青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式_物理过程与实验方案

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式_物理过程与实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式_物理过程与实验 方案 第24卷??第6期2002年12月 冰??川??冻??土 JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGY Vol.24??No.6Dec.2002 文章编号:1000??0240(2002)06??0759??06 青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(??): 物理过程与实验方案 王可丽,??程国栋 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州??730000) 摘??要:路基表面的热状况具有时空分布的非均匀性,筑建在冻土区的路基,其下伏冻土层对上边界非均匀热强迫的响应,会引起冻土层的冻胀、融沉非均匀变化,进而造成路基的变形失稳.因此,了解路基表面热状况的时空变化规律对监测和防治路基冻融病害、保证路基稳定性具有重要意义.鉴于此,从热力学研究角度出发,以气候影响因子-大气辐射传输-地气交接面辐射特性-地气间热量交换为研究主线,基于能量守恒原则,建立针对青藏铁路沿线地表、路基上表面和路基左右边坡表面的普适性热力学数值模式,用于高海拔青藏铁路全线的任意坡度和走向的路基表面热状况的定量化研究与应用. 关键词:青藏铁路;路基表面;热力学模式;坡面;辐射收支中图分类——————————————————————————————————————————————— 号:P422.4 文献标识码:A 1??拟解决的关键问题 ????青藏铁路是筑建在!高?、!寒?区的高原铁路,因此,!高?和!寒?的效应成为我们关注的问题.????由!高?而引起的!寒?,使在青藏高原形成高海拔多年冻土层[1],青藏铁路途经约550km的多年冻土区.冻土层的冻胀、融沉变化关系到其上路基的稳定性,而作为铁路支撑体的路基的稳定性是保障青藏铁路安全运营的关键. ????由于青藏高原的高海拔,使得其地??气交接面辐射加热或温度随时间变化的幅度非常大,随着全球变暖,这一特征将愈显突出;作为铁路支撑体的路基,因其走向、边坡坡度和表面物理性质的差异又会造成地??气交接面辐射加热或温度的空间分布不均匀.由此构成的时空非均匀的地??气交接面辐射加热场或温度场,是路基下伏冻土层变化的热力外强迫源. ????就冻土问题,国内外开展了广泛而深入的物理过程研究和工程实践活动,取得了丰富的理论与应用成果[4~6].冻土是地??气之间热交换的产物,冻土 [2,3] 层的变化与地??气交接面的热状况变化有直接的联系[7~ 11] .路基下伏冻土层对上边界非均匀热强迫 的响应,会引起冻土层力学性质的非均匀变化,进而造成路基的变——————————————————————————————————————————————— 形失稳.因此,路基表面热状况的时空非均匀变化问题无疑是影响青藏铁路优质建设与安全运营的关键问题之一.本研究工作即是为解决这一关键问题而设定的,其目的是为青藏铁路全线路基因其下伏冻土层冻胀或融沉变化而引起的病害防治、保证路基稳定性提供依据. ????地??气交接面是两种不同介质的接合面,由于上下介质的不同而引起的差异明显的两种物理过程在此面的交汇造成在此面上物理过程的复杂性,再加之在此面上物理特性的时空非均匀变化,使得地??气交接面上物理过程及参数化问题成为地??气相互作用研究与应用领域的难点问题.为了解青藏铁路沿线路基表面热状况的时空变化规律,我们从热力学研究角度出发,以气候影响因子-大气辐射传输-地气交接面辐射特性-地气间热量交换为研究主线,基于能量守恒原则,建立针对青藏铁路沿线地表、路基上表面和左右边坡表面的普适性热力 [12] ????收稿日期:2002??08??05;修订日期:2002??09??13 ????基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目 (KZCX1??SW??04),中国科学院寒区旱区环境与工程研究所知识创新工程项目 (ACCX210035)资助 ????作者简介:王可丽(1957 ),女,河北唐山人,研究员,1982年毕业于南京气象学院,主要从事陆??气相互作用与气候变化研究.E??mail: ns.lac.cn ——————————————————————————————————————————————— ?? ??冰??????川??????冻??????土24卷 学数值模式,用于高海拔青藏铁路全线的任意坡度和走向的路基表面热状况的定量化研究与应用.本文为这一工作的第一部分 模式物理过程与实验方案. 式中:??为空气密度;Cp为空气的定压比热;Cd为拖曳系数;V为风速;B为波恩比;Ch表示土壤容积热容量,是土壤密度和比热的乘积;Dh表示土壤导温率. ????