高風能環(huán)境，冬春季節(jié)風向變化相對單一、風力較大，夏季和秋季方向變化較大、風力較小。目前青藏鐵路治沙缺乏適合的植物措施，多以機械沙障布設為主。在長時間尺度上分析北麓河段風況，可為機械沙障防護的規(guī)劃設計和長期布局以及青藏鐵路的防沙治沙工作提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

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

1.2 計算方法

1.2.1 風氣象統(tǒng)計

我國氣象觀測業(yè)務中規(guī)定，瞬間風速達到或超過17 m·s-1的風稱為大風，某一日中有大風出現，便將該日計入大風日數[13]。沙塵暴是指強風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)時間較短特點的概率小危害大的災害性天氣現象。研究表明出現沙塵暴的天數可以表征區(qū)域風沙活動的強度[14]。本研究將風速>17 m·s-1的、能見度>1 km、空氣相對濕度<90的天氣進行統(tǒng)計，并將其算入大風日數和沙塵暴發(fā)生日數中。

1.2.2 起沙風風況特征統(tǒng)計

依據已有的相關研究，將10m高處的沙粒啟動風速取為6 m·s-1。首先統(tǒng)計年平均風速，再對原始數據中≥6 m·s-1起沙風、最大風速以及起沙風出現頻率進行統(tǒng)計，進而分析起沙風的季節(jié)變化。將風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≥6 m·s-1的起沙風在16個方位出現的頻率，對每月不同方向上的起沙風進行分析。

1.2.3 合成輸沙勢計算

輸沙勢(drift potential,DP)即輸沙風能，數值以矢量單位(vector unit,VU) 表示，16 個方位上的合成方向為合成輸沙方向( 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高度的風速；

Vt——臨界起沙風速，其值為6.0 m·s-1；

t——刮風時間(次數)。

注：計算時，將風速速度單位m·s-1均轉換為節(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表示風向變率指數，用來表示風向的變化程度[16～18]。

2 結果與分析

2.1 風況指標年際變化

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

圖1 風況各指標年際變化特征Fig.1 Interannual variation of indicators

2.2 風向變化

統(tǒng)計結果顯示， W和WNW方向的起沙風出現頻率最高，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%，其余風向出現的頻率在1%～5%的范圍內；SE、SSE方向最小分別為0.51%和0.58%。W、WNW方向出現頻率之和為54.65%，2002年達到66.22%。從圖2可知，除1987—1989年外，W風向出現的頻率大，1998—2009年平均高出27.84%；1973—1997年及2009年后兩者出現的頻率相差不大，W與WNW風向出現頻率的方差為0.073和0.064，出現頻率隨時間變化未產生較大波動。說明起沙風W、WNW應該是北麓河地區(qū)的第一、第二主導方向且在的40多年間一直保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2 主要風向起沙風頻率年際變化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在1997年，總輸沙勢為323.70 VU。據Fryberger對區(qū)域風能的分類，除1997年外，北麓河地段均屬高風能環(huán)境。輸沙變率指數(RDP/DP)是反映風場方向的重要指標，比率與復合風況有關[15]。中比率與鈍雙峰風況或銳雙峰風況有關，而大比率主要與單峰風況有關[19]，由圖3可知，1983和1997年風向變率為中比率，鈍雙峰風況外，其余均為大比率，單峰風況。

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)，輸沙勢最大的方向為W方向，其次為WNW與WSW，其余方向的輸沙勢都相對較小，與各風向每年出現的頻率規(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系數為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風為主，偶爾會出現WNW風；其次為4月，以WNW方向為主。整體上來看，10月的合成輸沙勢略小于4月，方向仍以W風為主；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

從風速、大風日數和輸沙勢等指標看，1973—2015年間風力呈減小趨勢，與Robert Vautard[20]提出的北半球最近30a風速減慢的結果一致。風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，對風的阻力增加。溫度上升及地面粗糙度增加致使青藏高原風速降低。北麓河段的風有明顯的季節(jié)性，冬春季主要受西風氣流影響，夏季隨著西風帶氣流退到青藏高原以北，高原東西兩側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為主風方，而5月～9月(夏、秋季)西風帶氣流作用持續(xù)減弱，此時主風方向并在年際上并未無明顯變化規(guī)律。

隨著時間推移，北麓河的風況整體上處于減弱的狀態(tài)， 2000年以前風沙天氣出現頻率較高，2000年后風沙天氣出現下降趨于平穩(wěn)；2006年北麓河風況并未出現較大變化，而鐵路沙害卻日趨嚴重，因此沙害治理不能只依靠于風速減弱。根據IPCC(2014)報告，全球區(qū)域溫度幾十年來處于上升過程，預測21世紀全球平均氣溫上升速率達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，表層土壤的結構更加松散，極易受風影響而起沙。北麓河風能較大的時間主要集中在冬春季，地表沙物質增加，即使北麓河風力減弱或保持穩(wěn)定狀態(tài)，沙害依舊日益嚴重。溫度上升成為了影響高寒沙區(qū)鐵路沙害的主要氣候因子，青藏鐵路沿線的沙害防治形式愈發(fā)嚴峻。

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