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     風(fēng)是工程設(shè)計中必須考慮的重要的環(huán)境要素，特別是設(shè)計風(fēng)速( 即多年一遇極值風(fēng)速) 是一個非常重要參數(shù)。在鐵路工程設(shè)計中，設(shè)計風(fēng)速既是影響鐵路工程造價的敏感參數(shù)，也是直接關(guān)系到鐵路安全運行的關(guān)鍵因子。為達到既安全又經(jīng)濟的目的，獲得客觀合理的設(shè)計風(fēng)速值是鐵路部門和氣象部門必須認真研究的問題。設(shè)計風(fēng)速應(yīng)用極值風(fēng)速的概率分布經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析計算獲得。常用的極值風(fēng)速分布模式有極值I型分布、皮爾遜Ⅲ型分布和韋伯爾分布等，研究表明，設(shè)計風(fēng)速極值的概率分布以極值I型擬合效果最好，適合于我國各氣候區(qū)。張忠義等人利用南京長江第二大橋橋位風(fēng)速觀測資料，風(fēng)向風(fēng)速記錄儀的實測風(fēng)資料及兩處的同步風(fēng)速觀測資料，采用極值I型分布和皮爾遜III型分布經(jīng)統(tǒng)計分析計算得到南京長江二橋設(shè)計風(fēng)速； 杜堯東等用瓊州海峽工程區(qū)3個測點5a多層梯度測風(fēng)資料分析了與鄰近氣象站風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系、風(fēng)隨高度變化的規(guī)律等，用3個測點與氣象站風(fēng)速之間的線性相關(guān)方程延長了工程區(qū)短期測風(fēng)資料，并用極值I型分布計算了瓊州海峽跨海橋面高度各重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速； 李林等用皮爾遜Ⅲ型分布推算青藏高原東邊緣山區(qū)極值風(fēng)速； 穆紅文等用極值I型曲線計算得出甘肅金昌一安西不同區(qū)段輸電線路設(shè)計風(fēng)速； 日本的明石海峽大橋、貴州北盤江大橋、江蘇蘇通大橋等國內(nèi)外著名工程，在設(shè)計施工前均對工程區(qū)進行了多年的風(fēng)場環(huán)境觀測，根據(jù)風(fēng)速極值I型曲線提出了合理的風(fēng)速設(shè)計值。新疆“百里、三十里風(fēng)區(qū)”地處天山山口，受下坡地形和狹管效應(yīng)影響，常出現(xiàn)強勁的西北偏北大風(fēng)，以3～6月最為頻繁，風(fēng)力最為強勁，風(fēng)力常在10～11級以上，最大風(fēng)速大于40m / s，曾記錄到大于60m/s的瞬時風(fēng)速。又因風(fēng)區(qū)位于干旱區(qū)和極端干旱區(qū)，地表多沙石，植被稀少，大風(fēng)常刮起沙石埋沒公路和鐵路，多次吹翻列車，造成脫軌等重大交通事故。而兩大風(fēng)區(qū)內(nèi)鐵路線路距離長，但氣象臺站相對較少，同時線路所在區(qū)域無高速鐵路設(shè)計和運行經(jīng)驗可供借鑒。因此，為了滿足鐵路工程經(jīng)濟和安全的設(shè)計原則，在充分收集了鐵路工程沿線9個基本氣象臺站和21 個鐵路沿線測風(fēng)站測風(fēng)資料基礎(chǔ)上，對資料缺乏區(qū)域，利用相距不遠，處于相似環(huán)流背景下的測站，通過天氣動學(xué)分析和統(tǒng)計擬合方案補出缺失的資料，結(jié)合沿線的氣候特征及地形特征，應(yīng)用數(shù)值統(tǒng)計學(xué)分析等技術(shù)方法，分析了大風(fēng)時空分布規(guī)律，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，科學(xué)合理地確定了線路區(qū)域內(nèi)的設(shè)計風(fēng)速取值及其相應(yīng)區(qū)段劃分，為工程設(shè)計提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