在式(9)中采用了波恩比(Bowen?sratio) 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,以使地表温度Ts成为显性参数. ????地表太阳辐射净吸收通量和地表长波辐射净损失通量可分别表示为: ????SR=(SscosZ+Ds)(1-As)=S0 R ????Fs=Us-Gs 4 2 2??物理过程描述 2.1对于地表 ????根据能量守恒定律,将地表能量动态平衡过程以如下的数学形式表示[13]: SR=Hs+LE+G+Fs ——————————————————————————————————————————————— (1) 式中:SR表示地表太阳辐射净吸收通量;Fs表示地表长波辐射净损失通量;Hs表示感热通量;LE表示潜热通量,为蒸发潜热L与蒸发量E的乘积;G为土壤热通量. ????感热通量和潜热通量的空气动力学形式分别为: Hs=-??#HLE=-L(??#Q) 土壤热通量有类似形式的表达式: G=-??#W (4)(2)(3) P cosZ+Ds(1-As)(11) 4 =!T4T4s?Ts-!a?a+(1-!s)!a?a =!s?Ts-!s!a?Ta 4 (12) 式中:Ss为到达地表的垂直于光线表面的直接太阳辐射通量;Z为太阳天顶角;Ds为天空散射辐射通量;As为地表反射率;S0为太阳常数;(R /R)为 日地距离订正项;P 为大气短波辐射透过率,对于无云大气而言,是大气分子、水汽和灰尘含量的函数,对于有云大气而言,还要考虑云对太阳辐射的削弱作用;Us与Gs分别代表地面长波辐射通量与大气逆辐射通量;!s与Ts分别代表地表比辐射率与地表温度;!a与Ta分别——————————————————————————————————————————————— 代表大气长波放射率与大气温度的积分效应,如果取Ta=Tz,则定义!a为广义大气长波放射率;?为斯蒂芬-波尔兹曼常数. 2.2??对于坡面 ????对于具有不同坡度#与坡向?的坡面而言,能量平衡方程仍然成立: SR#, ?= 2 式中:H为湍流热量通量密度矢量;Q为湍流水汽通量密度矢量;W为土壤热流通量密度矢量. ????考虑到一般情况下垂直方向上的湍流热量交换和湍流水汽交换以及土壤热流交换远大于水平方向上的交换,式(2)~(4)式可以简化为: Hs=-KsLE=-KeG=-Kh (5)(6)(7) ??T 表示垂直温度H#+LE#+G#+F#(13) ????式(13)中各项的表示形式与式(1)中各项的表示形式有所不同.设坡面温度为T#,类似于式(8)~(10)可得到: H#=??CpCd,#V(T#-Tz)LE#= (14) 式中:z为垂直坐标,向上为正; ——————————————————————————————————————————————— 梯度;表示垂直水汽梯度;Ks为感热导热系数; ??z Ke为潜热导热系数;Kh为土壤导热系数.????如令在地表z=0,地表温度为Ts,z高度处的空气温度为Tz,土壤温度为T-z,将式(5)~(7)对z积分后可以有: Hs=??CpCdV(Ts-Tz)LE= Hs=[??CpCdV(Ts-Tz)]BB h(T(8)(9) ) H#=[??CpCd,#V(T#-Tz)(15)B#B#G#=ChDh,#(T#-T-z) (16) ????对于坡面而言,除了需要考虑由于坡面自身倾斜而引起的辐射收支与水平表面辐射收支的不同之外,由于坡面的倾斜,使得坡面与周围环境地表形成夹角,因此还必须考虑坡面与周围环境地表的相 , 6期王可丽等:青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(??):物理过程与实验方案 和长波辐射净损失通量可分别表示为: SR#, ?= 这里: (17)(18) ——————————————————————————————————————————————— u=sin%cos#-cos%sin#cos?nv=cos%cos#+sin%sin#cos?n (27)(28) (S#,?+D#+Rs)(1-A#) F#=U#-(G#+Us+Rl)(1-!#) 式中:?=?n-?%,为坡面相对于太阳的方位角,即坡面法线n在水平面上投影的方位角?n与太阳方位角?%之差(从南向顺时针方向计算);S#,?为到达地表的垂直于光线表面的直接太阳辐射通量在坡面法线方向的投影;D#为对可见天空球面积分的 散射辐射通量;Rs为来自周围环境地表的反射辐射通量;A#为坡面反射率;U#为坡面长波辐射通量;G#为大气逆辐射通量;Us为来自周围环境地表的长波辐射通量;Rl为来自周围环境地表对大气逆辐射的反射辐射通量;!#为坡面比辐射率. ????设%为地方纬度;&为太阳赤纬;?为时角,那么到达地表的垂直于光线表面的直接太阳辐射通量在坡面法线方向的投影为:S#, ?= ????在假定周围没有其它物体遮蔽的情况下,根据辐射传输理论,在各向同性的假定条件下,球面积分结果[14] 到达坡面的散射辐射通量、来自周围环境地表的反射辐射通量、坡面长波辐射净损失通 量可分别由下列各式表示: 2D#=Dscos2 (29) 2 ——————————————————————————————————————————————— Rs=[(SscosZ+Ds)As]sinF#=Fscos2 2 (30) 42+?