朔黄铁路不同季节轨温变化特征分析

张 娣，张金满，杨琳晗

(河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021)

1 引言

朔黄铁路是“神华集团”路网神黄(神木-黄骅)铁路中的一段，西起山西朔州，东至河北黄骅港，全长约600 km，是我国西煤东运第二大通道，在全国铁路网中占有非常重要的地位。朔黄铁路沿线地形复杂，途径山地、盆地、平原、港口等不同地理环境，灾害性天气频发。强降雨造成的滑坡、泥石流等地质灾害严重威胁着地基的安全；雷电容易引发输电系统的安全；钢铁在低温严寒的天气条件下会变脆，在极端高温的条件下可能导致金属导轨、导线膨胀，胀轨发生风险较大时，需要采取限速命令[1～3]；铁轨温度的增加也可能影响导轨的摩擦系数，环境温度的冷暖骤变严重影响着铁轨温度等设施。相对复杂多变的自然环境，确保因气象因素造成的铁路交通运输安全以及铁路灾害事故等损失降到最低仍是目前我们需要面临的重要课题。

近年来，铁路与气象部门在气象防灾减灾工作上开展了卓有成效的合作，气象防灾减灾能力明显增强，铁路气象灾害监测预报预警能力不断增强。针对铁路水害[4～7]、风灾[8～10]的研究较多，汤懋苍等[11]分析了青藏铁路沿线的季节划分及其温度变化，李栋梁等[12]对青藏铁路沿线气温、地温进行了研究分析，张向民等[13]首次对青藏铁路开展轨温和气温的试验，分析了其变化特征，徐玉坡等[14]详细分析了轨温、梁温、环境温度三者之间的关系，但是对不同地形铁轨温度的研究甚少，因此开展针对不同地形轨温的变化特征分析非常必要。分析不同地形条件下轨温的季节变化和日变化特征，统计轨温的最大值、最小值出现的时间规律，研究铁轨温度的变化规律，探索铁轨温度的预报技术，对开展针对性、专业性的铁路气象服务,减少低温、高温灾害对铁路运输的影响,保障铁路交通运输安全具有非常重要的意义。

2 数据来源与说明

铁轨温度数据资料来自朔黄铁路沿线自有气象观测站，经过实地考察勘探，根据地形、海拔、观测站环境可行性等因素，最终选取具有代表性的神池南、回凤、西柏坡、安国、黄骅港5个车站的轨温资料，地形、海拔信息见表1。气象站资料根据临近原则选取离铁路站点最近的国家气象站，最终选取神池、定囊、平山、安国、黄骅港5个气象站的气温资料。选取2017年6月1日至2019年5月31日的逐小时数据，3～5月份为春季，6～8月份为夏季，9～11月份为秋季，12月至翌年2月为冬季。

表1 铁路沿线气象观测站情况

3 不同地形轨温与气温的季节变化特征

朔黄铁路自西向东横跨山西、河北两省，西起山西神池，海拔1522.0 m，东至河北黄骅港，海拔4.0 m，地形复杂多变，囊括了山地、盆地、平原、港口等不同地理环境，不同地形、不同海拔高度条件下轨温、气温变化特征有一定的差异。

3.1 不同地形、不同季节日平均轨温分析

表2给出了不同地理环境条件下不同季节的日平均轨温值，可以看出，不同季节的日平均轨温的大小排序均为平原>港口>山麓>盆地>山地，主要是由于受到海拔高度的影响，海拔越高，轨温越低，与气温随高度的变化规律一致；平原与港口地区相比，平原较港口地区海拔高23 m，但各个季节内陆地区的日平均轨温较港口地区高约2 ℃，这主要是由于港口地区周围海水的比热容比较大，在同样受热或遇冷的条件下，港口地区的气温变化就不像内陆地区气温变化得那样剧烈，轨温与气温变化一致，同时这与港口地区风力较大也有一定的关系。

表2 不同地形、不同季节的日平均轨温 ℃

3.2 不同地形、不同季节轨温、气温的日变化特征

气温的日变化主要受当地获得的太阳辐射日变化的影响，与所在纬度、地形、季节、下垫面性质等密切相关[15]，轨温的日变化亦是如此，轨温、气温的日变化均是随着太阳辐射的急剧变化而变化，与日出、日落的时间变化有密切联系[16]，轨温还受到钢轨导

