潘新民，閆宏凱，沙艷萍

（1.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊830011；3.新疆空中交通管理局阿克蘇站，新疆 阿克蘇843000）

蘭新客運(yùn)專線是中國(guó)首條跨越風(fēng)沙戈壁的高速鐵路，正線全長(zhǎng)1776 km，新疆段線路長(zhǎng)度710 km，烏魯木齊南至哈密段于2014 年11 月16 日通車。蘭新客運(yùn)專線穿越煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等四大風(fēng)區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，部分區(qū)段年均＞8 級(jí)大風(fēng)天數(shù)達(dá)到208 d，最大風(fēng)速60 m/s。 由于風(fēng)速大、風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)預(yù)測(cè)成為保障行車安全的關(guān)鍵。

由世界氣象中心確定的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式[1]，準(zhǔn)確率近幾十年不斷提升，精細(xì)化程度不斷提高，例如歐洲中心的IFS-HRES、 中國(guó)的GRAPS_GFS、德國(guó)的ICON、日本的GSM 等模式，最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效可達(dá)10～16 d，水平分辨率可達(dá)9 km。 雖然在時(shí)間和空間分辨率上都能提供較為精細(xì)的多要素氣象預(yù)報(bào)，但對(duì)復(fù)雜地形的強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)普遍偏小， 遠(yuǎn)不能滿足動(dòng)車實(shí)時(shí)行車安全調(diào)度以及動(dòng)車安全試驗(yàn)的特殊要求。在風(fēng)災(zāi)方面， 日本鐵路是世界各國(guó)受大風(fēng)影響較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。 日本在北海道牧場(chǎng)邊進(jìn)行了自然條件下全尺寸模型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 試驗(yàn)進(jìn)行了3 a 的觀測(cè)，對(duì)10 min 內(nèi)的平均橫風(fēng)系數(shù)和風(fēng)向角的關(guān)系進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到了和風(fēng)洞試驗(yàn)基本一致的結(jié)果。我國(guó)對(duì)京津城際CRH3 動(dòng)車組大風(fēng)天氣條件下安全行車技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了研究[2-4]，取得了鐵路沿線瞬間最大風(fēng)速的危險(xiǎn)度分級(jí)。

本文通過(guò)對(duì)MM5、EC、T639、GRAPS 等各種數(shù)值預(yù)報(bào)的效果檢驗(yàn)， 以及通過(guò)上下游指標(biāo)站要素相關(guān)法、氣壓溫度多要素回歸方程法、神經(jīng)元等多種預(yù)報(bào)方法的嘗試， 研究總結(jié)出2 種有效的大風(fēng)精細(xì)化方法：基于EC 細(xì)網(wǎng)格二次建模和上游指標(biāo)站法，并將精細(xì)化預(yù)報(bào)成果運(yùn)用于實(shí)際的動(dòng)車安全防范中。為了保障動(dòng)車組在風(fēng)區(qū)的行車安全，由鐵路部門、科研院所、 氣象部門在線路調(diào)試期間和運(yùn)營(yíng)期間共同組織實(shí)施了11 次大風(fēng)條件下動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)，取得了我國(guó)CRH 系列動(dòng)車組在大風(fēng)環(huán)境下實(shí)車運(yùn)行的第一手資料， 為高寒強(qiáng)風(fēng)沙地區(qū)新型動(dòng)車組的定型和大風(fēng)天氣下動(dòng)車組安全運(yùn)行辦法的制定積累了大量珍貴的數(shù)據(jù)。

氣象部門圍繞蘭新客運(yùn)專線動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)展開(kāi)的局地短時(shí)精細(xì)化大風(fēng)預(yù)報(bào)是一種全新的氣象服務(wù)保障模式， 在動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備、進(jìn)度安排、試驗(yàn)計(jì)劃修訂以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)的全過(guò)程中提供了及時(shí)準(zhǔn)確有效的氣象信息， 為行車安全試驗(yàn)提供了有力的氣象保障。

