高海拔冻土地区公路路基风流场特征研究

风流场对于局地条件下地-气能量交换过程与强度影响显著,同时也是多年冻土区对流调控类冷却路基的关键环境边界。结合现场监测与数值模拟,对高海拔冻土路基周边风流场进行特征区划研究并考察路基高度的影响。结果表明：坡前扰动区为低风速区,3 m路基高度条件下迎风坡坡脚0.5~2.0 m高度范围内风速约为环境风速的30%。路基上部为高风速区,迎风坡路肩风速明显大于环境、路面中部及背风坡风速。背风坡坡后扰动区为低风速区,靠近坡脚区域受气流辐散效应作用形成涡旋区,整体风速仅为环境风速的30%。涡旋区水平范围随路基高度增加呈线性增加,3 m路基高度条件下涡旋区水平范围约为12 m。分离式路基即两幅路基并行条件下,受前幅路基影响后幅路基坡前风速下降明显,以两幅路基坡前风速差值不超过环境风速的10%（0.35 m·s^-1）为标准,3 m路基高度条件下两幅路基最小间距为60 m。因此,在路基工程的修建过程中为减少路基间的遮挡所造成的两幅路基间的对流换热强度差异,分离式对流换热类冷却路基的现场修建间距应不低于60 m。     

风沙环境下沙漠路基风蚀破坏数值模拟研究

基于Fluent气固两相流,运用 湍流模型,对风沙环境下沙漠路基的风蚀破坏规律进行数值模拟研究。分析路基不同横断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基障碍物的存在对风沙流扰动后造成的风速减弱区和恢复区,总结路基坡面特征点的风速变化规律,与现场实测结果作比较,二者具有很好的一致性。研究结果表明,不同路基横断面下风速减弱区和恢复区的分布对路基高度变化敏感,受边坡坡率的影响较小,不同路基高度、不同边坡坡率下路基沿程风速变化明显不同。边坡坡率一定,随路基高度的增加,路基周围流场扰动被增强,迎风坡坡顶风速增大显著,背风坡坡底风速下降愈明显;路基高度一定时,边坡坡率越小,路基沿程风速变化越平缓。当边坡坡率为1:3时,路基模型高度由1m增加到3 m时,迎风坡坡顶风速增加12%,背风坡坡底风速降低约80%。建议为避免沙漠路基的风蚀破坏,路基高度不宜太大,边坡坡率较小为宜。     

高海拔冻土区通风管路基管内风速及影响因素研究

在多年冻土地区,路基工程的修筑将对下伏多年冻土的热力稳定性产生显著的影响。为保护多年冻土,保证路基的长期稳定性,通风管作为一种对流换热类主动冷却降温措施被广泛应用。通风管内的对流换热强度与管内风速密切相关,针对这一问题,采用现场监测与数值模拟相结合的方式开展了通风管内风速特征及影响因素的研究。结果表明：随通风管管径的增加,管内风速呈抛物线型增加,当管径达到0.6 m后,管内风速增加不再明显;通风管外伸长度对管内风速的影响较小,但随环境风速的增加这一影响逐渐加强;管内风速随通风管的埋设高度的增加呈线性增加,当通风管的埋设高度达到2 m后,管内风速受路基高度的影响较小;此外,在两幅路基并行条件下,受上风向路基的遮挡作用,下风向路基管内风速明显降低,以两幅路基管内风速差值不超过0.4 m·s^-1为标准,路基高度为3 m时两幅路基最小间距为50 m。     

沙漠公路风沙土路基风蚀破坏试验研究

以沙漠公路风沙土路基为研究对象,通过室内风蚀风洞试验研究路基的风蚀破坏规律,以及路基不同断面对风沙流运动的影响。以路基高度、路基边坡坡率和路基宽度作为路基断面主要设计参数,研究不同路基断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基周围风速流场的变化特征,分析路基病害较未病害时路基周围流场的变化。试验结果表明：路基高度和边坡坡率对风沙流运动的影响较大。随路基高度增加,路基对风沙流流场扰动增强,迎风坡坡顶处吹蚀破坏和背风坡坡底处堆蚀破坏越显著,在确定的路基边坡坡率下,路基模型高度为250 mm较模型高度为60 mm时,迎风坡坡顶风速增加1.13倍,背风坡坡底风速减小2.53倍,建议沙漠公路路基高度宜小于2.5 m。进一步,在确定的路基高度下,比较不同的边坡坡率对路基沿程风速的影响,发现当路基边坡坡率为1:1.75时,路基沿程风速变化不明显,沙漠公路风沙土路基不宜被风蚀破坏。     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

青藏铁路遮阳棚路基试验工程效果实测研究

太阳辐射是导致气温和地表温度升高的主要因素之一,遮挡了太阳直接辐射后可以有效降低地表温度.基于青藏铁路冻土区遮阳棚路基试验工程监测数据,分析了遮阳棚内外的气温差异和路基地温特征.结果表明:遮阳棚能够降低棚内气温,监测期间棚内年平均气温低于天然条件下平均气温值0.6℃;监测期内天然条件下近地表0.1～0.3m范围的气温高于1.0m以上气温近1℃,但在棚体内部仅相差约0.3℃;日最高气温值在棚体内外的单日差值达6.0℃,平均气温值在地面0.1m高度处相差4.2℃,1.5m高度处相差2.1℃;在遮阳棚的作用下,棚体内部及附近土体地温有所降低,且多年冻土上限有一定的抬升,抬升最大幅度达1.0m.监测结果显示了遮阳棚对于保护路基下冻土的良好效果.     

