《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Urban microclimate-soil thermal interactions in high-altitude construction zones: Coupled modeling and observational evidence from Nagqu City, Tibetan Plateau
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摘要在高海拔建筑区，微气候与土壤热力的相互作用对于评估和减轻浅埋结构中的霜冻损害至关重要。然而，城市微气候如何与浅层土壤的热力状态相互作用仍缺乏定量研究。本研究结合了西藏那曲地区一条地下公用隧道施工区域的实地测量数据，以及一个气候-土壤耦合的热模型，来表征现场尺度的微气候特征和土
摘要
在高海拔建筑区，微气候与土壤热力的相互作用对于评估和减轻浅埋结构中的霜冻损害至关重要。然而，城市微气候如何与浅层土壤的热力状态相互作用仍缺乏定量研究。本研究结合了西藏那曲地区一条地下公用隧道施工区域的实地测量数据，以及一个气候-土壤耦合的热模型，来表征现场尺度的微气候特征和土壤温度分布。研究结果表明：（1）施工区域的微气候随季节性周期变化，但建筑物引起的辐射和气流变化对其产生了局部影响。土壤冻结持续了136天，季节性冻结深度约为0.9米。空气温度是长期土壤温度变化的主要控制因素（R = 0.97）。（2）在典型气候条件下，六个代表性地点中，建筑遮阳区域的表面温度最低，而阳光充足、背风区域的表面温度最高，最大空间温差约为1.0°C。（3）太阳辐射是短期土壤温度波动的主要驱动力，其敏感系数在8.67到12.59之间。风速的敏感系数最低，为0.56到2.02，但在太阳辐射受限的区域，其冷却效果会增强。（4）气象因素之间存在非线性相互作用，导致线性叠加和耦合土壤温度响应之间存在显著差异，特别是在极寒和高风速条件下。（5）在高海拔建筑区，通过创建阳光充足且避风的微环境，可以降低地下工程系统的霜冻损害风险。这些发现为高海拔地区地下建筑的霜冻风险评估和布局优化提供了依据。
引言
在高海拔寒冷地区，可靠地评估浅层土壤的热状态对于基础设施的安全性和可靠性至关重要，特别是在中国西部发展战略和西藏第十一个五年计划期间大规模进行浅埋工程建设时。青藏高原拥有约1.06×10?平方公里的永久冻土和1.45×10?平方公里的季节性冻土，分别占高原面积的40.2%和56.0%[1]。由于强烈的太阳辐射和稀薄的大气层，该地区经历显著的昼夜和 annual 温度波动，这促进了活动层内的反复冻融过程。因此，霜冻损害对该地区工程结构的长期稳定性和可用性构成了重大威胁[2]。因此，阐明微气候与浅层土壤热状态之间的相互作用对于解释冻融过程和支持高原环境中浅埋工程系统的安全设计和运行是必要的。
浅层土壤的热状态主要受土壤-空气温度关系及相关热传输过程的控制。长期实地观测表明，在永久冻土区域，土壤温度与空气温度之间存在强相关性，尽管局部环境因素（包括植被覆盖、土壤湿度、坡向和雪层保温）会显著改变这种关系，并导致地表条件的显著温差[[3]，[4]，[5]，[6]]。实验研究进一步揭示了接近冰点的未冻结水的滞后行为以及霜冻隆起对土壤质地和湿度条件的敏感性[7,8]，而生态特征和湿度异质性已被确定为活动层厚度和地表热状态的关键控制因素[9,10]。
这些进展支持了 increasingly 详细的热水文模型的发展，这些模型结合了液态水迁移、蒸汽传输、相变和土壤变形过程[11]。然而，最近的模型开发主要集中在特定物理过程上，如状态变量选择、相变表示和热性质参数化[[12]，[13]，[14]]。然而，大多数应用仍限于自然或实验室控制的环境，包括公路路堤、高纬度永久冻土区、竖井冻结项目和永久冻土边界识别[[15]，[16]，[17]，[18]]，在这些环境中边界条件通常被视为开放且均匀的。