1.1 氣象站測風(fēng)資料

     新疆“百里、三十里風(fēng)區(qū)”鐵路沿線長序列風(fēng)資料來自區(qū)域內(nèi)9個氣象站，氣象站和資料長度如下：烏魯木齊、達坂城、托克遜、東坎、吐魯番、鄯善，七角井、十三間房、哈密等氣象站。其中十三間房氣象站1999 年建站，是由七角井氣象站搬遷而來，其余氣象站都未遷移，使用的觀測數(shù)據(jù)從1961 年 1 月 ～2008年12 月，包括每日4 次定時風(fēng)速和風(fēng)向，每日10min平均最大風(fēng)速和風(fēng)向和日極大風(fēng)速與風(fēng)向。

1.2 鐵路測風(fēng)站數(shù)據(jù)

     研究區(qū)內(nèi)鐵路沿線短時加密觀測站為： 芨芨槽子西、鹽湖西、天山、三個泉、頭道河、吐魯番、小草湖西、紅臺、大步、大步東、猛進、猛進東、十三間房西、十三間房、紅柳、紅西 2、紅西 1、紅層、烏拉泊、三葛莊、了墩等 21 個站。各鐵路測風(fēng)站大都在2003年下半年建站，布設(shè)在鐵路各段的風(fēng)速最大處。使用的觀測數(shù)據(jù)大都從 2004 年 1 月 ～ 2008 年 6 月( 大步東、烏拉泊和三葛莊從2004 年4 月開始) ，包括每2 min 1 次平均風(fēng)速及風(fēng)向、每日平均風(fēng)速風(fēng)向，每日 10 min 平均最大風(fēng)速和風(fēng)向、每日 3 s 瞬時最大風(fēng)速及風(fēng)向。

1.3 資料訂正方法

     鐵路沿線測風(fēng)儀距地高度有多個值，采用風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)公式：

     因鐵路沿線區(qū)域多為山邊、小山丘和田野，根據(jù)其地表類型，取 a =0．16，把鐵路測風(fēng)站風(fēng)速統(tǒng)一換算到10 m高度，經(jīng)過訂正后，得到鐵路沿線測風(fēng)站10 m 高處10 min 平均最大風(fēng)速時間序列。

2.1 平均風(fēng)速

     從表1可見，新疆百里和三十里風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速最大站分別是十三間房和達坂城，年平均風(fēng)速分別為 5．4m/s 和 6.1 m/s。風(fēng)區(qū)各站平均風(fēng)速最大月與最小月風(fēng)速差異顯著，相差最顯著的東坎站達到5．6倍。各站最大平均風(fēng)速在5月份出現(xiàn)最多，其次是4 月和6 月，各站在12 月平均風(fēng)速最小。從季節(jié)分布看，春夏季平均風(fēng)速較大，冬秋季較小。春夏季風(fēng)速較大是因為兩季天氣過程多，春季冷空氣入侵頻繁，而夏季冷暖空氣交匯較多，天氣過程常帶來大風(fēng)天氣，所以平均風(fēng)速較大，而秋冬季天氣相對穩(wěn)定，大風(fēng)出現(xiàn)較少，所以平均風(fēng)速也小。

2.2　10 min平均最大風(fēng)速

     從表2可見，新疆百里和三十里風(fēng)區(qū) 10 min 平均最大風(fēng)速的最大值也出現(xiàn)在十三間房和達坂城，最高風(fēng)速分別為37．6 m/s 和33 m/s。風(fēng)速較大站如達坂城、十三間房、托克遜、烏魯木齊等各月平均風(fēng)速差異不顯著，其中差異最大站烏魯木齊相差僅0．65倍；風(fēng)速較小站如東坎、吐魯番、鄯善、哈密等各月平均風(fēng)速差異顯著，其中差異最大站吐魯番相差 2． 7 倍，相差最小站、哈密也相差 1．4 倍。各站10min平均最大風(fēng)速的最大值4月份出現(xiàn)最多，其次是5 月，最小則在1月出現(xiàn)最多。從季節(jié)分布看，春夏季平均風(fēng)速較大，冬秋季較小。