1 大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)方法及其應(yīng)用效果分析

動(dòng)車運(yùn)營(yíng)不僅要求大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)不斷提高時(shí)間分辨率，例如3 h、1 h 甚至更細(xì)，同時(shí)對(duì)風(fēng)速大小的準(zhǔn)確率更為關(guān)注， 風(fēng)速趨勢(shì)的預(yù)報(bào)及誤差會(huì)直接影響到動(dòng)車安全運(yùn)營(yíng)調(diào)度。以2014—2017 年新疆鐵路強(qiáng)風(fēng)區(qū)逐小時(shí)風(fēng)速監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)， 通過(guò)對(duì)EC等細(xì)網(wǎng)格模式進(jìn)行反算， 建立了2 種預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高的大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)方法。

1.1 基于EC 細(xì)網(wǎng)格的二次建模法

通過(guò)利用EC 細(xì)網(wǎng)格風(fēng)場(chǎng)700、850、925 hPa 高度，不同預(yù)報(bào)時(shí)效（3、6、9…240 h）資料，挑選典型天氣過(guò)程，針對(duì)不同地點(diǎn)，選取相應(yīng)有效樣本，在數(shù)值預(yù)報(bào)輸出的預(yù)報(bào)值基礎(chǔ)上，通過(guò)多項(xiàng)式線性回歸，重新建立預(yù)報(bào)和對(duì)應(yīng)實(shí)況的預(yù)報(bào)方程， 從而進(jìn)行大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)，稱為二次建模法，二次建模大風(fēng)預(yù)報(bào)關(guān)系式如下：

x 是表示數(shù)值預(yù)報(bào)EC 細(xì)網(wǎng)格850 hPa 對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)站點(diǎn)的風(fēng)速預(yù)報(bào)值，y 表示二次建模修正后的預(yù)報(bào)值，A1、A2、A3、A4為多項(xiàng)式方程的系數(shù)。

蘭新客運(yùn)專線沿線四大風(fēng)區(qū)訂正方程系數(shù)見(jiàn)表1，從表1 可以看出，四大風(fēng)區(qū)預(yù)報(bào)訂正方程均通過(guò)了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)（P=0.254 0）。 通過(guò)對(duì)EC細(xì)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)站點(diǎn)的二次建模訂正， 風(fēng)速預(yù)報(bào)值更接近實(shí)況（圖1）。

表1 蘭新客運(yùn)專線沿線四大風(fēng)區(qū)訂正方程系數(shù)

1.2 上游指標(biāo)站預(yù)報(bào)方法

圖1 基于EC 細(xì)網(wǎng)格的2015 年8 月大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)

上游指標(biāo)站的區(qū)域模式：根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算表明，處于上游的50 km 處木壘的風(fēng)速與處于下游的十三間房的風(fēng)速前后具有一定的相關(guān)性。 通過(guò)這種相關(guān)關(guān)系， 以上游木壘的風(fēng)速估測(cè)下游十三間房的起止風(fēng)時(shí)間和風(fēng)速大小，就叫做上游指標(biāo)站法。在冷空氣入侵過(guò)程中， 這種用上游鄰近站的要素作某地要素精細(xì)化預(yù)報(bào)，是一個(gè)簡(jiǎn)單易行的方法。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，木壘處于十三間房的天氣上游，因此用木壘延時(shí)1~20 h 的風(fēng)速與十三間房風(fēng)速做相關(guān)性分析。 分別用2013—2014 年共計(jì)20 次典型大風(fēng)過(guò)程的逐時(shí)風(fēng)速資料，計(jì)算延時(shí)1~20 h 的相關(guān)系數(shù)， 分析得出上游指標(biāo)站木壘和預(yù)報(bào)站點(diǎn)十三間房，起風(fēng)時(shí)間相差8 h 左右，利用這一特點(diǎn)，建立上下游站點(diǎn)的風(fēng)速?gòu)?fù)相關(guān)方程， 通過(guò)木壘當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)速，預(yù)測(cè)十三間房站未來(lái)延時(shí)8 h 的風(fēng)速，機(jī)理參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]：

Y 為預(yù)測(cè)站點(diǎn)十三間房站的風(fēng)速預(yù)報(bào)值，X6、X7、X8分別為木壘站前6、7、8 h 的極大風(fēng)速值，相關(guān)系數(shù)R 為0.764 3， 通過(guò)了0.01 的顯著性水平檢驗(yàn)（P=0.254 0）。

