摘要: 川藏铁路穿越了地形复杂、气候多变的川西高原和青藏高原地区，这些地区的地形和气候对地面风场具有重要影响。本文旨在分析川藏铁路沿线地面风场的变化特征，为铁路的线路设计和工程建设提供参考以及科学依据。本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的再分析数据集中1950年1月至2023年12月的地面10米风速再分析资料，对川藏铁路沿线地面风场时空分布特征以及变化规律进行分析。结果表明：1) 川藏铁路地区平均风速较大的区域主要集中在铁路的中部和西部，具体位于理塘、昌都以及拉林段铁路两侧；而在雅安周边、昌都部分地区以及林芝东侧和南侧，风速较小。2) 川藏铁路地区平均风速随海拔升高变化情况如下：在0~1500 m范围内，平均风速随海拔升高而降低；在1500~5500 m范围内，风速随海拔升高而升高；在高于5500 m范围内，风速随海拔升高而降低。且海拔在4500~6000 m内时，平均风速较大。3) 1950~2023年平均风速总体呈现上升趋势，其中夏季增速最快，每十年上升0.012 m/s，夏季当中6月份增速最快，每十年增加0.02 m/s。4) 川藏铁路沿线风速较大的月份集中在5月~7月，平均风速超过0.90 m/s，其中6月的平均风速最高，达到约0.95 m/s。风速较小的月份为3月~5月，平均风速低于0.75 m/s，4月的平均风速最低，低于0.70 m/s。从4月份至6月份，风速急速增加，应重点关注。5) 12月至次年4月，即冬季和春季，极大风速波动较大，而在夏季和秋季两季的风速相对较小且平稳。整体来看，各个月的极大风速没有明显变化，但在许多年份存在波动。
Abstract: The Sichuan-Tibet Railway traverses the complex terrain and variable climate of the Sichuan-Western Plateau and Qinghai-Tibet Plateau regions. These regions’ terrain and climate significantly impact the surface wind field. This paper aims to analyze the changing characteristics of the surface wind field along the Sichuan-Tibet Railway, providing reference and scientific basis for railway route design and engineering construction. Utilizing reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) from January 1950 to December 2023, this paper analyzes the temporal and spatial distribution characteristics and change patterns of the surface wind field along the Sichuan-Tibet Railway. The results show: 1) The areas with higher average wind speeds are mainly concentrated in the central and western parts of the railway, specifically on both sides of the Litang, Chamdo, and Lalin sections, while the areas around Ya’an, parts of Chamdo, and the eastern and southern sides of Nyingchi have lower wind speeds. 2) The change in average wind speed with altitude along the Sichuan-Tibet Railway is as follows: in the 0~1500 m range, average wind speed decreases with altitude; in the 1500~5500 m range, wind speed increases with altitude; above 5500 m, wind speed decreases with altitude, with higher average wind speeds occurring in the 4500~6000 m range. 3) From 1950 to 2023, the overall average wind speed shows an upward trend, with the fastest increase in summer, rising by 0.012 m/s per decade, and June showing the fastest increase within summer, rising by 0.02 m/s per decade. 4) The months with higher wind speeds along the Sichuan-Tibet Railway are concentrated from May to July, with average wind speeds exceeding 0.90 m/s, and June having the highest average wind speed at about 0.95 m/s. The months with lower wind speeds are from March to May, with average wind speeds below 0.75 m/s, and April having the lowest average wind speed at about 0.70 m/s. Wind speeds increase rapidly from April to June, warranting close attention. 5) From December to April of the following year, during winter and spring, extreme wind speed fluctuations are larger, while wind speeds are relatively smaller and more stable in summer and autumn. Overall, the extreme wind speeds do not show significant changes throughout the months but exhibit fluctuations in many years.