(!T4(31)##-!sTs)sin22 l ????坡度#可由下式计算: #=sin -1 (32) Ss[cosZcos#+sinZsin#cos(?n-?%)] (19) 式中:h为斜坡高度;l为斜坡长度. ????事实上,式(1)和式(13)中的各项均为时间t的函数,若对其求时间积分,就可以得到所需时段的表达式.从理论上讲,我们可以根据式(1)~(32)通过反演过程得到具有任意坡度和坡向的局地表面在任意时段的温度T#,这里坡度#=0,??,(/2.在水平表面#=0,式(13)和式(14)~(18)蜕变后同形于式(1)和式(8)~(12);在铅直表面#=(/2. 2.3对于路基表面 ????综合应用式(1)~(32)所描述的物理过程于青藏铁路沿线的路基上表面(#=0)和边坡表面.对于任意局地表面而言,应用的差别在于局地与太阳的相对位置、局地表面的坡度与坡向、局地表面物理特性和周围环境地表物理特性及大气状态参量的不同. ——————————————————————————————————————————————— 利用天文学 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 : cosZ=sin%sin&+cos%cos&cos? sinZsin?%=cos&cos? (20)(21) sinZcos?cos%+cos&sin%cos?(22)%=-sin&代入式(19)可得: S#,?=Ss[(sin%cos#-cos%sin#cos?n)sin& +(cos%cos#+sin%sin#cos?n)cos&cos?+sin?cos&sin?)]nsin# (23) 即垂直到达坡面的太阳直接辐射通量不仅随地方纬度、太阳赤纬、时角而变化,而且是坡度与坡向的函数. ????根据式(23),令S#,?=0,并考虑到海拔H(km)的影响,即可得到日出、日落时的临界时角:?t(value)=cos -1 3??实验方案 n&) 2 1-u (24) 3.1数值方法 ?t(sign)=sin -1 ——————————————————————————————————————————————— ????式(1)~(32)包含了6个最基本的物理过程,可用包含6个基本方程的方程组描述,在平面为式(1)、式(8)~(12),在坡面为式(13)、式(14)~(18),方程组共有6个最基本的变量,方程组闭合,理论上可以求解. ????代入消元后,可以得到如下的函数形式: (,X3-usin?nsin#tan&!v1-u(1+tan&) 1-u sec%sec&) (25) ?H=cos-1(-tan%tan&-0.017 ) ?? (#=0,??,(/2) ??冰??????川??????冻??????土24卷 (33)(18),在不同参数化的假定下,可将其表示成或繁或简的不同形式,具体表示形式在这里不予一一列出.其各种简化形式的合理性也有待检验.简化形 式的试验结果将与数值模式结果作对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,讨论误差问题. 式中:X1、X2、X3分别代表不同类型参数的集合.集合X1包括各类常数或已有常用算法的参数;集合X2包括各类待定参数 可以根据已有实测资料通过各种正、反演过程得到的各类参数;集合X3包括求解式(33)必须的已知条件 需要给出的局地与太阳的相对位置、局地表面的坡度与坡向、局地表面物理特性和环境地表物理特性及大气状态——————————————————————————————————————————————— 参量.????集合X1中包括的常数或已有常用算法的参数有:空气密度??;空气的定压比热Cp;太阳常数S0;斯蒂芬-波尔兹曼常数?;日地距离订正项(R /R). ????针对青藏铁路沿线的气候与环境问题,我们将根据已有实测资料在分析研究的基础上给出集合X2中包括的热力学参数和大气辐射参数,其中有:拖曳系数Cd和Cd,#;波恩比B和B#;土壤容积热容量Ch;土壤导温率Dh和Dh,#;土壤温度T-z 下垫面附面层[15]底面温度(与此参数有关的土壤热通量项也可以作为与冻土热力学模式的接口);有云大气短波辐射透过率P 和广义大气长波放射率!a.????集合X3包括需要给出的已知条件:局地与太阳的相对位置参数 地方纬度?,太阳赤纬&,时角?;坡度#、坡向?n 坡面的方位角;根据实测得到的坡面和环境地表辐射特性参数 地表反射率As,地表比辐射率!s,坡面反射率A#,坡面比辐射率!#,及大气状态参数 10m高度风速V,百叶箱温度Tz. ????当具体地点和时间确定以后,式(33)中的各类参数也随之确定,此时,式(33)仅为T#的函数.整理后可得到关于T#的一元四次方程,其形式为: f(T#)=aT#+bT#+c=0 4 2 4??模式系统流程图 ????综上所述,可给出青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式——————————————————————————————————————————————— 系统流程图(图1). (34) 式中:a、b、c为整理后的系数. ????