青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应项目实用教案

1、气象(qxing)资料平面坡面短波(dunb)净辐射通量散射辐射云覆盖率/大气(dq)成分坡度直接辐射云覆盖率/大气成分地方纬度、太阳赤纬、时角坡度、坡向海拔高度反射辐射表面反射率周围环境的反射辐射表面反射率辐射过程（短波辐射）：第1页/共30页第一页，共30页。气象(qxing)资料平面坡面长波(chngb)净辐射通量表面(biomin)长波辐射比辐射率坡度大气长波辐射云覆盖率/大气温度坡度与周围环境的长波辐射交换比辐射率辐射过程（长波辐射）：第2页/共30页第二页，共30页。气象(qxing)资料对流(duli)交换通量潜热交换(jiohun)波恩比感热交换风速拖曳系数地-气温差特殊介质层

2、中的非稳态对流交换介质层覆盖度/孔隙度介质层上-下温差对流过程：第3页/共30页第三页，共30页。热传导过程(guchng) (guchng) ： 土壤热通量 不同土质的热容量和导热(dor)率 表面温度 冻土温度或深度第4页/共30页第四页，共30页。 为了简化计算，我们将大气作为整层来考虑，由此涉及(shj)到一些物理量的简单参数化方法。二、参数(cnsh)化方案第5页/共30页第五页，共30页。大气透过(tu u)率的参数化 Pt=0.8037+0.205loge(cosZ) r=0.82=0.075N=266r0.01=0.25PRRSSs20第6页/共30页第六页，共30页。无云大气

3、(dq)散射辐射通量的参数化 Diffuse=24.117+47.036*cosZr=0.82=7.6w/m2N=148r0.01=0.25第7页/共30页第七页，共30页。无云大气(dq)大气(dq)逆辐射通量的参数化 G=207.1+3.772*Tar=0.94N=80r0.01=0.283第8页/共30页第八页，共30页。有云大气太阳直接(zhji)辐射通量的参数化 PRRSSs20NPRRSSsn120第9页/共30页第九页，共30页。有云大气(dq)散射辐射通量的参数化 Diffuse=-44.559+26.833*N相关系数r=0.83样本数 48信度0.01临界(ln ji)相关

4、系数r0.01=0.39第10页/共30页第十页，共30页。有云大气(dq)大气(dq)逆辐射通量的参数化 NGNGGn10第11页/共30页第十一页，共30页。自然表面的一些(yxi)参数 夏天(xitin) 冬天 0.14 0.30 0.98 0.90Cd 5*10-3 3*10-3 B 0.5 23 第12页/共30页第十二页，共30页。三、坡面辐射的计算(j sun)方案有关坡面辐射的计算方案(fng n)见2002年会报告 第13页/共30页第十三页，共30页。ssFGLEHSR)(zsdpsTTVCCH)(1zsdpsTTVCCBBHLE)(zshhTTDCG)1)(cos(sss

5、ADZSSRssADZPRRS1cos20sssGUF444)1 (aasaassTTT44aasssTTHHs)(QLLEWGzTKHsszqKLEezTKGh4ssT第14页/共30页第十四页，共30页。)(,zdpTTVCCH)(1,zdpTTVCCBBHLE)(,zhhTTDCG)1)(,ARDSSRs)1)(lsRUGUFsin)cossincoscos(sin,nsSScoscos)cossinsincos(cosn)sincossinsinn2cos2sDD 2sin)cos(2ssssADZSR2sin)(2cos2442sssTTFFlh1sin2221)(1)tan1 (1

6、sinsintancosuuuvnvaluet2221)(1)tan1 (1tansinsinsinuuvunsignt)secsec017. 0tantan(cos1HHnucossincoscossinnvcossinsincoscos)cos(sinsincoscos,nsZZSS第15页/共30页第十五页，共30页。四、年积温(jwn)的实用算法在多年冻土区，年积温的计算具有三方面的重要意义：1、应用价值：表面年积温的计算结果对多年冻土层的冻胀或融沉变化(binhu)具有指示意义。表面年积温为0，说明多年冻土层处于冻胀和融沉 的 平 衡 状 态 ； 表 面 年 积 温 为 正 ， 说

7、明 有 热 能 向 下 传 递 ， 融 沉 变 化(binhu)大于冻胀变化(binhu)；表面年积温为负，说明有冷能向下传递，冻胀变化(binhu)大于融沉变化(binhu)。2、使模式的计算量大为减少：有了实用的年积温算法，模式输入可以简化为年最大和最小月平均气温输入，即可结合路基表面热力学模式计算得到路基三个表面的年积温结果。3、有利于预测：对于路基热状况的预测而言，路基表面热力学模式需要气温输入，从目前的气候预测水平来看，还远远达不到预测一年的逐时/逐日/逐月温度的水平。有了实用的年积温算法，就可以结合利用路基表面热力学模式预测路基热状况。第16页/共30页第十六页，共30页。冻土(d