1. 引言
川藏铁路连接四川省与西藏自治区，是中国第二条进藏铁路，它的规划建设对国家长治久安和西藏经济社会发展具有重大意义。它穿越青藏高原东南主体，该地区地形高差大、气候分带明显，被称为“最难建的铁路”。国内的研究表明，我国川藏地区是雷暴、大风等灾害天气频发地区[1]-[6]。这些灾害天气对铁路交通尤其是高速列车的运行安全构成了严重威胁。大风对高速列车的影响尤为显著，会导致列车限速运行、禁行，甚至引发异物侵袭事件。如果风强度过高，还可能导致列车脱轨[7]-[14]。本文旨在研究川藏铁路沿线地面风场的变化特征，为实时动态监测、预警和风险评估提供参考依据，有助于提升铁路运行的安全性和稳定性，了解地面风场的变化特征对于铁路的线路设计和工程建设具有重要参考价值。风是影响列车行驶安全的关键因素之一，了解川藏铁路沿线地面风场的变化特征，可以帮助铁路部门采取相应的防风措施，确保列车行驶的安全稳定。地面风场的特征不仅对铁路线路的设计和工程建设有重要影响，还可以为铁路线路的优化设计和工程建设提供科学依据。
2. 资料与方法
2.1. 资料
本研究采用了欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的再分析数据，具体使用了土地月平均数据中的10米风场再分析数据和单层逐小时最大风速数据。本研究下载了1950年1月至2023年12月的地面10米风速月平均再分析数据和单层逐小时最大风速数据，月平均数据的空间分辨率为0.1˚ × 0.1˚，而逐小时最大风速数据的空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚。数据的空间范围覆盖川藏铁路沿线(经度89˚E至105˚E，纬度28˚N至32˚N)。
2.2. 方法
本文将下载的ERA5数据进行质量检查和格式转换，以确保数据完整性和一致性，数据格式主要为NetCDF，通过Python中的NetCDF4库进行读取和处理。使用NumPy和Pandas库对风速数据进行统计分析，计算其时空分布特征和变化趋势，并结合川藏铁路沿线的空间数据文件，选取范围为川藏铁路沿线100公里的区域，通过Geopandas库进行处理和分析，利用Matplotlib库绘制风速的时空分布图和变化趋势图，以直观展示研究结果。
3. 川藏铁路沿线风场变化特征分析
3.1. 1950~2023年地面风场整体分布和季节空间分布
Figure 1. The spatial distribution of the average wind speed along the Sichuan-Tibet Railway from 1950 to 2023
图1. 川藏铁路沿线1950~2023年平均风速空间分布
图1为1950年至2023年川藏铁路沿线平均风速的空间分布情况。从图中可以观察到，该铁路沿线的平均风速分布范围为0.25~1.75 m/s。值得注意的是，风速较大的区域主要集中在成都平原、理塘、昌都、林芝西侧以及拉萨地区附近。在成都平原地区，风速维持在1.00~1.25 m/s之间；而理塘地区的风速则普遍在1.50 m/s以上。昌都地区存在一个U型风速较大的区域，其平均风速范围介于1.00~1.50 m/s之间。林芝西侧也有一个风速较大的区域，该区域的中心平均风速超过1.25 m/s。至于拉萨地区周边，风速普遍较大，南沿甚至超过1.50 m/s。
由图2可以看出川藏铁路风速较大的区域主要集中在铁路西部和中部地区；在雅安周边、昌都部分地区以及林芝东侧和南侧，风速较小。
3.2. 风速随海拔变化规律分析
川藏铁路穿越中国第一阶梯和第二阶梯，始于成都平原，经过横断山脉、川西高原，一直延伸至
(a) (b)
(c) (d)
Figure 2. The spatial distribution map of average wind speed for each season
图2. 各季节平均风速的空间分布图
青藏高原东部，最终抵达拉萨平原，全程海拔跨度达到6000米。因此，研究海拔高度对风速的影响尤为重要。图3展示了川藏铁路线周边100公里范围内不同海拔高度的平均风速情况。从图中可以看到，在海拔0~1500米范围内，随着海拔的增加，平均风速反而下降。而当海拔在1500~5500米范围内时，平均风速随着海拔的增加而增加，在海拔达到5000~5500米范围内，平均风速达到最大值，约为1.0 m/s。然而，随着海拔继续上升，平均风速又开始下降。这表明，在中高海拔地区，随着海拔的增加，风速逐渐增大，相应的风险也增加，特别是在4500~6000 m范围内，平均风速较大。因此，在铁路建设过程中，应特别关注这一段路段的风险管理。
Figure 3. The variation of average wind speed with altitude along the Sichuan-Tibet Railway
