朔黃鐵路不同季節(jié)軌溫變化特征分析

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(zhǎng)約600 km，是我國(guó)西煤東運(yùn)第二大通道，在全國(guó)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(huì)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(xiǎn)較大時(shí)，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(duì)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(lái)，鐵路與氣象部門在氣象防災(zāi)減災(zāi)工作上開(kāi)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(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力不斷增強(qiáng)。針對(duì)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(duì)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(duì)青藏鐵路開(kāi)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(duì)不同地形鐵軌溫度的研究甚少，因此開(kāi)展針對(duì)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(jì)軌溫的最大值、最小值出現(xiàn)的時(shí)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(bào)技術(shù)，對(duì)開(kāi)展針對(duì)性、專業(yè)性的鐵路氣象服務(wù),減少低溫、高溫災(zāi)害對(duì)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(lái)源與說(shuō)明

鐵軌溫度數(shù)據(jù)資料來(lái)自朔黃鐵路沿線自有氣象觀測(cè)站，經(jīng)過(guò)實(shí)地考察勘探，根據(jù)地形、海拔、觀測(cè)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(guó)、黃驊港5個(gè)車站的軌溫資料，地形、海拔信息見(jiàn)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(guó)家氣象站，最終選取神池、定囊、平山、安國(guó)、黃驊港5個(gè)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(shí)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(cè)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(gè)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(shí)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(yáng)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(yáng)輻射的急劇變化而變化，與日出、日落的時(shí)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(jiàn)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(shí)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(shí)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(shí)間可能提前或推后，這是由于晚上沒(méi)有太陽(yáng)輻射，軌溫主要受環(huán)境溫度的影響。軌溫最大值出現(xiàn)時(shí)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(shí)間要滯后于軌溫，分析原因，白天日出后，太陽(yáng)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?yáng)輻射較強(qiáng)，盆地地區(qū)地勢(shì)凹陷，周圍山坡環(huán)繞，氣流不通，湍流交換較弱，相對(duì)濕度較小，白天在強(qiáng)烈陽(yáng)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(dòng)幅度較大，平原地區(qū)波動(dòng)幅度最小。主要是受到當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角的影響。夏季雖然太陽(yáng)高度角大，日照時(shí)間長(zhǎng)，白天溫度高，但是由于白晝時(shí)間長(zhǎng)，冷卻降溫時(shí)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(dòng)力綜合影響，而且不同下墊面的比熱特性和對(duì)太陽(yáng)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(shì)相對(duì)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(duì)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(shì)低平、受水汽、氣溶膠等影響，白天大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用強(qiáng)，同時(shí)又有流動(dòng)、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(yáng)輻射強(qiáng)，空氣相對(duì)稀薄，白天到達(dá)地面的太陽(yáng)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(dòng)頻繁，氣流過(guò)山到達(dá)山麓地區(qū)時(shí)，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(shí)刻一般為13:00～14:00，與軌溫最大值出現(xiàn)時(shí)間一致，山地地區(qū)δ出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)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(dòng)。

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(yáng)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(yáng)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(wú)太陽(yáng)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(yáng)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?，盆?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(dòng)幅度不大，在-3.4～0.7 ℃之間；盆地和港口地區(qū)相對(duì)較大，山麓地區(qū)最小。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)朔黃鐵路自有自動(dòng)氣象站鐵軌溫度數(shù)據(jù)以及鐵路沿線周邊的國(guó)家氣象觀測(cè)站2017年6月1日至2019年5月31日的逐小時(shí)氣溫?cái)?shù)據(jù)資料，統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)探索鐵軌溫度的預(yù)報(bào)技術(shù)、保障鐵路交通運(yùn)輸安全具有一定的指示意義。