青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应

青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应中国科学院知识创新工程重大项目钱泽雨胡泽勇杜萍张艳武主要内容问题的提出计算方法数据分析得出的结论存在的问题地表能量平衡地表加热场地表动力学粗糙度地表反照率总体输送系数问题的提出青藏铁路建设中最大的问题是如何保持路基的稳定性，建成后的青藏铁路对其下伏冻土的影响不仅要考虑路基的动力学效应，其热力学效应也同样十分重要。一千多公里青藏铁路沿线的地形和小气候各不相同，对其地气间的相互作用将主要通过模式的方法进行诊断，然而由于地形与气候条件的不同，模式中众多的初始场参数必然不同，因此这些参数的确定将对模式的模拟精度产生重要的影响问题的提出（续）本文利用北麓河2002年五月架设的一套新型自动气象站六月份观测资料，在给出该地区的能量平衡和地表加热场特征后，试图确定对模式陆面过程参数化产生重要影响的地表动力学粗糙度、地表反照率和动量（热量）总体输送系数ZukZuZqZuZkquEZZuZkCuCHPP0*220*0*0220*0*0Thesensibleheatflux,latentheatfluxandfrictionvelocitywithoutstratificationreductionshowas:AccordingtoM-Osimilaritytheory,wecanget:WHMkZqZqkZZkZuZu***;;Briefintroductiontotheaerodynamicmethod计算方法Sothesensibleheatflux,latentheatfluxandmomentumfluxdescribeas:220*2*10**10**)()(MWMHMPuuEquEHuCH0,)341(885.0;)161(0,)221(885.0;)161(40.03/140.03/1iiWHiMiiWHiMRRRRRR2ZuZTgRiTheuniversalfunctionsareusedasPruitt’sforms计算方法RichardsonNumber数据分析—地表能量平衡-200020040060080010002002-5-310:002002-5-3112:002002-6-10:002002-6-112:002002-6-20:002002-6-212:002002-6-30:00时间序列（Date）热通量（HeatFlux）/(W/m2)土壤热通量净辐射感热通量潜热通量（1）各分量均具有明显的日变化规律，即在早晨日出后开始增大，在当地时间中午达到最大值后开始减弱，在夜间出现最小值（2）就观测时段来说，白天土壤热通量、感热通量和潜热通量在净辐射中所占份额相当（3）在晴天(6月24日)情况下，北麓河地区净辐射特征值约为630W/m2，5cm土壤热通量为150W/m2，感热和潜热分别为180W/m2和220W/m2左右，Bowen比约0.8在北麓河地区，季风对地气间能量交换的影响并不像藏北高原草甸下垫面（安多观测站）那么明显（季风来临前以感热为主，季风来临后感热明显减小，而潜热变为地气间能量交换的主要分量）北麓河31/5~2/6土壤热通量、净辐射、感热和潜热的日变化数据分析—地面加热场研究青藏高原地面对大气的加热效应不仅对东亚地区的天气气候甚至对北半球的大气环流场都产生着重要的作用，同样对于研究局地冻土稳定性方面也存在着重要的意义。高原下垫面对大气的加热作用可通过辐射过程和湍流过程进行，其中辐射过程是指地表的辐射能的收支，湍流过程是指地表吸收太阳辐射能后通过湍流输送的方式向大气输送热量和水汽通量的过程。EHGRSn0数据分析—地面加热场(续)-10001002003004005002002-5-310:002002-5-3112:002002-6-10:002002-6-112:002002-6-20:002002-6-212:002002-6-30:00时间序列（Date）地表热源强度（HeatFlux)（1）北麓河试验期白天为强热源，夜间冷热源不明显（有时为弱冷源有时微弱热源，取决于当时的天气状况，并不象人们一般所说的夜间为弱冷源。）（2）热源强度存在明显的日变化：中午前后存在明显的极大峰值，夜间出现最小值，其变化规律由总辐射的日变化和局地天气气候条件决定北麓河31/5~2/6地面加热场的日变化数据分析—空气动力学粗糙度空气动力学地表粗糙度是表征近地面层空气动力学特性的基本参数，是陆面过程研究中有关下垫面属性中地表与大气之间能量和水分交换过程首先要确定的最基本物理量的一部分，也是影响总体输送系数计算准确性的关键因子。在计算动力学地表粗糙度时，主要有利用塔站梯度观测资料的对数风廓线法和利用精确的湍流脉动观测资料的独立确定方法。)