上海轨道交通16号线高架地面段大风特征及测风设备布点研究

杨通晓，谈建国，史 军，3，韩志惠

（1.上海市生态气象和卫星遥感中心，上海 200030；2.上海市气候中心，上海 200030；3.上海市青浦区气象局，上海 201700）

引 言

气象条件对交通运输效率和运输安全有着重要影响［1－5］。城市轨道交通具有运量大、速度快、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，是城市发展经济和服务社会的重要交通设施，也是缓解城市交通拥堵的重要途径。然而，随着通车里程及行车速度的不断增加，城市轨道交通行车安全问题日益凸显［4－5］，尤其在台风、强对流等灾害性天气影响下，城市轨道高架地面线路的行驶列车极易发生侧滑、侧翻、出轨等运营事故［6－7］，造成人员伤亡、运营中断甚至整个城市或区域经济、社会功能瘫痪［8］。在经济全球化和城市规模不断扩大以及极端天气气候事件频发的背景下［9］，人们出行对城市轨道交通的依赖越来越大，灾害性天气对城市轨道交通的影响以及对城市造成的损失也越来越大［8，10］。因此，开展城市轨道交通的灾害性天气监测预警和影响评估研究，对保障城市安全和乘客人身安全、实现经济社会可持续发展具有重要意义。

近年来，国内外城市轨道交通重大运营事故时有发生，并造成严重后果［11－16］，如 2012年“海葵”台风影响上海期间，多条城轨线路被迫限速或停运［17］；2007年2月28日，新疆列车遭遇13级大风袭击，11节车厢脱轨，造成3人遇难。目前，针对城市轨道交通安全的研究多是从运营事故类型及事故原因调查［4，11－15］、轨道交通风险评价［16，18］等方面开展的定性分析。影响城市轨道交通的灾害性天气类型较多［8］，其中受台风影响的大风天气过程影响最大，且距离海洋越近风力越大［19］，在附近有大范围水系分布的路段，其风速有所增大，风速大小与距离水系的远近成正比［20－21］。然而，灾害性天气对轨道交通安全的影响及预警方法等方面缺乏定量的数理分析和佐证。因此，科学、定量地评估各种灾害性天气影响下城市轨道交通行车安全是城市轨道交通管理工作亟待解决的关键问题之一。

上海轨道交通16号线（以下简称“16号线”），北起龙阳路站，南至滴水湖站，全长58.96 km，其中地下线长约13.74 km，高架线长约45.22 km，共设有车站13个，是目前国内最快时速（120 km·h－1）的城市轨道交通路线。然而，16号线地处上海浦东新区东南部，濒临沿海大风区域［22］，且地势较为平坦，每年汛期相比其他线路受台风大风、冷空气大风和短时强对流等灾害性天气干扰而影响运营的程度和可能性都较大［17］，甚至有时对线路的安全运行造成威胁。目前上海城市轨道交通仅仅依靠气象部门发布的全市总体气象预警，并结合司机现场个人判断作出运营指挥调整，尚未建立具体轨道交通线路运行的气象预警，迫切需要开展16号线高架地面段大风特征分析，合理布设测风观测设备，加强对沿线大风的监测和预警。鉴于此，本文通过对浦东、南汇气象站历史大风观测资料和近年来台风影响期间16号线沿线周边自动气象站大风观测资料以及地表粗糙度数据，分析16号线及附近大风时空分布特征，提出16号线高架地面段测风设备布点建议，以期为16号线的安全运营提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料主要有：（1）上海浦东和南汇国家基本气象站2001—2018年逐日风观测资料，包括日最大风速及风向、日极大风速及风向，并从中选取两站中有一站满足日最大风速为6级（10.8 m·s－1）以上或阵风风速为 7级（13.9 m·s－1）以上的记录，共计348 d，并按照时间先后顺序依次编号。（2）2005—2018年台风过程影响上海时16号线沿线自动气象站逐时风观测资料。2005—2018年，共有24个台风影响上海，台风信息及影响时数见表1。根据24个台风影响期间上海16号线沿线自动气象站的逐时风数据，选择任何一个自动站最大风速大于或等于6级且持续3 h以上的过程，共计时数559 h（表1）。由于一些站点资料不完整，最后选取了靠近16号线的12个自动气象站（图1）观测资料，并进行了界限值、僵值、时间一致性检验等数据质量控制。（3）地表粗糙度资料。利用16号线沿线Landsat TM／ETM＋卫星影像反演的土地利用数据和地面高程数据，基于地表形态测量学方法计算地表粗糙度，空间分辨率为500 m。