2.3  10 min平均最大風(fēng)速的風(fēng)向和頻率

     由表3可見，10 min平均最大風(fēng)速的最大值多出現(xiàn)在春季，風(fēng)向以偏北風(fēng)和偏西風(fēng)居多，其中4月份出現(xiàn)頻率最高，達到 58．3%。百里風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速最大的十三間房站累年最大風(fēng)速的風(fēng)向為北風(fēng)，三十里風(fēng)區(qū)的達坂城為西風(fēng)。兩大風(fēng)區(qū)內(nèi) 10 min 平均最大風(fēng)速的最多風(fēng)向為偏東風(fēng)、偏北風(fēng)和偏西風(fēng)，與最大風(fēng)速的風(fēng)向不盡相同，其中十三間房風(fēng)向最集中，最多風(fēng)向頻率達到59.3%，烏魯木齊風(fēng)向最為分散，最多風(fēng)向頻率為14．9%。從表中還可見兩大風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速較大的站點風(fēng)向較為集中，而風(fēng)速較小的站點風(fēng)向較為分散。

2.4瞬時風(fēng)速

     由于大氣湍流的影響，平均風(fēng)速中迭加了脈動風(fēng)速，產(chǎn)生陣風(fēng)。據(jù)研究，3s的瞬時最大風(fēng)速為10min 平均風(fēng)速的1．2倍以上，0.5 s和0.1s的瞬時最大風(fēng)速甚至可達10 min 平均風(fēng)速的1.5 ～3 倍以上。這種高能量的瞬時風(fēng)速往往會給工程設(shè)施造成很大危害，因此，在工程設(shè)計中，為保證安全，需要考慮最大瞬時風(fēng)速。圖 1 為風(fēng)區(qū)鐵路測風(fēng)站觀測的3s最大瞬時風(fēng)速。由圖 1 可見，天山站和猛進站的瞬時風(fēng)速分別是三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)的最大值，其余站以這兩個站為中心逐漸減小。

3.1沿線鐵路測風(fēng)資料的延長

     根據(jù)短期氣候資料延長方法，延長沿線鐵路站短期測風(fēng)資料：選擇與鐵路測風(fēng)站臨近且風(fēng)速變化與之相似的氣象站作為參照站，選取鐵路沿線觀測站10m高處10min平均最大風(fēng)速的數(shù)據(jù)，與氣象參照站同步觀測資料進行相關(guān)分析和擬合方程，用最小二乘法和2004年以來氣象站和鐵路測風(fēng)站每日最大風(fēng)速資料擬合獲得最優(yōu)回歸方程，再將氣象站幾十年的每日最大風(fēng)速帶入方程求出鐵路測風(fēng)站多年每日最大風(fēng)速。其中十三間房氣象站建站較晚，其最大風(fēng)速由七角井站推算得來，因七角井站又無最大風(fēng)速觀測，其推算過程是先根據(jù)七角井站與十三間房站日平均風(fēng)速擬合的回歸方程得到十三間房站多年長序列日平均風(fēng)速，再用十三間房站的日平均風(fēng)速與最大風(fēng)速擬合的回歸方程推算出十三間房站日最大風(fēng)速。

     結(jié)果表明，測點風(fēng)速與氣象站風(fēng)速之間的關(guān)系均以線性擬合效果最佳，用F統(tǒng)計檢驗表明，各線性回歸方程的F統(tǒng)計量遠大于給定信度的F統(tǒng)計量(表4) ，各線性方程的回歸總體效果均達a =0.01 置信水平以上。利用這些線性方程和氣象站的年最大風(fēng)速序列，推算得到鐵路各測風(fēng)站30a以上的10m高處10 min平均年最大風(fēng)速序列。