8、n t)路基表面的融化指数与冻结指数程国栋 江灏 王可丽 吴青柏冰川(bngchun)冻土，2003，25（6）第17页/共30页第十七页，共30页。2.2 解析算法正积温 负积温这里(zhl)0 是T=0时的位相，即f (0)=0，所以有积温比dTAp00sin0002coscospTAAdTAp002sin 0002cos2cospTAAATparcsin0第18页/共30页第十八页，共30页。2.3 简化(jinhu)近似算法ATp)2(2A)2(2A222222)()(lhppTTATATA22)()(lhpppTTATATT第19页/共30页第十九页，共30页。表1 气温(qwn)、

9、平面及各坡向坡面年平均温度值、振幅（）及其融化指数和冻结指数（月）、融冻指数比、等 年平均值振幅 nnn/nK 气温-3.8211.512.3136.220.34 平面温度0.3814.530.1627.841.082.450.773.18 坡面温度 NE-1.4615.125.8234.880.742.100.962.190.851.250.69E0.1014.028.2827.721.022.300.773.000.941.000.94SE1.4313.231.0222.041.412.520.614.151.030.791.31S1.9612.631.6319.281.642.570.5

10、34.801.050.691.52SW1.7012.931.3520.641.522.550.574.451.040.741.41W0.5413.829.2625.951.132.380.723.300.970.931.05NW-1.2315.026.2533.900.772.130.942.290.871.220.71N-2.2615.824.8139.030.692.021.081.890.821.400.64第20页/共30页第二十页，共30页。4 结论（1）在数理分析与数值模拟分析的基础上，给出了可根据观测或预测的气温年最大和最小月平均值计算路基表面的融化指数与冻结指数以及有关热状况参

11、数的方法。（2）以青藏铁路北麓河段2002年为例的计算分析表明：在年平均气温近-4 的情况下，地表温度已高于0 ；如果就地取土修筑路基（沙石土），正南方向的坡面温度最高，达1.96 ，正北方向的坡面温度最低，为-2.26 ，其南、北方向坡面温度差值高达4.22 ； 除了北或偏北方向的坡面之外，其余各方向的坡面融化指数均大于冻结指数；与平面温度相比(xin b)，南坡升温而北坡降温，非均匀的温度变化使融冻指数比在南坡比北坡大了约58%，超出一半。（3）定量化分析结果进一步明确了在青藏铁路沿线采取保护冻土措施的必要性和科学性。从北麓河段2002年的情况来看，即便是没有修筑道路，北麓河地区的冻土也已

12、经处于临界状态；路基相对的两个坡面，由于朝向不同会造成温度分布的强非均匀性，其中南和偏南方向与北和偏北方向的路基坡面热状况差异最大，有必要对路基相对的两个坡面采用不同的防护措施，一方面改善就地取土修筑路基（沙石土）对其下伏冻土层的直接不良影响，同时也尽可能减小路基表面温度分布的非均匀性，以避免纵向裂缝的发生。第21页/共30页第二十一页，共30页。青藏铁路路基表面热力学模式（II）无云大气(dq)条件下数值模拟结果分析王可丽 程国栋 江灏 马耀明 胡泽勇冰川(bngchun)冻土，2004，26第22页/共30页第二十二页，共30页。夏季秋季(qij) 冬季第23页/共30页第二十三页，共30

13、页。 结论： 1、对于就地取土修筑的路基而言，在夏季任何 坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应，但 由于在夏季路基具有明显的高表面温度值， 路基仍处于高温状态； 2、在安多段，冬季路基上表面温度虽略低于0， 但路基偏南方向(fngxing)坡面的强烈增温效应，使南坡 表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态。 第24页/共30页第二十四页，共30页。总体特征：温度变化是以正南方向、正午时刻为中心，最大峰值出现在正南、正午；坡向偏东则峰值提前，坡向偏西则峰值滞后，坡向偏离越大则峰值越低；峰值偏移时间集中在中午前后(qinhu)。峰值通常出现在太阳方位与坡向对应的时刻，而峰值的大小则与当时的太阳高度对

14、应。图2 秋季各坡向坡面（坡度选为60）温度(wnd)的日变化第25页/共30页第二十五页，共30页。表3 北麓河实验(shyn)路基模拟结果与实测资料的偏差 表面温度 （）总辐射 （w/m2）偏南坡上表面偏北坡偏南坡上表面偏北坡平均误差-0.10.00.2-11.00.0-52.6第26页/共30页第二十六页，共30页。五、与阶段性工作(gngzu)内容有关的论文 1王可丽、程国栋，青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式 (I): 物理过程与实验方案，冰川冻土，2002，24（6）：759764。 2程国栋、江灏、王可丽、吴青柏，冻土路基表面的融化指数与冻结指数，冰川冻土，2003，25（6）。 3王可丽、程国栋、江灏、马耀明、胡泽勇，青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式（II）：无云大气条件(tiojin)下数值模拟结果分析，冰川冻土，2003，待刊。 4江灏、王可丽、李韧，青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式（III）：参数化方案，初稿。 5 张立杰、江灏、李述训、南卓铜，五道梁土壤热通量与一些气象要素的相