青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)

1、青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目錢澤雨錢澤雨 胡澤勇胡澤勇 杜杜 萍萍 張艷武張艷武主要內(nèi)容n問題的提出問題的提出n計算方法計算方法n數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析n得出的結(jié)論得出的結(jié)論n存在的問題存在的問題地表能量平衡地表能量平衡地表加熱場地表加熱場地表動力學(xué)粗糙度地表動力學(xué)粗糙度地表反照率地表反照率總體輸送系數(shù)總體輸送系數(shù)問題的提出問題的提出n青藏鐵路建設(shè)中最大的問題是如何保持路基的青藏鐵路建設(shè)中最大的問題是如何保持路基的穩(wěn)定性，建成后的青藏鐵路對其下伏凍土的影穩(wěn)定性，建成后的青藏鐵路對其下伏凍土的影響不僅要考慮路基的動力學(xué)效應(yīng)，其熱力學(xué)效響不僅要考慮路基的動力學(xué)

2、效應(yīng)，其熱力學(xué)效應(yīng)也同樣十分重要。一千多公里青藏鐵路沿線應(yīng)也同樣十分重要。一千多公里青藏鐵路沿線的地形和小氣候各不相同，對其地氣間的相互的地形和小氣候各不相同，對其地氣間的相互作用將主要通過模式的方法進(jìn)行診斷，然而由作用將主要通過模式的方法進(jìn)行診斷，然而由于地形與氣候條件的不同，模式中眾多的初始于地形與氣候條件的不同，模式中眾多的初始場參數(shù)必然不同，因此這些參數(shù)的確定將對模場參數(shù)必然不同，因此這些參數(shù)的確定將對模式的模擬精度產(chǎn)生重要的影響式的模擬精度產(chǎn)生重要的影響問題的提出（續(xù)）問題的提出（續(xù)）n本文利用北麓河本文利用北麓河2002年五月架設(shè)的一年五月架設(shè)的一套新型自動氣象站六月份觀測資料，在

3、套新型自動氣象站六月份觀測資料，在給出該地區(qū)的能量平衡和地表加熱場特給出該地區(qū)的能量平衡和地表加熱場特征后，試圖確定對模式陸面過程參數(shù)化征后，試圖確定對模式陸面過程參數(shù)化產(chǎn)生重要影響的地表動力學(xué)粗糙度、地產(chǎn)生重要影響的地表動力學(xué)粗糙度、地表反照率和動量（熱量）總體輸送系數(shù)表反照率和動量（熱量）總體輸送系數(shù)The sensible heat flux, latent heat flux and friction velocity without stratification reduction show as:According to M-O similarity theory, we can

4、get: Brief introduction to the aerodynamic method計算方法計算方法So the sensible heat flux, latent heat flux and momentum flux describe as:The universal functions are used as Pruitts forms計算方法計算方法Richardson Number數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析地表能量平衡-200020040060080010002002-5-310:002002-5-3112:002002-6-1 0:002002-6-112:002002-6-

5、2 0:002002-6-212:002002-6-3 0:00時間序列（Date）熱通量（Heat Flux）/(W/m2)土壤熱通量凈輻射感熱通量潛熱通量（1） 各分量均具有明顯的日變化規(guī)律，即在早晨日出后開始增大，在當(dāng)?shù)貢r間中午達(dá)到最大值后開始減弱，在夜間出現(xiàn)最小值（2）就觀測時段來說，白天土壤熱通量、感熱通量和潛熱通量在凈輻射中所占份額相當(dāng)（3）在晴天(6月24日)情況下，北麓河地區(qū)凈輻射特征值約為630W/m2，5cm土壤熱通量為150 W/m2，感熱和潛熱分別為180 W/m2 和220 W/m2左右，Bowen比約0.8 在北麓河地區(qū)，季風(fēng)對地氣間能在北麓河地區(qū)，季風(fēng)對地氣間能量

6、交換的影響并不像藏北高原草量交換的影響并不像藏北高原草甸下墊面（安多觀測站）那么明甸下墊面（安多觀測站）那么明顯（季風(fēng)來臨前以感熱為主，季顯（季風(fēng)來臨前以感熱為主，季風(fēng)來臨后感熱明顯減小，而潛熱風(fēng)來臨后感熱明顯減小，而潛熱變?yōu)榈貧忾g能量交換的主要分量）變?yōu)榈貧忾g能量交換的主要分量） 北麓河31/52/6土壤熱通量、凈輻射、感熱和潛熱的日變化數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析地面加熱場研究青藏高原地面對大氣的加熱效應(yīng)不僅對東亞地研究青藏高原地面對大氣的加熱效應(yīng)不僅對東亞地區(qū)的天氣氣候甚至對北半球的大氣環(huán)流場都產(chǎn)生著區(qū)的天氣氣候甚至對北半球的大氣環(huán)流場都產(chǎn)生著重要的作用，同樣對于研究局地凍土穩(wěn)定性方面也重要的作用，