热性的影响。图1给出了铁路沿线山地、盆地、山麓、平原、港口环境下轨温和气温的季节变化特征。可见不同地形条件下，不同季节轨温、气温具有明显的日变化分布特征曲线，而且两者的日最小值、日最大值也存在较大的差异。

图1 不同地形轨温、气温的日变化特征

分析不同地理条件下轨温、气温最小值和最大值出现的时间发现：轨温的日变化幅度大于气温的日变化幅度，主要与钢轨强导热性特性有关。不同地形条件下，轨温和气温最小值出现时间较为一致，均出现在日出前，一般在5:00～7:00，受季节、海拔、地形等影响，出现时间可能提前或推后，这是由于晚上没有太阳辐射，轨温主要受环境温度的影响。轨温最大值出现时间为13:00～14:00，而气温在15:00～16:00达到最大值，气温的最大值出现时间要滞后于轨温，分析原因，白天日出后，太阳辐射逐渐加强，由于钢轨的热传导原理，钢轨的吸热能力较强，轨温升温率大于气温的升温率。

分析轨温的日变化，发现不同季节、不同地形条件下日平均最低轨温大小排序一致，均为港口>平原>山麓>盆地>山地；而日最高轨温有一定的季节差异：春季，不同地形条件下日最高轨温排序为：盆地>平原>港口>山麓>山地；夏季为：平原>盆地>山麓>港口>山地；秋季为：平原>山麓>港口>盆地>山地；冬季为：平原>山麓>盆地>港口>山地。夏秋冬季节，平原地区日平均最高轨温最大，而在春季盆地区日平均最高轨温最大，为34.1 ℃，较平原地区高约1.5 ℃，因为春季，太阳辐射较强，盆地地区地势凹陷，周围山坡环绕，气流不通，湍流交换较弱，相对湿度较小，白天在强烈阳光照射下，轨温急剧升高。夏季，盆地地区日平均最高轨温为42.9 ℃，较平原地区低约0.5 ℃。一年中山地地区日最高轨温最小，海拔高，山地受热面积小，风速较大，因此轨温最小。

3.3 不同地形、不同季节的轨温日较差

图2给出了铁路沿线不同地理环境条件下轨温日较差的季节变化特征。可以直观看出一年中轨温日较差变化为春季>夏季>秋季>冬季，盆地和山地的季节波动幅度较大，平原地区波动幅度最小。主要是受到当地太阳高度角的影响。夏季虽然太阳高度角大，日照时间长，白天温度高，但是由于白昼时间长，冷却降温时间较短，夜间温度也比较高，所以夏季气温日较差小于春季。

一年中，盆地地区的轨温日较差最大，在20.6～26.8 ℃；平原地区次之，在20.1～21.6 ℃；港口地区最小，在12.4～16.8 ℃。不同地形条件下轨温日较差大小为：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。比较平原和盆地，春夏季节，盆地比平原地区高约4～5 ℃，秋冬季节，盆地比平原高约0.5 ℃；比较山地和山麓，春季，山地轨温日较差比山麓地区高约4 ℃，夏季山地比山麓地区高0.8 ℃，秋冬季节，山地轨温日较差比山麓分别低约1.2 ℃、2.4 ℃。地形复杂，受热力、动力综合影响，而且不同下垫面的比热特性和对太阳辐射的吸收能力不同，影响轨温日较差的变化。盆地地区地势相对较低，通风条件受到限制，热量不易流失，白天轨温升温速度相对较快，轨温较高；夜间冷空气沿山坡下沉汇集到盆地，加之辐射冷却作用，夜间轨温降温速度也较快，导致夜间轨温较低，因此，盆地地区日较差最大。港口地区地势低平、受水汽、气溶胶等影响，白天大气对太阳辐射的削弱作用强，同时又有流动、蒸发等特性，轨温升温速度较慢，晚上大气逆辐射强，轨温降温率也较慢，因此轨温日较差最小。山地地区由于海拔高、面积小的原因，春季，太阳辐射强，空气相对稀薄，白天到达地面的太阳辐射大，夜间大气逆辐射弱，所以春季山地地区轨温日较差远大于山麓地区；而冬季，西北空气活动频繁，气流过山到达山麓地区时，由于气流下沉而绝热增温，山麓地区轨温升温率较大，白天轨温较高，夜间轨温相差不大，所以山麓地区轨温日较差大于山地地区[17，18]。