图1 上海轨道交通16号线及沿线基本站、自动站分布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层风速计算方法

地表粗糙度是影响近地面风速的重要指标［23］。本文采用地表形态测量学方法［24］计算地表粗糙度，即根据地面粗糙元的形态和分布估测下垫面空气动力学参数，分为城区和非城区两部分，城区的空气动力学粗糙度是基于粗糙元高度进行计算，而郊区因下垫面较为均一且地势平缓，是基于土地利用类型，对每一类型的空气动力学粗糙度赋予特定的数值［23］。

近地层分为惯性子层和粗糙子层，惯性子层内具有恒定的剪应力和水平均一的气流，惯性子层底部对应着混合高度，而在粗糙子层内，受近地面地表形态的影响，气流具有很大的不均一性，粗糙度可以较好地描述局地下垫面对风速的影响。

对于粗糙子层内风速的推算，利用对数廓线方程可得到10 m高度的风速U10，公式［25］如下：

式中：Ubh（m·s－1）为混合层高度的风速；Zbh（m）为混合层高度；Zd＿local（m）为局地零平面位移；Z0＿local（m）为局地地表粗糙度。

倘若平均建筑物高度大于10 m，则对数廓线方程不再适用，故而采用指数廓线方程推算，公式［26］如下：

表1 2005—2018年影响上海的台风及其影响时段Tab.1 Typhoons affecting Shanghai and their lasting periods from 2005 to 2018

式中：Uh＿local（m·s－1）为局地建筑物平均高度风速；hm＿local（m）为局地建筑物平均高度；λf为局地粗糙元迎风面面积指数；σh（m）为局地建筑物高度的标准差。λf、hm＿local、σh均基于地面高程计算获得。

本文以浦东非城区10 m高度风场作为背景场，通过近地面层风速插值推算10 m高度风速分布。为减小插值过程中空间环境不均匀性带来的影响，将10 m高度背景风速利用公式（1）转换成混合层高度风速，再根据研究区的土地类型利用公式（1）或（2）向下插值得到10 m高度风速。

1.2.2 阵风系数的计算方法

大风的阵性特征是结构工程设计关注的破坏因子之一，通常以阵风系数来反映风的阵性。一般情况下，将持续时间小于3 s的风称为阵风，并定义最大阵风风速与持续10 min的平均风速之比为阵风系数［27］，公式如下：

式中：Vτ（m·s－1）为持续时间为 τ的最大阵风风速（m·s－1）为 10 min的平均风速。

1.2.3 车辆行车风险的计算方法

强风对运行车辆形成的风压会影响行车的稳定性，严重时甚至导致脱轨事故［28］。本文主要考虑影响车辆侧向稳定性的气动升力Fl（N）、侧向气动力Fs（N）、倾覆力矩M（N·m）在不同主导风向下的变化特性，公式如下：

式中：A（m2）为车辆侧向投影面积，取72.9 m2；ρ（kg·m－3）为空气密度；Vh（m·s－1）为车辆所在位置的风速；H（m）为车辆中心高度，取 2.3275 m；Cl、Cs、Cm分别为气动升力系数、侧向气动力系数和倾覆力矩系数，为实际风致气动力与参考高度来流风致气动力的比值，且随风攻角β的变化而不同。轨道交通车辆在行驶中所受的风压实际上是由相对风造成的，因此在计算车辆所受的气动力时应使用相对风速，车辆的行车速度Vv、来流风速Vw、相对风速V三者之间的关系见图2。

图2 车速V v、风速V w和相对风速V之间的关系Fig.2 Relation between vehicle velocity，wind velocity and relative wind velocity

以气动力作为衡量车辆危险性的量化指标，采用风险因子R表示车辆在极端大风天气下的危险性。风险因子定义为某种气动力与对应阈值之比，采用在8级大风条件下轨道交通车辆限速行驶时所承受的最大气动力作为阈值。风险因子取气动升力、侧向气动力、倾覆力矩中最大值。R表达式为：