     鐵路沿線設(shè)計風(fēng)速的確定使用鐵路沿線測風(fēng)站延長后的最大風(fēng)速資料，應(yīng)用風(fēng)速的極值I型概率分布推算出鐵路各測風(fēng)站的設(shè)計風(fēng)速，根據(jù)規(guī)定當(dāng)設(shè)計風(fēng)速低于 27.0 m/s時，設(shè)計風(fēng)速取為27.0 m/s。每個站點設(shè)計風(fēng)速應(yīng)用范圍是從站點到相鄰站點距離的一半。各站設(shè)計風(fēng)速如圖2，其中三十里風(fēng)區(qū)的天山站和百里風(fēng)區(qū)的猛進東站設(shè)計風(fēng)速分別是42.0 m/s 和39.4 m/s，是各自風(fēng)區(qū)內(nèi)的最大值。因為鐵路測風(fēng)站設(shè)計風(fēng)速的柯氏檢驗值與用于延長其風(fēng)速資料的氣象站的檢驗值相同，而各氣象站通過了柯爾莫哥洛夫檢驗，所以，各鐵路測風(fēng)站設(shè)計風(fēng)速都通過了柯爾莫哥洛夫檢驗，設(shè)計風(fēng)速合理。

     通過對新疆百里、三十里風(fēng)區(qū)鐵路沿線風(fēng)速的計算和分析，得到以下結(jié)論：

     (1)新疆百里和三十里風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速和10min平均最大風(fēng)速的最大站點分別是達坂城和十三間房，年平均風(fēng)速分別為6.1m/s和5.4 m/s，10min平均最大風(fēng)速分別為33m/s和37.6m/s。風(fēng)區(qū)春夏季風(fēng)速較大，冬秋季較小，各站平均風(fēng)速最大月與最小月風(fēng)速差異顯著，10min平均最大風(fēng)速較大站點各月平均風(fēng)速差異不顯著，風(fēng)速較小站點各月平均風(fēng)速差異顯著。

     (2)最大值風(fēng)速的風(fēng)向以偏北風(fēng)和偏西風(fēng)居多，多出現(xiàn)在春季，兩大風(fēng)區(qū)內(nèi)10min平均最大風(fēng)速的最多風(fēng)向為偏東風(fēng)、偏北風(fēng)和偏西風(fēng)，與最大值風(fēng)速的風(fēng)向不盡相同，其中十三間房風(fēng)向最集中，烏魯木齊風(fēng)向最為分散。

     (3)新疆百里和三十里風(fēng)區(qū)鐵路測風(fēng)站風(fēng)速與附近氣象站風(fēng)速有較好相關(guān)性，兩者的線性回歸方程擬合效果最好，鐵路沿線10min最大風(fēng)速序列能夠用氣象站10min最大風(fēng)速推算獲得； 經(jīng)柯爾莫哥洛夫檢驗，推算各站設(shè)計風(fēng)速的極值I型分布的適合度達到顯著水平，對各站風(fēng)速應(yīng)用極值I型分布，能夠計算得到合理的設(shè)計風(fēng)速。

     (4)三十里風(fēng)區(qū)的天山站、百里風(fēng)區(qū)的猛進東站50a一遇設(shè)計風(fēng)速是兩風(fēng)區(qū)最大值，其分別是42.0m/s和39.4m/s，天山站和猛進站瞬時風(fēng)速最大，風(fēng)向風(fēng)速儀的測量數(shù)據(jù)顯示為分別是56.6m/s 和54.8m/s，其余鐵路沿線的設(shè)計風(fēng)速和最大瞬時風(fēng)速以兩站為中心遞減。每個站點設(shè)計風(fēng)速應(yīng)用范圍是從站點到相鄰站點距離的一半。