7、同樣對于研究局地凍土穩(wěn)定性方面也存在著重要的意義。高原下墊面對大氣的加熱作用存在著重要的意義。高原下墊面對大氣的加熱作用可通過輻射過程和湍流過程進(jìn)行，其中輻射過程是可通過輻射過程和湍流過程進(jìn)行，其中輻射過程是指地表的輻射能的收支，湍流過程是指地表吸收太指地表的輻射能的收支，湍流過程是指地表吸收太陽輻射能后通過湍流輸送的方式向大氣輸送熱量和陽輻射能后通過湍流輸送的方式向大氣輸送熱量和水汽通量的過程。水汽通量的過程。 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析地面加熱場(續(xù))-10001002003004005002002-5-310:002002-5-3112:002002-6-1 0:002002-6-112:0020

8、02-6-2 0:002002-6-212:002002-6-3 0:00時間序列（Date）地表熱源強(qiáng)度（Heat Flux)（1） 北麓河試北麓河試驗期白天為強(qiáng)熱驗期白天為強(qiáng)熱源，夜間冷熱源源，夜間冷熱源不明顯（有時為不明顯（有時為弱冷源有時微弱弱冷源有時微弱熱源，取決于當(dāng)熱源，取決于當(dāng)時的天氣狀況，時的天氣狀況，并不象人們一般并不象人們一般所說的夜間為弱所說的夜間為弱冷源。）冷源。） （2） 熱源強(qiáng)度熱源強(qiáng)度存在明顯的日變存在明顯的日變化：中午前后存化：中午前后存在明顯的極大峰在明顯的極大峰值，夜間出現(xiàn)最值，夜間出現(xiàn)最小值，其變化規(guī)小值，其變化規(guī)律由總輻射的日律由總輻射的日變化和局地天氣

9、變化和局地天氣氣候條件決定氣候條件決定 北麓河31/52/6地面加熱場的日變化數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析空氣動力學(xué)粗糙度 空氣動力學(xué)地表粗糙度是表征近地面層空氣動力學(xué)特性的基本參數(shù)，是空氣動力學(xué)地表粗糙度是表征近地面層空氣動力學(xué)特性的基本參數(shù)，是陸面過程研究中有關(guān)下墊面屬性中地表與大氣之間能量和水分交換過程陸面過程研究中有關(guān)下墊面屬性中地表與大氣之間能量和水分交換過程首先要確定的最基本物理量的一部分，也是影響總體輸送系數(shù)計算準(zhǔn)確首先要確定的最基本物理量的一部分，也是影響總體輸送系數(shù)計算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因子。在計算動力學(xué)地表粗糙度時，主要有利用塔站梯度觀測性的關(guān)鍵因子。在計算動力學(xué)地表粗糙度時，主要有利用塔站

10、梯度觀測資料的對數(shù)風(fēng)廓線法和利用精確的湍流脈動觀測資料的獨立確定方法。資料的對數(shù)風(fēng)廓線法和利用精確的湍流脈動觀測資料的獨立確定方法。對數(shù)風(fēng)廓線法對數(shù)風(fēng)廓線法獨立確定方法獨立確定方法數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析空氣動力學(xué)粗糙度續(xù)將空氣動力學(xué)粗糙度與近中性條件下的靜力學(xué)穩(wěn)定度進(jìn)行擬合后可得到北麓河數(shù)據(jù)采集期的中性條件下的動力學(xué)粗糙度數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析空氣動力學(xué)粗糙度續(xù)地點地點下墊面屬性下墊面屬性動力學(xué)粗糙度動力學(xué)粗糙度沙漠沙漠沙漠沙漠0.00030.0003 Oke T.ROke T.R戈壁戈壁戈壁戈壁0.000250.00025 胡隱樵等胡隱樵等 臨澤臨澤麥地（高約麥地（高約1 1米）米）0.30 0.30

11、賈立等賈立等 改則改則荒漠沙石荒漠沙石0.00260.0026 周明煜等周明煜等 當(dāng)雄當(dāng)雄開闊干河谷開闊干河谷0.00220.0022 周明煜等周明煜等 昌都昌都河谷草地河谷草地0.00140.0014 周明煜等周明煜等 安多安多高原草甸高原草甸0.00430.0043 錢澤雨等錢澤雨等 北麓河北麓河稀疏短草沙壤土稀疏短草沙壤土0.00250.0025 本文本文 北麓河空氣動力學(xué)粗糙度與當(dāng)雄、改則相當(dāng)，約為昌都的兩倍，約為安多的一半，遠(yuǎn)大于沙漠和戈壁，遠(yuǎn)小于臨澤。這種不同主要由植被的高度、密度和類型以及地表的土壤特征導(dǎo)致不同地點、不同地表屬性中性條件下空氣動力學(xué)粗糙度的比較數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析地表