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

另外，还采用了极值分析、均值及标准差统计、相关性分析等统计方法，对比分析最大风速、极大风速及其风向、阵风系数的总体分布及站点差异，给出主导风向下的行车风险。

2 结果与分析

2.1 16号线周边大风时空分布特征

2.1.1 站点风场的相关性

针对2005—2018年台风影响上海的559个时次，计算浦东和南汇2个国家基本站与16号线沿线12个自动气象站风速与风向的相关系数（表2），发现2个国家基本站与自动站的风速和风向均存在显著的正相关关系（通过0.05及以上的显著性检验），其中南汇站与绿川学校、新场中学自动站风速的相关系数较低，仅通过0.05和0.01的显著性检验，其他站点间风速、风向的相关系数普遍较高，通过0.001的极显著性检验。可见，16号线沿线大风存在一定的空间差异，但总体上空间特征较为一致，可通过浦东和南汇两站历史大风观测资料来揭示16号线沿线大风的分布特征。

表2 浦东和南汇国家基本站与16号线沿线自动气象站风场的相关系数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 日最大风速和极大风速

最大风速是指给定时段内10 min平均风速的最大值，而极大风速则是指给定时段内瞬时（一般是指1 s）风速的最大值。

图3是2001—2018年348 d大风日浦东和南汇站日最大风速和极大风速。可以看出，348 d中南汇站和浦东站日最大风速分别为17.0和11.9 m·s－1，分别出现在 2002年 7月 5日“威马逊”台风影响期间和2005年8月7日“麦莎”台风影响期间，而日极大风速分别为28.0和23.2 m·s－1，均出现在2005年8月6日“麦莎”台风影响期间。浦东站位于城区，而南汇站处于沿海，故而日最大风速和极大风速前者较后者小。另外，两站日最大风速均呈现减小趋势，浦东站减小趋势显著；南汇站日极大风速变化趋势不明显，而浦东站则呈显著减小趋势。受台风、强对流天气等影响，两站日最大风速和极大风速的波动比较剧烈。在全球气候变暖背景下，区域风速和大风日数呈现显著减少趋势［29－30］，气候变化和城市下垫面的改变对上海16号线周边日最大风速和极大风速影响明显，开展风速极值分布研究对轨道交通安全运行很有必要。

图3 2001—2018年大风日浦东和南汇站日最大风速（a）与极大风速（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

统计发现，浦东和南汇两站日最大风速和极大风速差异明显（表3），南汇站日最大风速比浦东站平均偏大 3.52 m·s－1，两站最大、最小分别相差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，浦东及中心城区出现强对流天气，浦东耀华路、耀华支路口的高压线被雷击断，造成该地段约2000户居民楼断电。日极大风速南汇站比浦东站平均偏大2.63 m·s－1，极端情况下前者比后者偏大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，浦东出现雷雨大风天气，共有7条35 kV线路、24条10 kV线路因雷击开关跳闸，使3500多户居民楼和380多家企业停电，同时造成地铁二号线张江站一辆列车停运约20 min。因此，16号线周边日最大风速和极大风速空间差异较大，需开展较为密集的观测和分析研究。

另外发现，348 d大风日浦东和南汇两站日最大风速和极大风速的中位数随季节变化不大。对于浦东站而言，日最大风速介于 2.4～11.9 m·s－1之间，日极大风速介于 7.2～23.2 m·s－1之间，均是夏季最大，秋季最小（图4）。夏季受台风、强对流天气等影响，两站日最大风速和极大风速波动幅度较大，其中浦东站夏季日最大风速和极大风速的标准差分别为 1.8、3.4 m·s－1，而南汇站分别为 2.3、3.7 m·s－1。因此，16号线沿线大风预警需要对夏季日最大风速和极大风速应特别关注。

表3 南汇站和浦东站日最大风速与极大风速差异统计Tab.3 The differences of daily maximum and extreme wind speed between Nanhui and Pudong stations from 2001 to 2018 单位：m·s－1

图4 浦东站日最大风速（a）与极大风速（b）的季节分布Fig.4 Seasonal distribution of daily maximum（a）and extreme（b）wind speed at Pudong station

2.1.3 日最大风速和极大风速的风向

风频是用来表示某个方向的风出现的频率，可用一年（月）内某方向风出现次数与各方向风出现总次数的百分比来表示。从图5看出，大风期间浦东和南汇两站日最大风速与极大风速的风向有明显差异，浦东站日最大风速的风向多为偏西风和偏东北风，南汇站多为偏北风；日极大风速的风向浦东站多为偏西北风、东北风和偏东风，南汇站多为偏北风。南汇站较浦东站临近海洋，受台风影响更为显著，台风影响期间多为偏北风，而浦东站位于城区，受城市建筑物影响风向变化较大。

