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青藏铁路路基表面 热力学模式研究进展 专题汇报人：王可丽. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. “ 青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目 2003 年会. 一、模式物理过程. 辐射. 对流. 热传导. 高海拔多年冻土层. 辐射过程（ 短波辐射 ）：. 气象资料. 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. 散射辐射 云覆盖率 / 大气成分 坡度. 平面 坡面 短波净辐射 通量. 周围环境的反射辐射 表面反射率. 辐射过程（ 长波辐射 ）：. 气象资料.
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青藏铁路路基表面 热力学模式研究进展 专题汇报人：王可丽 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 “青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”项目2003年会
一、模式物理过程 辐射 对流 热传导 高海拔多年冻土层
辐射过程（短波辐射）： 气象资料 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 散射辐射 云覆盖率/大气成分 坡度 平面 坡面 短波净辐射 通量 周围环境的反射辐射 表面反射率
辐射过程（长波辐射）： 气象资料 大气长波辐射 云覆盖率/大气温度 坡度 表面长波辐射 比辐射率 坡度 平面 坡面 长波净辐射 通量 与周围环境的 长波辐射交换 比辐射率
对流过程： 气象资料 感热交换 风速 拖曳系数 地-气温差 潜热交换 波恩比 对流交换 通量 特殊介质层中的非稳态 对流交换 介质层覆盖度/孔隙度 介质层上-下温差
热传导过程 ： 土壤热通量 不同土质的热容量和导热率 表面温度 冻土温度或深度
二、参数化方案 为了简化计算，我们将大气作为整层来考虑，由此涉及到一些物理量的简单参数化方法。
大气透过率的参数化 Pt=0.8037+0.205loge(cosZ) r=0.82 =0.075 N=266 r0.01=0.25
无云大气散射辐射通量的参数化 Diffuse=24.117+47.036*cosZ r=0.82 =7.6w/m2 N=148 r0.01=0.25
无云大气大气逆辐射通量的参数化 G=207.1+3.772*Ta r=0.94 N=80 r0.01=0.283
有云大气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临界相关系数r0.01=0.39
夏天 冬天 0.14 0.30 0.98 0.90 Cd 5*10-3 3*10-3 B 0.5 2～3 自然表面的一些参数
三、坡面辐射的计算方案 有关坡面辐射的计算方案见2002年会报告
四、年积温的实用算法 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，说明有热能向下传递，融沉变化大于冻胀变化；表面年积温为负，说明有冷能向下传递，冻胀变化大于融沉变化。 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。
冻土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 冰川冻土，2003，25（6）
2.2 解析算法 正积温 负积温 这里0是T=0时的位相，即f (0)=0，所以有 积温比
年平均值 振幅 ＋ － n＋ n－ n＋/n－ K ＋ － 气温 -3.82 11.5 12.31 36.22 0.34 平面温度 0.38 14.5 30.16 27.84 1.08 2.45 0.77 3.18 坡 面 温 度 NE -1.46 15.1 25.82 34.88 0.74 2.10 0.96 2.19 0.85 1.25 0.69 E 0.10 14.0 28.28 27.72 1.02 2.30 0.77 3.00 0.94 1.00 0.94 SE 1.43 13.2 31.02 22.04 1.41 2.52 0.61 4.15 1.03 0.79 1.31 S 1.96 12.6 31.63 19.28 1.64 2.57 0.53 4.80 1.05 0.69 1.52 SW 1.70 12.9 31.35 20.64 1.52 2.55 0.57 4.45 1.04 0.74 1.41 W 0.54 13.8 29.26 25.95 1.13 2.38 0.72 3.30 0.97 0.93 1.05 NW -1.23 15.0 26.25 33.90 0.77 2.13 0.94 2.29 0.87 1.22 0.71 N -2.26 15.8 24.81 39.03 0.69 2.02 1.08 1.89 0.82 1.40 0.64 表1 气温、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
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，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。
青藏铁路路基表面热力学模式（II）无云大气条件下数值模拟结果分析青藏铁路路基表面热力学模式（II）无云大气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 冰川冻土，2004，26
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。
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。 • 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应。 图2 秋季各坡向坡面（坡度选为60˚）温度的日变化
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 -0.1 0.0 0.2 -11.0 0.0 -52.6 表3 北麓河实验路基模拟结果与实测资料的偏差
五、与阶段性工作内容有关的论文 [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）：759—764。 [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关分析，初稿。
六、下一年度的工作安排 • （1）有云大气条件下辐射参数化方案的完善。 • （2）在模式程序中嵌入计算多孔隙介质层非 • 稳态对流的模块。 • （3）改进土壤热通量的计算部分，以期突出 • 表面温度与冻土融化深度的关系。
