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朔黃鐵路不同季節(jié)軌溫變化特征分析

2022-09-15 03:13張金滿楊琳晗
綠色科技 2022年16期
關(guān)鍵詞:盆地平原山地

張 娣,張金滿,楊琳晗

(河北省氣象服務(wù)中心,河北 石家莊 050021)

1 引言

朔黃鐵路是“神華集團(tuán)”路網(wǎng)神黃(神木-黃驊)鐵路中的一段,西起山西朔州,東至河北黃驊港,全長約600 km,是我國西煤東運(yùn)第二大通道,在全國鐵路網(wǎng)中占有非常重要的地位。朔黃鐵路沿線地形復(fù)雜,途徑山地、盆地、平原、港口等不同地理環(huán)境,災(zāi)害性天氣頻發(fā)。強(qiáng)降雨造成的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著地基的安全;雷電容易引發(fā)輸電系統(tǒng)的安全;鋼鐵在低溫嚴(yán)寒的天氣條件下會變脆,在極端高溫的條件下可能導(dǎo)致金屬導(dǎo)軌、導(dǎo)線膨脹,脹軌發(fā)生風(fēng)險較大時,需要采取限速命令[1~3];鐵軌溫度的增加也可能影響導(dǎo)軌的摩擦系數(shù),環(huán)境溫度的冷暖驟變嚴(yán)重影響著鐵軌溫度等設(shè)施。相對復(fù)雜多變的自然環(huán)境,確保因氣象因素造成的鐵路交通運(yùn)輸安全以及鐵路災(zāi)害事故等損失降到最低仍是目前我們需要面臨的重要課題。

近年來,鐵路與氣象部門在氣象防災(zāi)減災(zāi)工作上開展了卓有成效的合作,氣象防災(zāi)減災(zāi)能力明顯增強(qiáng),鐵路氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力不斷增強(qiáng)。針對鐵路水害[4~7]、風(fēng)災(zāi)[8~10]的研究較多,湯懋蒼等[11]分析了青藏鐵路沿線的季節(jié)劃分及其溫度變化,李棟梁等[12]對青藏鐵路沿線氣溫、地溫進(jìn)行了研究分析,張向民等[13]首次對青藏鐵路開展軌溫和氣溫的試驗(yàn),分析了其變化特征,徐玉坡等[14]詳細(xì)分析了軌溫、梁溫、環(huán)境溫度三者之間的關(guān)系,但是對不同地形鐵軌溫度的研究甚少,因此開展針對不同地形軌溫的變化特征分析非常必要。分析不同地形條件下軌溫的季節(jié)變化和日變化特征,統(tǒng)計軌溫的最大值、最小值出現(xiàn)的時間規(guī)律,研究鐵軌溫度的變化規(guī)律,探索鐵軌溫度的預(yù)報技術(shù),對開展針對性、專業(yè)性的鐵路氣象服務(wù),減少低溫、高溫災(zāi)害對鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?保障鐵路交通運(yùn)輸安全具有非常重要的意義。

2 數(shù)據(jù)來源與說明

鐵軌溫度數(shù)據(jù)資料來自朔黃鐵路沿線自有氣象觀測站,經(jīng)過實(shí)地考察勘探,根據(jù)地形、海拔、觀測站環(huán)境可行性等因素,最終選取具有代表性的神池南、回鳳、西柏坡、安國、黃驊港5個車站的軌溫資料,地形、海拔信息見表1。氣象站資料根據(jù)臨近原則選取離鐵路站點(diǎn)最近的國家氣象站,最終選取神池、定囊、平山、安國、黃驊港5個氣象站的氣溫資料。選取2017年6月1日至2019年5月31日的逐小時數(shù)據(jù),3~5月份為春季,6~8月份為夏季,9~11月份為秋季,12月至翌年2月為冬季。

表1 鐵路沿線氣象觀測站情況

3 不同地形軌溫與氣溫的季節(jié)變化特征

朔黃鐵路自西向東橫跨山西、河北兩省,西起山西神池,海拔1522.0 m,東至河北黃驊港,海拔4.0 m,地形復(fù)雜多變,囊括了山地、盆地、平原、港口等不同地理環(huán)境,不同地形、不同海拔高度條件下軌溫、氣溫變化特征有一定的差異。