另外，两站日最大风速与极大风速风向的四季分布（图略）显示，浦东站日最大风速的风向在春、秋、冬季主要为偏西风和偏东北风，在夏季主要是偏东风和偏西风；南汇站日最大风速的风向在春、秋、冬季主要为偏北风，在夏季主要为偏东南风和偏北风。南汇站夏季主导风向的形成，一方面与东亚夏季风的主导风向即东南风有关［31］，另一方面可能是南汇站临近海洋，受台风带来的偏北风影响，而浦东站夏季主导风向是夏季风和城市下垫面综合作用的结果。极大风速风频的四季分布与最大风速类似。以上进一步说明了16号线周边最大风速和极大风速的风向空间差异较大，开展较为密集的测风设备布点和极端风速、风向观测很有必要。

2.1.4 阵风系数

从浦东和南汇两站日最大风速与阵风系数的散点图（图6）看出，两站的阵风系数都随日最大风速的增大而减小，位于城区的浦东站的阵风系数比位于沿海的南汇站偏大，且浦东站的阵风系数随最大风速的变化快于南汇站，表明南汇站的阵风系数更为稳定。研究表明，阵风系数与下垫面粗糙度有关，在粗糙的下垫面上阵风系数往往偏大［27］。另外，大风情况下两站阵风系数的中位数季节变化不大，但夏季因受台风、强对流天气等影响阵风系数的波动幅度较大（图略），尤其是南汇站（浦东站的标准差为0.22，南汇站为0.45）。这表明16号线周边阵风系数的空间差异也较大，需要开展高空间分辨率的风速观测和分析。

2.2 台风影响期间16号线沿线风速及风向分布特征

2.2.1 平均风速差

图7是2005—2018年24次台风影响期间16号线临近自动气象站之间的平均风速差及其标准差。可以看出，16号线沿线临近自动气象站平均风速差最大可达8.9 m·s－1，出现在书院镇和滴水湖入海闸之间，风速差较大的地铁站有罗山路、周浦东—新场、野生动物园、惠南、惠南东、书院和临港大道站，而位于城区的起点龙阳路站附近，站点间风速差较小。因此，需要加强16号线罗山路站、周浦东—新场、野生动物园—惠南东和书院—临港大道线路及附近的风场观测。

2.2.2 风向

主导风向是指风频最大的风向角的范围，一般在连续45°左右。对于以16方位角表示的风向，主导风向一般是指连续2～3个风向角的范围。某区域的主导风向应具有明显优势，其主导风向角风频之和应大于或等于30%。根据《环境影响评价技术导则——大气环境》中主导风向的确定方法［32］，得到16号线沿线自动气象站的主导风向为NE、ENE和 E（表4）。

图5 浦东站（a、c）和南汇站（b、d）日最大风速（a、b）与极大风速（c、d）风向分布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

图6 浦东（a）和南汇（b）站日最大风速与阵风系数的关系Fig.6 Relationship between daily maximum wind speed and gust factor at Pudong（a）and Nanhui（b）stations

图7 台风影响期间16号线沿线临近自动气象站之间平均风速差及其标准差（单位：m·s－1）（红色数值的平均风速差超过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号线沿线自动气象站主导风向Tab.4 The dominant wind direction at adjacent automatic weather stations along the line 16 of rail transit

考虑16号线的走向，采取分段计算的方法，计算各路段主导风向下行车风险因子R。因临港大道站至滴水湖站为地下线，不受大风影响，故将16号线分为6段（图8）。车辆行驶速度Vv取8级大风的行车限行速度40 km·h－1，来流风速 Vw取 18 m·s－1，当R＞1时行车风险高，需采取限速或停运措施。

行驶方向从龙阳路至滴水湖：近似东向行驶的路段（路段4），当主导风向为NE时行车风险高；东偏南行驶的路段（路段1、6），当主导风向为 NE、ENE时行车风险高；近似南向行驶的路段（路段2、3、5），当主导风向为 E时行车风险高［图9（a）］。行驶方向从滴水湖至龙阳路：近似西向行驶的路段（路段4）无风险；西偏北行驶的路段（路段1、6），当主导风向为NE时行车风险高；近似北向行驶的路段（路段2、3、5），当主导风向为ENE时行车风险高［图9（b）］。总体来看，东西向路段受主导风向NE影响较大（路段4），近似东南—西北向路段（路段1、6）受主导风向NE、ENE影响较大，近似南北向路段（路段2、3、5）受主导风向 ENE、E影响较大。可见，16号线的行车风险对风向比较敏感，开展较为密集的测风设备布点进行风向观测非常必要。

