冬季風流起來對公路的影響

冬季風流起來對公路的影響

1山地地形與坡向的關(guān)系在山區(qū)，由于山川縱橫，形成了幾種氣候類型。山區(qū)特有的地形、地貌和氣候條件直接影響風吹雪的形成,最明顯的就是由于山體的阻礙作用,導致山區(qū)的湍流運動復雜,并伴有湍流擴散,風雪流雜亂無章,視程障礙明顯。(1)山地地形存在時的流場比平坦下墊面時要復雜,這與地形對氣流的動力和熱力作用分不開。山體可以阻擋氣流運動,使氣流的速度和方向發(fā)生改變。這使得山地風場較為復雜,可以出現(xiàn)分流、回流等現(xiàn)象,難以用少數(shù)點上的風代替整個區(qū)域的風場分布。同時,由于山地對氣流的抬升作用和阻擋作用,使風速的水平切變和垂直切變加強,產(chǎn)生機械湍流;以及山地對大氣的加熱作用所產(chǎn)生的熱力湍流,使山地附近的湍流運動比較強烈,而且不是均勻平穩(wěn)湍流。由于山地氣流的復雜性,使得山地上的大氣擴散也變得很復雜,風雪流的運動規(guī)律也隨之變得復雜得多。(2)由于山體的存在,山前氣流分為繞流和爬升兩部分,山坡度越大繞流的比例越大;當系統(tǒng)風吹向山脈方向,地面風速較大時(>2m/s),大氣穩(wěn)定度基本處于不穩(wěn)定狀態(tài),熱力湍流發(fā)展強烈,氣流將隨山勢抬升越山而過;山的迎風坡是抬升區(qū),抬升速度隨坡度加大而增大;山的背風坡較高處是下沉區(qū),較低處是繞流造成的弱抬升區(qū),并且抬升速度也隨坡度加大而增大。山后背風坡出現(xiàn)反向回流區(qū)和風速衰減區(qū),風速衰減區(qū)向山后延伸到6倍山高的遠處才基本消失。沿山體地形表面水平風速逐漸衰減,風速垂直切變增大。(3)近地層機械作用對湍流能量起控制作用。在山體的迎風坡表面,湍流能量比山前平坦地面上大,并且湍流能量分布的高度也逐漸增加。在迎風坡上,湍流能量廓線的最大值出現(xiàn)在緊貼山體表面處。在山后背風坡上,湍流能量最大值出現(xiàn)的高度在山表面上方約100m處。山后平地上湍流能量最大值出現(xiàn)高度隨風速增加而升高。湍流能量耗散率和湍流能量機械產(chǎn)生項的分布形式與湍流能量基本相同,但量值要小。(4)雪粒子的分布明顯受到地形影響。雪粒子隨氣流分為繞流和爬升兩部分,由于地形高度高于雪粒子吹揚高度,翻越山頂?shù)难┝Ｗ虞^少,而繞流部分較多。山前速度衰減區(qū)由于雪粒子不易輸送和擴散形成了濃度高值區(qū)。繞流運動也在背風坡形成一濃度相對高值區(qū),但濃度比山前小好幾個量級。在風速較大時,山體的水平范圍越大對雪粒子的阻擋越明顯;風速較小時(<1.5m/s),山體坡度越陡造成的阻擋越明顯。山脊較高時,低空氣流往往難于翻山而過,而是沿山谷內(nèi)地形繞流飛行。山谷的狹管效應影響高度可波及至400～500m。(5)山區(qū)地形對日照分布、地面輻射和大氣溫度的影響。日照分布、地面輻射和大氣溫度直接影響到雪粒子的物理性質(zhì),同時也會影響到大氣湍流的特征。這些都與風吹雪密切相關(guān)。山區(qū)地形對日照分布的影響可歸納為如下三個問題:一是測點本身海拔高度的影響;二是坡向、坡度的影響;三是周圍地形對測點的遮蔽影響。在山區(qū),實際日照條件隨海拔高度的變化主要是由于云、霧狀況變化所造成的。另外,地形還起著附加的作用。日照時數(shù)可用統(tǒng)一的拋物線公式y(tǒng)=a-bh+cH2式中:y為年日照時數(shù);h為測點海拔高度,m;a、b、c為經(jīng)驗系數(shù)。坡地日照條件的理論計算公式可由坡地太陽直接輻射公式導出。