3.1 不同地形、不同季節(jié)日平均軌溫分析

表2給出了不同地理環(huán)境條件下不同季節(jié)的日平均軌溫值,可以看出,不同季節(jié)的日平均軌溫的大小排序均為平原>港口>山麓>盆地>山地,主要是由于受到海拔高度的影響,海拔越高,軌溫越低,與氣溫隨高度的變化規(guī)律一致;平原與港口地區(qū)相比,平原較港口地區(qū)海拔高23 m,但各個季節(jié)內(nèi)陸地區(qū)的日平均軌溫較港口地區(qū)高約2 ℃,這主要是由于港口地區(qū)周圍海水的比熱容比較大,在同樣受熱或遇冷的條件下,港口地區(qū)的氣溫變化就不像內(nèi)陸地區(qū)氣溫變化得那樣劇烈,軌溫與氣溫變化一致,同時這與港口地區(qū)風(fēng)力較大也有一定的關(guān)系。

表2 不同地形、不同季節(jié)的日平均軌溫 ℃

3.2 不同地形、不同季節(jié)軌溫、氣溫的日變化特征

氣溫的日變化主要受當(dāng)?shù)孬@得的太陽輻射日變化的影響,與所在緯度、地形、季節(jié)、下墊面性質(zhì)等密切相關(guān)[15],軌溫的日變化亦是如此,軌溫、氣溫的日變化均是隨著太陽輻射的急劇變化而變化,與日出、日落的時間變化有密切聯(lián)系[16],軌溫還受到鋼軌導(dǎo)

熱性的影響。圖1給出了鐵路沿線山地、盆地、山麓、平原、港口環(huán)境下軌溫和氣溫的季節(jié)變化特征。可見不同地形條件下,不同季節(jié)軌溫、氣溫具有明顯的日變化分布特征曲線,而且兩者的日最小值、日最大值也存在較大的差異。

圖1 不同地形軌溫、氣溫的日變化特征

分析不同地理?xiàng)l件下軌溫、氣溫最小值和最大值出現(xiàn)的時間發(fā)現(xiàn):軌溫的日變化幅度大于氣溫的日變化幅度,主要與鋼軌強(qiáng)導(dǎo)熱性特性有關(guān)。不同地形條件下,軌溫和氣溫最小值出現(xiàn)時間較為一致,均出現(xiàn)在日出前,一般在5:00~7:00,受季節(jié)、海拔、地形等影響,出現(xiàn)時間可能提前或推后,這是由于晚上沒有太陽輻射,軌溫主要受環(huán)境溫度的影響。軌溫最大值出現(xiàn)時間為13:00~14:00,而氣溫在15:00~16:00達(dá)到最大值,氣溫的最大值出現(xiàn)時間要滯后于軌溫,分析原因,白天日出后,太陽輻射逐漸加強(qiáng),由于鋼軌的熱傳導(dǎo)原理,鋼軌的吸熱能力較強(qiáng),軌溫升溫率大于氣溫的升溫率。

分析軌溫的日變化,發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)、不同地形條件下日平均最低軌溫大小排序一致,均為港口>平原>山麓>盆地>山地;而日最高軌溫有一定的季節(jié)差異:春季,不同地形條件下日最高軌溫排序?yàn)椋号璧?平原>港口>山麓>山地;夏季為:平原>盆地>山麓>港口>山地;秋季為:平原>山麓>港口>盆地>山地;冬季為:平原>山麓>盆地>港口>山地。夏秋冬季節(jié),平原地區(qū)日平均最高軌溫最大,而在春季盆地區(qū)日平均最高軌溫最大,為34.1 ℃,較平原地區(qū)高約1.5 ℃,因?yàn)榇杭?,太陽輻射較強(qiáng),盆地地區(qū)地勢凹陷,周圍山坡環(huán)繞,氣流不通,湍流交換較弱,相對濕度較小,白天在強(qiáng)烈陽光照射下,軌溫急劇升高。夏季,盆地地區(qū)日平均最高軌溫為42.9 ℃,較平原地區(qū)低約0.5 ℃。一年中山地地區(qū)日最高軌溫最小,海拔高,山地受熱面積小,風(fēng)速較大,因此軌溫最小。