图8 16号线分段示意图Fig.8 The sections of the line 16 of rail transit

图10是台风影响期间16号线沿线自动站的风向玫瑰图。可以看出，风向差异较大的路段主要分布在龙阳路—罗山路和周浦东—新场之间。这些路段地处城区，建筑物密布，造成自动站风向差别较大。此外，野生动物园、惠南和惠南东站附近风向也差异较大，这可能与此区域建筑物密集有关。因此，从风向角度考虑，观测站布点应重点放在龙阳路—罗山路、周浦东—新场和野生动物园—惠南东之间。

2.3 地表粗糙度的空间分布

16号线沿线，龙阳路站附近地表粗糙度最大为1.09，书院站最小为0.11，大部分站点不同方向的粗糙度差异较小，但野生动物园、惠南、惠南东、滴水湖站点各方位粗糙度差异较大，如惠南站SSW方位的地表粗糙度最大为1.05，而NNW方位最小为0.41［图11（a）和图11（b）］。地表粗糙度对风速影响明显，假定背景风为20 m·s－1，由于粗糙度的差异，龙阳路站风速约14 m·s－1，而航头东、书院等站点的风速约20 m·s－1［图11（d）］；就同一站点不同方位而言，当惠南站风向为SSW时，其风速只有14 m·s－1左右，而当风向为NNW时，其风速达18 m·s－1。因此，从地表粗糙度角度考虑，需关注龙阳路—罗山路、野生动物园—惠南东和滴水湖的风场观测。

2.4 16号线沿线测风设备布点建议

通过以上分析，测风设备布设原则：（1）在台风影响期间，16号线沿线相邻自动气象站平均风速差大于2 m·s－1的区域应考虑增加观测站点；（2）受平均地表粗糙度影响，当16号线两相邻车站间推算的风速相差3 m·s－1（相当于风力相差1级）的区域可考虑增加观测站；（3）当16号线沿线5 km范围内存在观测站，且两相邻测站在平均地表粗糙度下的风速相差3 m·s－1时，可考虑增加观测站；（4）16号线沿线车站周围各来风方向粗糙度差异显著，各来向风速可能会相差3 m·s－1以上，考虑增加观测站。

根据以上原则，16号线沿线需要在龙阳路—罗山路和周浦东—新场区段各加布1个自动气象站（图12）。

图9 16号线不同路段风险因子R随风向角的变化（a）龙阳路至滴水湖方向，（b）滴水湖至龙阳路方向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

图10 16号线沿线临近自动站风向图Fig.10 The wind direction map at adjacent automatic weather stations along the rail transit line 16

图11 16号线地铁站各方位的地表粗糙度（a、b）及取值范围（c）和不同地表粗糙度下风速变化（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

图12 16号线沿线新增自动气象站的布设区域Fig.12 The locations of newly additional automatic weather stations along the rail transit line 16

3 结 论

（1）上海轨道交通16号线周边浦东和南汇站的日最大风速、日极大风速以及大风情况下风向及阵风系数都差异明显，需要开展较为密集的实时风速和风向观测，掌握风速、风向在不同站点间的空间差异，尤其对夏季强对流天气应给予特别关注，确保轨道交通安全运行。

（2）台风过程影响上海期间，16号线沿线相邻自动气象站风速差在罗山路站附近、周浦东—新场、野生动物园—惠南东和书院—临港大道之间较大；风向差异较大的路段主要分布在龙阳路—罗山路、周浦东—新场、野生动物园—惠南东之间。地表粗糙度对龙阳路—罗山路、野生动物园—惠南东和滴水湖路段风速影响较明显。

（3）在相邻自动气象站平均风速差大于2 m·s－1的区域，或基于地表粗糙度的两相邻车站间风速相差3 m·s－1的地区，或沿线5 km范围内考虑地表粗糙度的两观测站间风速相差3 m·s－1的地区，或沿线车站周围各来风方向粗糙度差异显著且风速可能相差3 m·s－1以上的区域，考虑增加测风观测站。因此，16号线高架地面段需要在龙阳路—罗山路和周浦东—新场区段各加布一个自动气象站。