對于任一坡地,其太陽直接輻射可表示為SCD=SF[sinHcosC+cosHsincos(A-B)]式中:SCD、SF分別表示坡地和垂直于太陽光線面上的太陽直接輻射;C為坡度;D為坡向(以坡面法線方向表示);H為太陽高度角;A、B為太陽方位角。在山區(qū),隨著測點海拔高度的增加,測點上方空氣柱質(zhì)量很快減小,氣柱中的水汽、二氧化碳和氣溶膠質(zhì)粒含量等迅速減少,大氣透明度狀況改善,導致不同海拔高度測點的輻射平衡各分量發(fā)生顯著變化。影響山區(qū)溫度條件的因素較多,但從氣候上說,主要還是宏觀地理條件(測點經(jīng)緯度,離大水體遠近;所在大山系走向以及宏觀的氣候背景條件等),測點海拔高度、地形(地形類別、坡向、坡度、地平遮蔽度等)和下墊面性質(zhì)(土壤、植被狀況等)等四種。其中尤以海撥高度和地形的影響最顯著。隨著離地高度的增加,自由大氣中的氣溫一般總是遞減的。根據(jù)探空資料,在中緯度地區(qū),自由大氣中的年平均氣溫每上升100m約降低0.6℃。山區(qū)氣溫的垂直分布復雜得多,主要體現(xiàn)在山區(qū)氣溫隨海拔高度的遞減率不同上面。(6)山區(qū)地形對降雪、積雪的影響。海拔高度對山區(qū)降雪的影響是十分明顯的。海拔高度越高,全年降雪日數(shù)越多,初雪越早,終雪越晚。同時,山區(qū)積雪分布規(guī)律與降雪分布一致。山區(qū)大量的降雪也給風吹雪提供了豐富的雪源。2風、雨、雪災害的山區(qū)公路特點(1)地形復雜的特性山區(qū)由于地形復雜,氣流流經(jīng)時不僅受局部地形的影響更受來流方向大地形走勢和中小地形起伏的影響。因此,從來流的風向、風速和混亂程度上講,山區(qū)公路上空的氣流決不能僅通過鄰近氣象站的觀測數(shù)據(jù)簡單判斷。在風場結(jié)構(gòu)上,一方面,各種坡度、高度和下墊面性質(zhì)的山坡和土石開挖形成的邊坡,以及擋土墻、碎落臺等輔助結(jié)構(gòu)的存在導致山區(qū)風場結(jié)構(gòu)比平原等地形平緩地帶復雜得多;另一方面,地形劇烈起伏導致的繞流和熱交換導致的氣流沿地形的豎直向運動對風場的擾動也不容忽視。局部風場的這種復雜性決定了山區(qū)公路風吹雪雪害形成的復雜性。因此在分析具體路段成因時必須在全面考察周邊地形的情況下對風場進行長期的現(xiàn)場觀測。(2)風吹雪雪害與雪害的關(guān)系山區(qū)降雪受地形和局部小氣候影響降雪量分布不均衡,一般來說迎風山坡處氣流受到地形抬升,易形成降雨和降雪;而背風坡由于氣流的擴散作用一般不易形成降水。同時,由于山區(qū)風狀況的復雜性,積雪的再分配現(xiàn)象明顯,如對積雪的觀測表明,盡管背風坡的降雪量要比迎風坡少,但積雪的情況卻恰恰相反。由于足夠充分的雪源是風吹雪發(fā)生和雪害形成的必要條件,在山區(qū),即使風場條件適合也未必形成嚴重的風吹雪雪害,如由于高山的阻隔,有些傍山線在本地降雪不大時并不形成雪害。因此,研究山區(qū)具體路段雪害成因時,在分析公路路基斷面流場的基礎上,對雪源的分析非常重要。(3)引入環(huán)保理念地形的復雜性決定了穿越山區(qū)的公路工程對原始地形、地貌的改變比其他地區(qū)要大的多,特別是以往由于沒有更多的引入環(huán)保理念,在公路建設中大填、大挖的情況較常見。工程建設對原始地形的改變往往會加重雪害的嚴重程度,如開挖路塹形成的邊坡坡度大于鄰近的山坡和陡崖導致背風坡的附面層分離加重,迎風坡對風的阻擋效應也大大增強。因此,研究深路塹、高路堤等路基斷面形式對風吹雪雪害的影響是分析山區(qū)雪害的基礎。(4)路附屬設施主要設置山區(qū)由于地形的起伏,公路工程中大量、多樣的附屬設施的修建成為風吹雪雪害形成的重要因素。影響風吹雪雪害形成公路附屬設施主要有:邊坡碎