图3. 川藏铁路沿线平均风速随海拔变化
川藏铁路穿越中国第一阶梯和第二阶梯，始于成都平原，经过横断山脉、川西高原，一直延伸至青藏高原东部，最终抵达拉萨平原，全程海拔跨度达到6000米。因此，研究海拔高度对风速的影响尤为重要。图3展示了川藏铁路线周边100公里范围内不同海拔高度的平均风速情况。从图中可以看到，在海拔0~1500米范围内，随着海拔的增加，平均风速反而下降。而当海拔在1500~5500米范围内时，平均风速随着海拔的增加而增加，在海拔达到5000~5500米范围内，平均风速达到最大值，约为1.0 m/s。然而，随着海拔继续上升，平均风速又开始下降。这表明，在中高海拔地区，随着海拔的增加，风速逐渐增大，相应的风险也增加，特别是在4500~6000 m范围内，平均风速较大。因此，在铁路建设过程中，应特别关注这一段路段的风险管理。
3.3. 平均风速年际变化规律
图4为川藏铁路沿线年平均风速的年际变化图，从图中可以看出，川藏铁路沿线的年平均风速总体呈上升趋势，但上升不明显，1950年至2023年仅上升约0.05 m/s。平均风速在多个年份有较大波动，波动范围大多在0.65~0.85 m/s这一范围内。
Figure 4. The interannual variation of the annual average wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图4. 川藏铁路沿线年平均风速年际变化
图5展示了川藏铁路沿线1950年至2023年四个季节的平均风速年际变化曲线图，从这张图我们也能够看出，川藏铁路沿线总体的平均风速是呈现上升趋势的，且有较强的波动。其中夏季风速上升最为显著，每十年增长约0.012 m/s；春季上升趋势较为平缓，每十年平均风速仅增加约0.006 m/s，但该季节风速波动仍较强。从图中还可以看出，各季节在一些年份平均风速骤然上升，可能是出现某些极端的风速事件。
Figure 5. The interannual variation of seasonal average wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图5. 川藏铁路沿线季节平均风速年际变化
图6给出了川藏铁路沿线1950年至2023年的平均风速年际变化曲线图。从图中可以看出，大多数月份的平均风速都呈现轻微的上升趋势，只有4月的平均风速略有下降，但下降不明显，每十年仅下降约0.0023 m/s。总体是呈现出略微上升的趋势。其中6月份的风速上升趋势最为明显，月平均风速每十年能上升约0.02 m/s。所有月份的平均风速有较大波动，因此，加强川藏铁路沿线风速的实时监测尤为重要。
Figure 6. The interannual variation of monthly average wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图6. 川藏铁路沿线月平均风速年际变化
3.4. 风速月变化规律分析
图7展示了川藏铁路沿线从1950年至2023年的平均风速逐月变化情况。从图表数据可以看出，川藏铁路在1月~2月期间的平均风速约为0.80~0.85 m/s，且风速呈上升趋势。这表明在冬季末和初春，风速逐渐增加。2月~4月的平均风速大约在0.70~0.85 m/s之间，呈现下降趋势，表明春季早期风速有所减弱。4月~6月的平均风速在0.70~0.95 m/s之间，风速迅速上升，并在6月达到最大值，约为0.95 m/s。这一阶段的风速变化表明在春季末和初夏风速增大，且在6月份达到全年最高值。6月~11月的平均风速在0.80~0.95 m/s之间，主要呈下降趋势，尽管在8月份风速有小幅上升，但总体下降趋势未变。这段时间覆盖了整个夏季和初秋，显示出总体风速减弱的趋势。在11月~12月期间，平均风速在0.80~0.95 m/s之间，风速再次呈上升趋势。这表明在秋季末期和初冬时期，风速有所回升。
总体来看，川藏铁路沿线风速较大的月份集中在5月~7月，平均风速超过0.90 m/s，其中6月的平均风速最高，达到约0.95 m/s。风速较小的月份为3月~5月，平均风速低于0.75 m/s，4月的平均风速最低，低于0.70 m/s。从平均风速的月际变化来看，4月~6月是川藏铁路风速变化的重要时段，需要重点关注。这段时间内风速的显著变化，对铁路的运营和维护可能产生重要影响，因此需要特别重视。
Figure 7. Spatial distribution of average 2 m air temperature along the Sichuan-Tibet Railway from 1950 to 2023
图7. 川藏铁路沿线1950~2023年平均2 m气温的空间分布图
3.5. 极大风速年际变化规律