多年冻土斜坡路基失稳变形影响因素及特征研究

从力学相似性的角度进行多年冻土斜坡路基失稳变形离心模型试验,分析最大融深状态下冻土斜坡路基土层性质、高度以及地基坡度对其稳定性的影响规律,研究冻土斜坡路基失稳变形特性、失稳机制及模式,将片石路基与普通路基进行对比分析。试验结果表明,冻土斜坡路基土层力学性质、路基高度和地基坡度对其稳定具有显著影响,路基的变形在冻融交界面发生骤变,变形主要集中在冻融交界面之上的土层;在本试验条件下,多年冻土斜坡路基合理高度约为5 m;当斜坡路基高度为5 m时,地基坡度大于1: 6,路基横向变形迅速增大;冻土斜坡路基的沉降和横向变形表现出较大的不均匀性,冻土斜坡路基变形失稳的根本原因是冻融交界附近软弱带的抗剪强度不足,阳坡冻融交界面之上的土层沿软弱带滑移破坏;路基破坏可分为浅层开裂破坏、深层开裂破坏和整体滑移破坏3种;冻土斜坡片石路基的水平位移和沉降明显小于普通路基,片石路基具有较好的整体稳定性。     

风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

透壁式通风管-块石复合气冷路基室内模型试验研究

为了研究透壁式通风管-块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温约-3.5℃,平均风速2.5 m·s^-1,主导风向为西北方向的高原环境条件开展室内模型试验,分析了单一块石气冷路基和透壁式通风管-块石复合气冷路基的孔隙空气对流速度、特征点地温变化过程以及模型整体温度场变化过程.结果表明：在透壁式通风管的疏导作用下,透壁式通风管与块石层的复合结构能够起到强化路基体对流的效果,复合路基块石孔隙中的空气流速比单一块石路基提高约20%,由此导致复合路基模型底部的降温幅度是单一块石路基模型的2.2倍.模型整体温度场表明,复合路基能够起到储存冷量、降低下伏多年冻土地温的作用.     

河套干旱地区夏季边界层结构特征观测分析

利用2013年夏季7月爱尔达K/LLX802J型机动式边界层风廓线雷达获取的三维风场资料和银川站高空气象探测资料,对河套干旱地区夏季边界层日变化特征进行了分析.结果表明:爱尔达K/LLX802J型机动式风廓线雷达能较好的反映并分辨出夏季河套干旱地区边界层内大气湍流和风场的演变过程.夏季7月河套干旱地区边界层高度白天平均为2127.2 m,夜间平均为1760.7 m,白天边界层高度比夜间平均高366.5 m.河套干旱区夏季地表非绝热加热对边界层的影响主要集中在800 m以下,800~2000 m高度边界层则主要受昼夜交替和大尺度天气系统的影响.夏季7月河套干旱地区边界层风速在300 m以下随高度增加而增大,离地500 m以下边界层易在北京时间07:00-11:00和18:00-21:00时段发生风速切变;300 m以下边界层白天盛行西南偏南风、夜间盛行南风,300~2000 m高度边界层白天和夜间均盛行东南风;离地300 m以下边界层易在夜间21:00-23:00时出现风向切变.夏季7月白天河套干旱地区边界层大气垂直速度在300 m高度以下随高度增加而增大,由0.3 m·s^-1增大到0.6 m·s^-1,夜间边界层大气垂直速度在200 m高度以下随高度增大而增大;300 m高度以上边界层大气垂直速度无论昼夜随高度变化均较小.     