/ln()/ln(010212mmzzzzuu对数风廓线法)lnln(0122112uuzuzumez)]/()[ln(0*LzzzkuUmm独立确定方法)/(0*LzukUmmzeZ数据分析—空气动力学粗糙度续将空气动力学粗糙度与近中性条件下的静力学稳定度进行拟合后可得到北麓河数据采集期的中性条件下的动力学粗糙度mZm3010)19.05.2(数据分析—空气动力学粗糙度续地点下垫面属性动力学粗糙度沙漠沙漠0.0003[OkeT.R]戈壁戈壁0.00025[胡隐樵等]临泽麦地（高约1米）0.30[贾立等]改则荒漠沙石0.0026[周明煜等]当雄开阔干河谷0.0022[周明煜等]昌都河谷草地0.0014[周明煜等]安多高原草甸0.0043[钱泽雨等]北麓河稀疏短草沙壤土0.0025[本文]北麓河空气动力学粗糙度与当雄、改则相当，约为昌都的两倍，约为安多的一半，远大于沙漠和戈壁，远小于临泽。这种不同主要由植被的高度、密度和类型以及地表的土壤特征导致不同地点、不同地表属性中性条件下空气动力学粗糙度的比较数据分析—地表反照率对于青藏高原复杂的地形、特殊的下垫面和强烈的太阳辐射来说，地表反照率是表征局地下垫面不同属性对局地小气候影响的重要参数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时间序列（Date/Time）地表反照率（Albedo)00.20.40.60.812002-6-210:002002-6-2112:002002-6-220:002002-6-2212:002002-6-230:002002-6-2312:002002-6-240:002002-6-2412:002002-6-250:00时间序列（Date/Time）地表反照率（Albedo）平均来说，北麓河地表反照率6月份约为0.22，降雪后可超过0.9，但随着降雪的融化，土壤湿度加大，使得反照率明显减小（0.16左右）北麓河不同时段地表反照率日变化数据分析—地表反照率续地点（试验）下垫面属性地表反照率（6月）改则（TIPEX）荒漠沙石0.31[周明煜等]当雄（TIPEX）开阔河谷0.17[周明煜等]昌都（TIPEX）河谷草地0.16[周明煜等]安多（GAME/Tibet）高原草甸0.25[钱泽雨等]北麓河短草沙壤土0.22[本文]北麓河地表反照率与安多相当，小于改则而明显大于当雄和昌都是由于地表属性的不同造成不同地点、不同地表属性下6月份地表反照率的比较数据分析—动(热)量总体输送系数31005.074.1DNC1.E-081.E-061.E-041.E-021.E+0000.10.20.30.40.50.60.70.8Ri热量总体输送系数Ch1.E-081.E-061.E-041.E-021.E+00-1-0.500.51Ri动量整体输送系数Cd310)117.037.1HNCCd在不稳定时主体落在10-3附近，稳定时随稳定度的增大而降低且离散，Ch主要落在10-2~10-4之间近中性条件下北麓河地表动量和热量总体输送系数分布图数据分析—动(热)量总体输送系数地点(试验)下垫面属性动量总体输送系数（中性）热量总体输送系数（中性）改泽（TIPEX）荒漠沙石2.31×10-32.15×10-3当雄（TIPEX）开阔干河谷1.80×10-31.50×10-3昌都（TIPEX）河谷草地4.40×10-34.70×10-3北麓河短草沙壤土1.74×10-31.37×10-3不同地点、不同地表属性中性条件下动量（热量）总体输送系数比较中性条件下动量总体输送系数与热量总体输送系数略小于当雄地区而明显小于改则和昌都，但在量级上相当得出的结论北麓河地表能量平衡中的各物理量场（土壤热通量、净辐射、感热、潜热）均具有明显的日变化特征，且感热和潜热对地表向大气输送能量的贡献相当，这种情况与安多地区在5-6月期间感热输送占主导地位的特点并不一致地面加热场同样具有显著的日变化特征，白天为强热源，夜间的冷热源特征不够明显，这与高原其它地点的夜间表现微弱冷源的特征并不一致得出的结论续地表空气动力学粗糙度远比戈壁和沙漠大，比昌都约大一倍，与当雄、改则相近，小于高原安多地区，但显著小于临泽地区，这种不同主要是由各个地点不同的下垫面属性的不同导致地表反照率6月份约为0.22，与其它高原试验的同期（6月份）相比大于当雄和昌都而小于改则与安多中性条件下动量总体输送系数与热量总体输送系数略小于当雄地区而明显小于改则和昌都，但在量级上相当总结与存在的问题从以上得到的结论可以发现，在对北麓河这一地区做单点模拟的陆面过程参数化时，使用高原其它地区的值是不合适的，在模式中反映这一地区对大气的加热作用时，感热和潜热的贡献同样重要在高原尺度的模式模拟中，如何获得非均匀网格点上有效的空气动力学粗糙度和总体输送系数以提高模式模拟的精度，还有待于进一步的理论和试验工作如要得到更高精度的参数值，可以使用湍流脉动观测资料以获得更好的原始观测资料