相对于平均风速而言，极端大风灾害往往是造成灾害性天气的直接原因。图8展示了川藏铁路沿线年极大风速的年际变化，从图中可以看出，川藏铁路沿线总体年极大风速呈略微上升趋势，但趋势不明显，在74年年间，总共上升约0.5 m/s，但其波动较为显著，年极大风速的最大值和最小值之间相差约12 m/s。
Figure 8. The interannual variation of annual maximum wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图8. 川藏铁路沿线年极大风速年际变化
图10展示了川藏铁路川藏铁路沿线1950~2023年每个季节极大风速的年际变化，从图中可以明显看出冬季和春季的极大风速较大，范围在22.5~32.5 m/s；夏季和秋季的极大风速较小，大都在17.5~25.0 m/s，其中夏季的极大风速最小，只有少部分异常年份风速能超过22.5 m/s。从红色虚线的趋势线可以看出，春秋两季的极大风速在1950~2023年间几乎无明显变化：夏冬两季略有升高，但升高不明显。
Figure 9. The interannual variation of seasonal maximum wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图9. 川藏铁路沿线每季极大风速年际变化
图9展示了川藏铁路川藏铁路沿线1950~2023年每个季节极大风速的年际变化，从图中可以明显看出冬季和春季的极大风速较大，范围在22.5~32.5 m/s；夏季和秋季的极大风速较小，大都在17.5~25.0 m/s，其中夏季的极大风速最小，只有少部分异常年份风速能超过22.5 m/s。从红色虚线的趋势线可以看出，春秋两季的极大风速在1950~2023年间几乎无明显变化：夏冬两季略有升高，但升高不明显。
图10是川藏铁路沿线1950~2023年极大风速的年际变化，分1~12月逐月给出。由图可知，各月的极大风速存在一定的季节变化，在12月至次年的5月，即冬季和春季，月极大风速较大，基本都在20~30 m/s之间，且这些月份极大风速波动也较大，极大风速的最大值和最小值相差能达到15 m/s，而在夏秋两季，月极大风速较小，基本在20 m/s附近，最大不会超过25 m/s，且极大风速波动较小，最大值和最小值相差一般不超过10 m/s。从红色虚线的趋势线可以看出，所有月份的极大风速没有太明显的变化，没有长期上升或下降的趋势，只有少数月份如4月、6月和11月有轻微的上升趋势，7月和8月有轻微的下降趋势，其余月份相对较为平稳，无明显趋势。各月的极大风速在不同年份有较大波动，且在某些年份波动尤为明显，如1960年至1980年的3月份，月极大风速最小值小于25 m/s，最大风速一度逼近35 m/s。
4. 结论
1) 川藏铁路地区平均风速较大的区域主要位于铁路的中部和西部，具体在理塘、昌都以及拉林段铁路两侧，1950年至2023年年间，这些地区的年平均风速在1 m/s以上，部分地区甚至能达到1.5 m/s；在雅安周边、昌都部分地区以及林芝东侧和南侧，风速较小，平均风速小于1 m/s，部分地区小于0.25 m/s。
Figure 10. The interannual variation of monthly maximum wind speed along the Sichuan-Tibet Railway
图10. 川藏铁路沿线每月极大风速年际变化
2) 川藏铁路地区平均风速随海拔升高风速变化情况如下：在0~1500 m范围内，平均风速随海拔升高而降低；在1500~5500 m范围内，风速随海拔升高而升高；在高于5500 m范围内，风速随海拔升高而降低。且海拔在4500~6000 m内时，平均风速较大，应该重点关注海拔高度在这一范围的区域。
3) 川藏铁路地区1950~2023年平均风速总体呈现上升趋势，其中夏季增速最快，每十年上升0.012 m/s，夏季当中6月份增速最快，每十年增加0.02 m/s。
4) 川藏铁路沿线风速较大的月份集中在5月~7月，平均风速超过0.90 m/s，其中6月的平均风速最高，达到约0.95 m/s。风速较小的月份为3月~5月，平均风速低于0.75 m/s，4月的平均风速最低，低于0.70 m/s。4月~6月风速急速增大，应重点关注。
5) 12月至次年4月也就是春季和冬季风速波动较大，而在夏季和秋季的风速相对较小且平稳。整体来看，各个月的极大风速没有明显变化，但在许多年份存在波动。
前人对川藏铁路沿线的地面风场变化研究大多都只对地面风场的平均风速的年际变化进行了分析和讨论，本文则是更加系统的分析了川藏铁路沿线地面风场的各种变化，包括年际变化、极大风以及海拔对地面风场的影响，较为完整的分析了川藏铁路沿线地面风场的变化特征，对铁路线路的优化设计和工程建设提供科学依据。