图2 不同地形轨温日较差季节变化特征

4 不同地形轨温与气温差值的季节变化特征

从图3可以明显看出，不同地形条件下轨温与气温的差值(δ)的最大值出现时刻一般为13:00～14:00，与轨温最大值出现时间一致，山地地区δ出现时间相对较晚，春季出现在16:00，夏季和秋季出现在15:00；δ的最小值一般出现在日出前，略有波动。

不同地形条件下，轨温与气温的差值呈现季节变化规律：δ的日变化幅度春季在-2.7～14.1 ℃之间；夏季在-1.8～14.9 ℃之间；秋季在-3.2～10.4 ℃之间；冬季在-3.3～9.4 ℃之间。由于钢轨的热传导原理，钢轨的吸热能力较强，白天日出后，随着太阳辐射的加强，轨温升温率大于气温的升温率，轨温高于气温，且轨温与气温的差值随着升温率差距的增大而增加，在13:00～14:00达到最大值；随着太阳辐射的逐渐减弱，轨温与气温的差值随着升温率差距的减小逐渐变小；日落后，无太阳辐射作用，由于钢轨的导热性，夜间轨温要低于气温。

图3 不同季节、不同地形轨温与气温差值(δ)的日变化特征

δ最大值在夏季最大，春季次之，冬季最小，主要受太阳辐射和钢轨导热性强的影响。不同地形条件下最大值排序为：春季，盆地>平原>山地>港口>山麓：盆地为14.1 ℃；平原11.4 ℃；山地为9.8 ℃；港口7.7 ℃；山麓7.2 ℃；夏季，盆地>平原>山地>山麓>港口：盆地为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 ℃。比较盆地与平原地区，在春夏季节，盆地最大值比平原高约2.7 ℃，秋冬季节，平原比盆地高1.3 ℃；比较港口与山麓地区，春冬季节，港口较山麓高约0.6 ℃，夏秋季节，山麓比港口高约0.7 ℃。最小值一般为冬季最大，夏季最小，波动幅度不大，在-3.4～0.7 ℃之间；盆地和港口地区相对较大，山麓地区最小。

5 结论

通过对朔黄铁路自有自动气象站铁轨温度数据以及铁路沿线周边的国家气象观测站2017年6月1日至2019年5月31日的逐小时气温数据资料，统计分析了山地、盆地、山麓、平原、港口5种不同地形、海拔等地理环境条件下轨温与气温的季节变化和日变化特征规律。具体结果如下：

(1)不同季节轨温的日均值大小为平原>港口>山麓>盆地>山地，与气温随高度的变化规律一致。

(2)轨温、气温日最小值均出现在日出前，一般在5:00～7:00，轨温最大值出现时刻为13:00～14:00，而气温在15:00～16:00达到最大值，气温的最大值出现时间要滞后于轨温；不同季节、不同地形条件下日最低轨温大小均为：港口>平原>山麓>盆地>山地；而日最高轨温不同地形条件下有一定的季节差异，夏秋冬季节，平原地区日平均最高轨温值最大，而在春季盆地地区日平均最高轨温值最大，较平原地区高约1.5 ℃。

(3)不同地形条件下，轨温日较差变化为：夏季>春季>秋季>冬季，盆地和山地的季节波动幅度较大，平原地区轨温日较差季节变化幅度最小。一年中，盆地的轨温日较差最大，在20.6～26.8 ℃；平原地区次之，在20.1～21.6 ℃；港口地区最小，在12.4～16.8 ℃；比较山地和山麓地区轨温日较差，在秋冬季节，山地<山麓，春夏季节，山地>山麓。

(4)轨温与气温差值最大值一般出现在13:00～14:00，夏季最大，春季次之，冬季最小。春夏季节，盆地比平原高约2.7 ℃，秋冬季节，平原比盆地高约1.3℃；冬春季节，港口较山麓高约0.6 ℃，夏秋季节，山麓比港口高约0.7 ℃。

研究铁轨温度的季节变化和日变化规律，对探索铁轨温度的预报技术、保障铁路交通运输安全具有一定的指示意义。