3.3 不同地形、不同季節(jié)的軌溫日較差

圖2給出了鐵路沿線不同地理環(huán)境條件下軌溫日較差的季節(jié)變化特征??梢灾庇^看出一年中軌溫日較差變化為春季>夏季>秋季>冬季,盆地和山地的季節(jié)波動幅度較大,平原地區(qū)波動幅度最小。主要是受到當(dāng)?shù)靥柛叨冉堑挠绊?。夏季雖然太陽高度角大,日照時間長,白天溫度高,但是由于白晝時間長,冷卻降溫時間較短,夜間溫度也比較高,所以夏季氣溫日較差小于春季。

一年中,盆地地區(qū)的軌溫日較差最大,在20.6~26.8 ℃;平原地區(qū)次之,在20.1~21.6 ℃;港口地區(qū)最小,在12.4~16.8 ℃。不同地形條件下軌溫日較差大小為:春季,盆地>平原>山地>山麓>港口;夏季,盆地>平原>山地>山麓>港口;秋季,盆地>平原>山地>山麓>港口;冬季,盆地>平原>山麓>山地>港口。比較平原和盆地,春夏季節(jié),盆地比平原地區(qū)高約4~5 ℃,秋冬季節(jié),盆地比平原高約0.5 ℃;比較山地和山麓,春季,山地軌溫日較差比山麓地區(qū)高約4 ℃,夏季山地比山麓地區(qū)高0.8 ℃,秋冬季節(jié),山地軌溫日較差比山麓分別低約1.2 ℃、2.4 ℃。地形復(fù)雜,受熱力、動力綜合影響,而且不同下墊面的比熱特性和對太陽輻射的吸收能力不同,影響軌溫日較差的變化。盆地地區(qū)地勢相對較低,通風(fēng)條件受到限制,熱量不易流失,白天軌溫升溫速度相對較快,軌溫較高;夜間冷空氣沿山坡下沉匯集到盆地,加之輻射冷卻作用,夜間軌溫降溫速度也較快,導(dǎo)致夜間軌溫較低,因此,盆地地區(qū)日較差最大。港口地區(qū)地勢低平、受水汽、氣溶膠等影響,白天大氣對太陽輻射的削弱作用強(qiáng),同時又有流動、蒸發(fā)等特性,軌溫升溫速度較慢,晚上大氣逆輻射強(qiáng),軌溫降溫率也較慢,因此軌溫日較差最小。山地地區(qū)由于海拔高、面積小的原因,春季,太陽輻射強(qiáng),空氣相對稀薄,白天到達(dá)地面的太陽輻射大,夜間大氣逆輻射弱,所以春季山地地區(qū)軌溫日較差遠(yuǎn)大于山麓地區(qū);而冬季,西北空氣活動頻繁,氣流過山到達(dá)山麓地區(qū)時,由于氣流下沉而絕熱增溫,山麓地區(qū)軌溫升溫率較大,白天軌溫較高,夜間軌溫相差不大,所以山麓地區(qū)軌溫日較差大于山地地區(qū)[17,18]。

圖2 不同地形軌溫日較差季節(jié)變化特征

4 不同地形軌溫與氣溫差值的季節(jié)變化特征

從圖3可以明顯看出,不同地形條件下軌溫與氣溫的差值(δ)的最大值出現(xiàn)時刻一般為13:00~14:00,與軌溫最大值出現(xiàn)時間一致,山地地區(qū)δ出現(xiàn)時間相對較晚,春季出現(xiàn)在16:00,夏季和秋季出現(xiàn)在15:00;δ的最小值一般出現(xiàn)在日出前,略有波動。

不同地形條件下,軌溫與氣溫的差值呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律:δ的日變化幅度春季在-2.7~14.1 ℃之間;夏季在-1.8~14.9 ℃之間;秋季在-3.2~10.4 ℃之間;冬季在-3.3~9.4 ℃之間。由于鋼軌的熱傳導(dǎo)原理,鋼軌的吸熱能力較強(qiáng),白天日出后,隨著太陽輻射的加強(qiáng),軌溫升溫率大于氣溫的升溫率,軌溫高于氣溫,且軌溫與氣溫的差值隨著升溫率差距的增大而增加,在13:00~14:00達(dá)到最大值;隨著太陽輻射的逐漸減弱,軌溫與氣溫的差值隨著升溫率差距的減小逐漸變??;日落后,無太陽輻射作用,由于鋼軌的導(dǎo)熱性,夜間軌溫要低于氣溫。