12、反照率 對于青藏高原復(fù)雜的地形、特殊的下墊面和強(qiáng)烈的太陽輻射來說，地對于青藏高原復(fù)雜的地形、特殊的下墊面和強(qiáng)烈的太陽輻射來說，地表反照率是表征局地下墊面不同屬性對局地小氣候影響的重要參數(shù)表反照率是表征局地下墊面不同屬性對局地小氣候影響的重要參數(shù)00.20.40.60.812002-6-130:002002-6-1312:002002-6-140:002002-6-1412:002002-6-150:002002-6-1512:002002-6-160:002002-6-1612:002002-6-170:00時 間 序 列 （ Date/Time）地表反照率（Albedo)00.20.40.6

13、0.812002-6-210:002002-6-2112:002002-6-220:002002-6-2212:002002-6-230:002002-6-2312:002002-6-240:002002-6-2412:002002-6-250:00時 間 序 列 （ Date/Time）地表反照率（Albedo）平均來說，北麓河地表反照率6月份約為0.22，降雪后可超過0.9，但隨著降雪的融化，土壤濕度加大，使得反照率明顯減小（0.16左右） 北麓河不同時段地表反照率日變化數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析地表反照率續(xù)地點地點（試驗）（試驗）下墊面屬性下墊面屬性地表反照率地表反照率（6 6月）月）改則改則（T

14、IPEXTIPEX）荒漠沙石荒漠沙石0.310.31 周明煜等周明煜等 當(dāng)雄當(dāng)雄（TIPEXTIPEX）開闊河谷開闊河谷0.170.17 周明煜等周明煜等 昌都昌都（TIPEXTIPEX）河谷草地河谷草地0.160.16 周明煜等周明煜等 安多安多（GAME/TibetGAME/Tibet）高原高原草甸草甸0.250.25 錢澤雨等錢澤雨等 北麓河北麓河短草沙壤土短草沙壤土0.220.22 本文本文 北麓河地表反照率與安多相當(dāng)，小于改則而明顯大于當(dāng)雄和昌都是由于地表屬性的不同造成不同地點、不同地表屬性下6月份地表反照率的比較數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析動(熱)量總體輸送系數(shù) 1.E-081.E-061.E

15、-041.E-021.E+0000.10.20.30.40.50.60.70.8Ri熱量總體輸送系數(shù)Ch1.E-081.E-061.E-041.E-021.E+00-1-0.500.51Ri動量整體輸送系數(shù)CdCd在不穩(wěn)定時主體落在10-3附近，穩(wěn)定時隨穩(wěn)定度的增大而降低且離散，Ch主要落在10-2 10-4之間近中性條件下北麓河地表動量和熱量總體輸送系數(shù)分布圖數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析動(熱)量總體輸送系數(shù)地點 (試驗)下墊面屬性動量總體輸送系數(shù)（中性）熱量總體輸送系數(shù)（中性）改澤（TIPEX）荒漠沙石2.3110-32.1510-3當(dāng)雄（TIPEX）開闊干河谷1.8010-31.5010-3昌都（T

16、IPEX）河谷草地4.4010-34.7010-3北麓河短草沙壤土1.7410-31.3710-3不同地點、不同地表屬性中性條件下動量（熱量）總體輸送系數(shù)比較中性條件下動量總體輸送系數(shù)與熱量總體輸送系數(shù)略小于當(dāng)雄地區(qū)而明顯小于改則和昌都，但在量級上相當(dāng)?shù)贸龅慕Y(jié)論得出的結(jié)論北麓河地表能量平衡中的各物理量場（土壤熱通量、凈輻射、感熱、潛熱）均具有明顯的日變化特征，且感熱和潛熱對地表向大氣輸送能量的貢獻(xiàn)相當(dāng)，這種情況與安多地區(qū)在5-6月期間感熱輸送占主導(dǎo)地位的特點并不一致 地面加熱場同樣具有顯著的日變化特征，白天為強(qiáng)熱源，夜間的冷熱源特征不夠明顯，這與高原其它地點的夜間表現(xiàn)微弱冷源的特征并不一致 得出的結(jié)論得出的結(jié)論續(xù)續(xù)地表空氣動力學(xué)粗糙度遠(yuǎn)比戈壁和沙漠大，比昌都約大一倍，與當(dāng)雄、改則相近，小于高原安多地區(qū)，但顯著小于臨澤地區(qū)，這種不同主要是由各個地點不同的下墊面屬性的不同導(dǎo)致 地表反照率6月份約為0.22，與其它高原試驗的同期（6月份）相比大于當(dāng)雄和昌都而小于改則與安