这一限制在城市化的高海拔地区尤为重要，因为建筑群通过辐射遮挡和风场改变显著改变了当地微气候条件。对城市热环境的研究表明，建筑形态、植被结构、天空视野系数和正面面积指数对当地热条件有显著影响[[19]，[20]，[21]]，而纳入垂直环境特征可以将预测准确性提高约9%[22,23]。地面和墙壁表面吸收太阳辐射是封闭城市空间内热变化的关键驱动因素[24]。因此，准确表示这些辐射驱动效应对于可靠的城市气候预测至关重要。包括基于神经网络的方法和介观尺度-CFD耦合框架在内的先进建模方法，提高了复杂城市环境中微气候过程和热传递的模拟精度[25,26]。然而，这些研究主要关注空气和表面温度，而对于浅层土壤对城市形态特征的响应仍知之甚少。因此，城市微气候效应在冻土的耦合水文模型边界条件框架中基本上未被考虑。
鉴于此，高海拔建筑环境中浅层土壤对城市微气候强迫的耦合响应仍不为人所了解。为了填补这一空白，本研究以西藏那曲地区的地下公用隧道施工区域为例，研究了高海拔城市建筑场地。通过实地观测量化了现场尺度微气候条件与区域气候之间的差异，并开发了一个包含建筑布局效应的气候-土壤耦合热模型。随后使用该模型评估了空气温度、太阳辐射和风速在复杂城市配置下对浅层土壤温度的综合影响。研究结果为高海拔城市的微气候-土壤热相互作用提供了见解，并有助于评估和减轻浅埋工程系统中的霜冻损害风险。
节选
研究区域
研究地点位于西藏北部羌塘高原中部，属于那曲市城区，平均海拔4,500米（图1a）。该地点位于那曲河的冲积阶地上，总体上平坦开阔，除了东北部有一个低于周围地面约3米的公园，形成了一个局部低洼区。
建筑环境是异质的：中心区域的建筑物密集分布，高度不超过10米，而其他区域的建筑物
微气候响应特征
图8利用现场观测和区域气象数据，将施工区域的微气候条件与区域气候进行了比较。如图8a所示，两种尺度上的空气温度都遵循明显的季节性周期，仅在6月至8月期间保持在0°C以上。冬季温度几乎相同，而春季、夏季和秋季的微气候比区域气候温暖0.3–1.1°C。图8b展示了类似的季节性模式
讨论
实地观测和数值模拟表明空气温度和太阳辐射的作用不同，主要是因为分析涉及不同的时间尺度。相关性分析使用了全年观测数据，其中空气温度变化幅度超过45°C。因此，长期土壤温度变化主要受空气温度的季节性波动控制，相关系数为0.97。相比之下，太阳辐射的影响
结论
本研究结合了实地监测和数值模拟，研究了西藏那曲地区地下公用隧道施工区域的微气候特征和土壤温度分布。主要结论如下：
(1) 施工区域的微气候总体上遵循区域季节性周期，但受到建筑物引起的辐射和气流变化的影响，表现为温度升高0.3–1.1°C，风速降低1.2–2.3 m/s，以及太阳辐射增强
CRediT 作者贡献声明
Sixun Wen：撰写 – 初始草案，软件，资源，方法论，数据管理，概念化。Yalin Guo：撰写 – 审稿与编辑，形式分析，方法论，软件。Zongcheng Guo：软件，方法论，形式分析，数据管理。Meng Wen：数据管理，形式分析，软件。Chun Guo：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，研究，资金获取，概念化。
CRediT 作者贡献声明
Sixun Wen：撰写 – 初始草案，软件，资源，方法论，数据管理，概念化。Yalin Guo：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法论，形式分析。Zongcheng Guo：软件，方法论，形式分析，数据管理。Meng Wen：软件，形式分析，数据管理。Chun Guo：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，研究，资金获取，概念化。
Sixun Wen|Yalin Guo|Zongcheng Guo|Meng Wen|Chun Guo
中国西南交通大学土木工程学院，交通运输隧道工程教育部重点实验室，成都