圖3 不同季節(jié)、不同地形軌溫與氣溫差值(δ)的日變化特征

δ最大值在夏季最大,春季次之,冬季最小,主要受太陽輻射和鋼軌導(dǎo)熱性強(qiáng)的影響。不同地形條件下最大值排序?yàn)椋捍杭荆璧?平原>山地>港口>山麓:盆地為14.1 ℃;平原11.4 ℃;山地為9.8 ℃;港口7.7 ℃;山麓7.2 ℃;夏季,盆地>平原>山地>山麓>港口:盆地為14.9 ℃;平原12.2 ℃;山地11.5 ℃;山麓在10.0 ℃;港口9.2 ℃。秋季,平原>盆地>山地>山麓>港口:平原10.4 ℃;盆地8.9 ℃;山地7.6 ℃;山麓7.2 ℃;港口6.5 ℃。冬季,平原>盆地>山地>港口>山麓:平原9.4 ℃;盆地8.2 ℃;山地6.3 ℃;山麓3.8 ℃;港口4.5 ℃。比較盆地與平原地區(qū),在春夏季節(jié),盆地最大值比平原高約2.7 ℃,秋冬季節(jié),平原比盆地高1.3 ℃;比較港口與山麓地區(qū),春冬季節(jié),港口較山麓高約0.6 ℃,夏秋季節(jié),山麓比港口高約0.7 ℃。最小值一般為冬季最大,夏季最小,波動幅度不大,在-3.4~0.7 ℃之間;盆地和港口地區(qū)相對較大,山麓地區(qū)最小。

5 結(jié)論

通過對朔黃鐵路自有自動氣象站鐵軌溫度數(shù)據(jù)以及鐵路沿線周邊的國家氣象觀測站2017年6月1日至2019年5月31日的逐小時氣溫數(shù)據(jù)資料,統(tǒng)計分析了山地、盆地、山麓、平原、港口5種不同地形、海拔等地理環(huán)境條件下軌溫與氣溫的季節(jié)變化和日變化特征規(guī)律。具體結(jié)果如下:

(1)不同季節(jié)軌溫的日均值大小為平原>港口>山麓>盆地>山地,與氣溫隨高度的變化規(guī)律一致。

(2)軌溫、氣溫日最小值均出現(xiàn)在日出前,一般在5:00~7:00,軌溫最大值出現(xiàn)時刻為13:00~14:00,而氣溫在15:00~16:00達(dá)到最大值,氣溫的最大值出現(xiàn)時間要滯后于軌溫;不同季節(jié)、不同地形條件下日最低軌溫大小均為:港口>平原>山麓>盆地>山地;而日最高軌溫不同地形條件下有一定的季節(jié)差異,夏秋冬季節(jié),平原地區(qū)日平均最高軌溫值最大,而在春季盆地地區(qū)日平均最高軌溫值最大,較平原地區(qū)高約1.5 ℃。

(3)不同地形條件下,軌溫日較差變化為:夏季>春季>秋季>冬季,盆地和山地的季節(jié)波動幅度較大,平原地區(qū)軌溫日較差季節(jié)變化幅度最小。一年中,盆地的軌溫日較差最大,在20.6~26.8 ℃;平原地區(qū)次之,在20.1~21.6 ℃;港口地區(qū)最小,在12.4~16.8 ℃;比較山地和山麓地區(qū)軌溫日較差,在秋冬季節(jié),山地<山麓,春夏季節(jié),山地>山麓。

(4)軌溫與氣溫差值最大值一般出現(xiàn)在13:00~14:00,夏季最大,春季次之,冬季最小。春夏季節(jié),盆地比平原高約2.7 ℃,秋冬季節(jié),平原比盆地高約1.3℃;冬春季節(jié),港口較山麓高約0.6 ℃,夏秋季節(jié),山麓比港口高約0.7 ℃。

研究鐵軌溫度的季節(jié)變化和日變化規(guī)律,對探索鐵軌溫度的預(yù)報技術(shù)、保障鐵路交通運(yùn)輸安全具有一定的指示意義。

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