风对极端干旱区胡杨蒸腾速率的影响

以2014年4-11月的胡杨蒸腾速率和风速的实测数据, 分析了风对极端干旱区胡杨蒸腾速率的影响. 结果表明: 不同风速对胡杨蒸腾速率的影响存在差异, 风速的瞬时变动并不一定都会促进蒸腾速率的升高. 0~2 m·s^-1风速作用对胡杨蒸腾速率的影响不大; 2~8 m·s^-1风速作用下, 胡杨蒸腾速率显著升高, 且随着风速的增大, 蒸腾速率上升幅度增加. 其中, 2~4 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较0~2 m·s^-1时增加了4.51%; 4~6 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较2~4 m·s^-1时增加了7.03%; 6~8 m·s^-1风速作用下, 其变化幅度较4~6 m·s^-1时增加了16.19%. 当风速大于8 m·s^-1时, 胡杨蒸腾速率不再上升而呈下降趋势, 且随着风速的增加, 蒸腾速率降低的幅度也越大, 其中, 8~10 m·s^-1风速作用下, 蒸腾速率下降了8.08%; 大于10 m·s^-1的风速作用下, 胡杨蒸腾速率的下降幅度高达32.91%. 胡杨蒸腾速率和风速的错位相关分析表明, 风速对胡杨蒸腾速率的影响多为实时性的, 在极少数的大风天气影响下, 蒸腾速率恢复的时间较慢, 形成了个别日期的滞后效应. 风速和胡杨蒸腾速率的指数拟合关系最显著, 且2~8 m·s^-1风速下, 蒸腾速率随着风速呈指数增加趋势; 8 m·s^-1以上风速作用下, 蒸腾速率随着风速的增加呈指数减少趋势. 在0~2 m·s^-1风速作用下, 蒸腾速率变化不大.     

基于Polar WRF模型的南极冰盖气温、风速和气压数值模拟北大核心CSCD

在全球变暖的背景下,南极已成为全球气候变化研究的热点,然而其区域内的观测站点稀疏且缺乏较长的时间序列,限制了人们对南极气候变化机制的分析与理解。Polar WRF作为目前最先进的极地区域气候模型之一,有力弥补了观测资料不足的缺陷,然而模式存在误差,在应用之前有必要对其定量评估。本文利用Polar WRF3.9.1对2004-2013年南极冰盖2m气温、10m风速和地表气压进行了数值模拟,并与28个气象站数据进行了对比分析,结果表明:模式对气温的模拟值在东南极沿岸偏低,在内陆偏高,在南极半岛既存在冷偏差也存在暖偏差,而对风速和气压的模拟整体呈高估。而从均方根误差和平均绝对误差的空间分布来看,模式对气温和气压的模拟结果在东南极沿岸的精度高于内陆和南极半岛,而风速则在内陆的精度要高于沿岸地区。但总体来说模拟效果较为理想,在2004-2013年间气温、风速、气压的模拟值的变化趋势与实测值的变化趋势相同。模式模拟的年平均2m气温和近地面气压在所有站点都通过了α=0.1的显著性检验,季节误差和月误差整体较小,且所有月份的相关系数都分别大于0.90与0.79。模式对10m风速的模拟精度要略低,部分沿岸站点的年平均误差超过了7.5m·s^(-1),但整体而言其在四季和各个月份的相关性均大于0.5且误差小于4.5m·s^(-1)。虽然Polar WRF作为天气模式,但在模拟长时间尺度的气候方面仍然表现较好。     

沙漠公路风蚀破坏规律的数值模拟研究

通过Fluent软件对沙漠公路的风蚀破坏规律进行数值模拟研究。分析公路不同横断面时风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,确定路基(堑)高度、边坡坡率和路面宽度等公路断面设计参数对风沙流扰动的影响,提出沙漠公路路基(堑)风蚀破坏规律。结果表明：路面宽度的改变对路基沿程风速变化影响较小,各特征点处风速变化小于5%。路基(堑)高度和边坡坡率对风沙流扰动的影响较大。随路基(堑)高度增加,风沙流流场的扰动被增强,路基(堑)风蚀破坏越显著,当边坡坡率为1:1时,路基模型高度250 mm时的迎风路肩风速为模型高度60 mm时的 1.15倍,其背风坡脚风速降低45%;路堑模型高度250 mm时的背风堑顶风速为模型高度60 mm时的1.05倍,迎风堑脚处风速降低高达80%。建议沙漠公路宜采用中低路基(堑),不宜高填深挖。当路基(堑)高度一定,边坡坡率为1:1.75或1:2时,路基(堑)沿程风速变化平缓,沙漠路肩不易被吹蚀破坏;路堑中堑脚位置处不易出现堆积。其结论与室内风蚀风洞试验结果有很好的一致性     

祁连山老虎沟冰川积累区风速、风向变化特征研究

基于2008年11月-2009年10月祁连山老虎沟12号冰川积累区的风速、风向观测资料, 分析了年内季节和日变化特征. 结果表明: 全年日平均风速波动较大, 介于1～8.8 m·s^-1. 日均值以冬季最大, 春, 秋季次之, 夏季最小, 分别为5.1 m·s^-1, 3.4 m·s^-1, 3.7 m·s^-1, 2.6 m·s^-1, 表现出典型的"高山型"风速特征. 秋, 冬季节, 无论昼夜, 以偏南风为主, 风速始终保持在较为稳定的高值状态, 属于典型的冰川风; 春, 夏季节, 冰川风场依旧强劲, 而且伴有山谷风出现. 受山系-河谷地形及雪冰下垫面的共同作用, 春, 夏, 秋三季表现出一定的偏东风, 柴达木低压可能对此也有贡献.     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。