1.3 誤差分析

利用基于EC 細(xì)網(wǎng)格的二次建模法和上游指標(biāo)站預(yù)報(bào)方法，對(duì)2014—2017 年歷史資料進(jìn)行反算并和實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析， 大風(fēng)趨勢(shì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率可達(dá)85%， 總體風(fēng)速值平均誤差由原始EC 模式的5 m/s降至2 m/s，各月風(fēng)速平均誤差見(jiàn)圖2，除12 月誤差較大外，其他各月預(yù)報(bào)和實(shí)況誤差均在2 m/s 內(nèi)。

1.4 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

圖2 各月風(fēng)速平均誤差分析

大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)采用邊研究邊應(yīng)用的方法，預(yù)報(bào)結(jié)果直接應(yīng)用于大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)中。 從2014—2017 年11 次大風(fēng)試驗(yàn)局地短時(shí)預(yù)報(bào)和實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比來(lái)看（表2），風(fēng)速極大值出現(xiàn)時(shí)間誤差均在1 h 內(nèi)，極大值平均誤差在2～4 m/s。例如：2016 年5 月18—19 日南疆線大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了最強(qiáng)風(fēng)速段和量級(jí)， 預(yù)報(bào)3 個(gè)泉特大橋極大風(fēng)速可達(dá)50 m/s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況達(dá)到了51.9 m/s，效果較好。

2 大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)對(duì)動(dòng)車安全影響及應(yīng)用

2.1 動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

動(dòng)車安全試驗(yàn)的計(jì)劃組織、試驗(yàn)大綱編制、試驗(yàn)內(nèi)容的確定、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施等，涉及到多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且需要10 d 左右的完成周期，根據(jù)試驗(yàn)中不同關(guān)鍵環(huán)節(jié)的需求，將中期、短期、逐小時(shí)精細(xì)化預(yù)報(bào)分別與各關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)， 并給出定量化的氣象預(yù)報(bào)（表3），越接近試驗(yàn)開(kāi)始對(duì)預(yù)報(bào)精度的要求越高，最終試驗(yàn)?zāi)芊癯晒χ苯尤Q于由公式（1）、（2）形成的大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

表2 2014—2017 年11 次大風(fēng)試驗(yàn)預(yù)報(bào)和實(shí)況對(duì)比

2.2 動(dòng)車安全試驗(yàn)氣象預(yù)報(bào)指標(biāo)

根據(jù)表3 中動(dòng)車試驗(yàn)各環(huán)節(jié)不同的具體要求，依據(jù)公式（1）、（2） 方法提供的大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)結(jié)果，同時(shí)考慮預(yù)報(bào)整體誤差，結(jié)合風(fēng)區(qū)統(tǒng)計(jì)特征分析[6-14]， 以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)列車穩(wěn)定性參數(shù)等數(shù)據(jù)分析，得出了以大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)為主導(dǎo)的動(dòng)車安全試驗(yàn)氣象預(yù)報(bào)指標(biāo)（表4）。 預(yù)報(bào)指標(biāo)的制定為大風(fēng)行車安全提供了保障和決策依據(jù)。

表3 動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

表4 氣象服務(wù)保障模式氣象預(yù)報(bào)指標(biāo)

2.3 各級(jí)預(yù)警閥值制定

大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車安全運(yùn)行的核心保障， 是制定不同風(fēng)速下列車的安全運(yùn)行速度，即安全預(yù)警閥值，超過(guò)安全風(fēng)速閥值時(shí)列車必須減速或停止運(yùn)行。 在新疆特殊強(qiáng)風(fēng)區(qū)高鐵安全運(yùn)行閥值基本為空白，是通過(guò)大風(fēng)專項(xiàng)動(dòng)力試驗(yàn)來(lái)取得和制定的， 試驗(yàn)采用真實(shí)的高鐵加載各種試驗(yàn)儀器， 在不同的風(fēng)速環(huán)境下， 以不同的速度在大風(fēng)中行駛并測(cè)試各種運(yùn)行穩(wěn)定性參數(shù)和可能導(dǎo)致列車傾覆的臨界風(fēng)速值。 大風(fēng)專項(xiàng)動(dòng)力試驗(yàn)何時(shí)開(kāi)展、在哪個(gè)區(qū)段做、大風(fēng)持續(xù)的時(shí)間、最佳試驗(yàn)時(shí)段（>28 m/s 的風(fēng)速持續(xù)6 h 以上）等， 都需要以逐小時(shí)大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)來(lái)科學(xué)指揮和保障。