在实际应用中,可以用数值方法对(34)式求数值解.我们可以采用牛顿法(Newton-Raphson)叠代求解式(34): T#, j+1 图1??青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式 系统流程图 Fig.1??Flowchartofthermodynamicmodelofthegroundsurfaceandtheroad bedsurfacealong theQinghai??Tibetrailway =T#,j- f(T#,j) f((T#,j(35) (j=0,1,2,??) 式中:j为叠代次数,f((T#,j)为式(34)对T#的一阶导函数.3.2 简化方法 ?? (????本文给出了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式的物理过程与实验方案,有关的参数化方案和计算分析结果等将陆续给出. ——————————————————————————————————————————————— 6期王可丽等:青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(??):物 理过程与实验方案 [8]??WuQingbai,ZhuYuanlin,LiuYongzhi.Assessmentmodelof 参考文献(References): [1]??ChengGuodong,WangShaoling.Onthezonationofhigh-alti?? tudepermafrostinChina[J].JournalofGlaciologyandGeocryol??ogy,1982,4(2):1-7.[程国栋,王绍令.试论中国高海拔多年冻土带的划分[J].冰川冻 土,1982,4(2):1-7.][2]??TangMaocang,ChengGuodong,LinZhenyao.Contemporary ClimaticVariationsoverQinghai-Xizang(Tibetan)PlateauandTheirInfluencesonEnvironments[M].Guangzhou:GuangdongScienceandTechnologyPress,1998.[汤懋苍,程国栋,林振耀.青藏高原近代气候变化及对环境的影响 [M].广州:广东科技出版社,1998.] [3]??LiuXiaodong,HouPing.Relationshipbetweentheclimatic warmingovertheQinghai-XizangPlateauanditssurroundingareasinrecent30yearsandtheelevation[J].PlateauMeteorolo??gy,1998,17(3):245-249.[刘 晓东,侯萍.青藏高原及邻近地区近30年气候变暖与海拔高度的关系 [J].高原气象,1998,17(3):245-249.] [4]??ChengGuodong.Internationalachievementsofstudyonfrozen ——————————————————————————————————————————————— soilmechanicsandengineering-summaryoftheinternationalsymposiumongroundfreezingandfrostactioninsoils[J].Ad??vanceinEarthSciences,2001,16(3):293-299.[程国栋.冻土力学与工程的国际研究新进展-2000年国际 地层冻结和土冻结作用会议综述[J].地球科学进 展,2001,16(3):293-299.] [5]??ChengGuodong,HePing.Linearityengineeringinpermafrost areas[J].JournalofGlaciologyandGeocryology,2001,23(3):213-217.[程国 栋,何平.多年冻土地区线性工程建设[J].冰川冻土,2001,23(3):213-217.] [6]??MaWei,ChengGuodong,ZhuYuanlin,XuXiaozu.TheState KeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering:reviewandprospect[J].JournalofGlaciologyandGeocryology(冰川冻土),1999,21(4):317-325. 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Keywords:Qinghai??TibetanRailway;roadbedsurface;thermodynamicsmodel;slopeside;radiationbudget ———————————————————————————————————————————————