2014 年3 月—2015 年4 月在蘭新客專線開(kāi)展的大風(fēng)條件下動(dòng)車組行車安全專項(xiàng)試驗(yàn)，共進(jìn)行73次搭載聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)、11 次152 單程專項(xiàng)試驗(yàn)，累計(jì)試驗(yàn)里程17 630 km， 通過(guò)分析試驗(yàn)期間不同運(yùn)行速度下車輛安全狀態(tài)和各種穩(wěn)定性參數(shù)，從而建立了在不同風(fēng)速條件下高鐵的各級(jí)預(yù)警閥值（表5）。

表5 蘭新客運(yùn)專線風(fēng)速預(yù)警閥值

當(dāng)大風(fēng)風(fēng)向與列車行徑方向垂直（即為橫風(fēng)）時(shí)，直接作用于列車上的風(fēng)速為全風(fēng)速，行車致災(zāi)風(fēng)速閾值以表5 所示預(yù)警閾值為參考依據(jù)； 如遇風(fēng)向與列車線路存在夾角， 則可將風(fēng)速分解為與列車行徑方向平行和垂直的2 個(gè)方向風(fēng)速， 并依據(jù)垂直于列車行徑方向的風(fēng)速分量與致災(zāi)預(yù)警閥值相對(duì)關(guān)系確定列車運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文利用EC 數(shù)值預(yù)報(bào)細(xì)網(wǎng)格二次建模和上游指標(biāo)站2 種預(yù)報(bào)方法，開(kāi)展了大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)研究，成果應(yīng)用于新疆鐵路部門開(kāi)展的大風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)中，得到以下結(jié)論：

（1）不斷發(fā)展的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，在時(shí)間和空間分辨率上基本滿足了精細(xì)化預(yù)報(bào)的需求， 但對(duì)特殊區(qū)域強(qiáng)風(fēng)的預(yù)報(bào)誤差仍較大， 遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求，通過(guò)研究分析，得出了基于EC 細(xì)網(wǎng)格二次建模和上游指標(biāo)站2 種大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)方法， 預(yù)報(bào)誤差得到了明顯減小， 可滿足行車調(diào)度和防災(zāi)應(yīng)急指揮對(duì)氣象信息的特殊需求。

（2） 利用基于EC 細(xì)網(wǎng)格的二次建模法和上游指標(biāo)站預(yù)報(bào)方法，對(duì)2014—2017 年歷史資料進(jìn)行反算并和實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析， 大風(fēng)趨勢(shì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率可達(dá)85%，總體風(fēng)速值誤差在2 m/s 左右，各月風(fēng)速平均誤差除12 月誤差較大外，其他各月預(yù)報(bào)和實(shí)況誤差均在2 m/s 內(nèi)。 在此基礎(chǔ)上，制定了一套科學(xué)合理的以大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)為決策指導(dǎo)的大風(fēng)動(dòng)力試驗(yàn)預(yù)報(bào)指標(biāo)模式。

（3）分析大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)方法精度，從2014—2017 年11 次大風(fēng)試驗(yàn)局地短時(shí)預(yù)報(bào)和實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比來(lái)看，在大風(fēng)情況下，起風(fēng)時(shí)間誤差和極大值出現(xiàn)時(shí)間誤差均在1 h 內(nèi)，極大值平均誤差在2~4 m/s。

（4）結(jié)合影響動(dòng)車安全試驗(yàn)的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)，得出不同時(shí)效短時(shí)精細(xì)化預(yù)報(bào)的氣象保障服務(wù)模式，在蘭新客專線大風(fēng)條件下動(dòng)車組行車安全試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備、進(jìn)度安排、試驗(yàn)計(jì)劃修訂以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)的全過(guò)程中，提供了及時(shí)準(zhǔn)確有效的氣象信息，為行車安全試驗(yàn)的開(kāi)展提供了有力的氣象信息支持。 在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)拓展和鐵路部門的合作，增加災(zāi)害性天氣的局地短時(shí)預(yù)報(bào)，輔助鐵路日常行車調(diào)度指揮，也可降低災(zāi)害天氣下行車安全風(fēng)險(xiǎn)。