青藏鐵路工程走廊多年凍土對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)

楊永鵬， 孟進(jìn)寶， 韓龍武， 李　勇， 蔡漢成， 朱兆榮

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 技術(shù)中心，甘肅 蘭州　730000)

從20世紀(jì)50年代以來，全球氣候發(fā)生著史無前例的變化。近30年來，地表溫度的升溫速率逐年增大。21世紀(jì)的第1個(gè)10年是歷史最暖時(shí)期，降水量也在顯著增加[1-3]。當(dāng)然，青藏高原的氣候也在發(fā)生著變化，主要表現(xiàn)為氣溫逐年升高、降水量明顯增大等[4-8]，劇烈影響著依賴于氣候環(huán)境的高原植被、冰川、凍土等的賦存狀態(tài)。

多年凍土是特定的氣候及地質(zhì)環(huán)境共同作用形成的，其演化受氣候環(huán)境變化的影響，而凍土的演化又直接影響建設(shè)于其上的凍土工程的穩(wěn)定性。

舉世矚目的青藏鐵路全長(zhǎng)1 142 km，海拔高于4 000 m地段960 km，通過連續(xù)多年凍土地段約547 km[6-9]。它與青藏公路、輸油管道、輸電線路等處于同一個(gè)工程走廊，研究該工程走廊的氣候要素變化特征及凍土對(duì)氣候要素變化的響應(yīng)至關(guān)重要，關(guān)系到包括青藏鐵路、青藏公路在內(nèi)的所有工程建筑的安全穩(wěn)定[10-16]。

本文基于青藏鐵路沿線的氣象站及凍土監(jiān)測(cè)資料，分析青藏鐵路工程走廊范圍內(nèi)的氣溫、地表溫度、降水量、凍結(jié)融化指數(shù)的變化特征和規(guī)律，以及多年凍土天然上限、不同深度處地溫和積溫的變化，研究青藏鐵路工程走廊多年凍土對(duì)全球氣候轉(zhuǎn)暖的響應(yīng)。

1　青藏鐵路工程走廊多年凍土分布和特征

青藏鐵路工程走廊多年凍土區(qū)北起昆侖山北麓的西大灘，往南至唐古拉山南麓的安多北。多年凍土基本呈連續(xù)分布，局部地段分布有融區(qū)和島狀凍土。

青藏鐵路通過的547 km連續(xù)多年凍土區(qū)中，高含冰凍土(體積含冰量>20%)地段累計(jì)長(zhǎng)度222.16 km，占連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度的40.66%(厚層地下冰地段累計(jì)長(zhǎng)度56.2 km)；低含冰凍土(體積含冰量<20%)地段累計(jì)長(zhǎng)度222.57 km，占連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度的40.73%；融區(qū)地段累計(jì)長(zhǎng)度101.68 km，占連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度的18.61%。

青藏鐵路工程走廊多年凍土具有以下特征。

①多年凍土的分布和特征受海拔高度控制，即具有明顯的垂直地帶性。

②多年凍土分布下界還與緯度有關(guān)，緯度每降低1°，下界上升80～100 m。

③多年凍土的厚度變化與海拔高度、緯度有如下關(guān)系：海拔高度上升100 m，多年凍土厚度增加15～20 m；緯度降低1°，多年凍土厚度減小10～20 m。從多年凍土區(qū)邊緣地帶到腹部地帶，多年凍土的厚度從5～25 m變化至60～130 m。

④多年凍土的年平均地溫從邊緣地帶的0～-1.5 ℃變化至腹部地帶的-1.0～-2.5 ℃，最低可達(dá)-4.0 ℃。

2　青藏鐵路工程走廊氣候要素變化

受全球氣候轉(zhuǎn)暖的影響，在1961—2013年期間，青藏高原地區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，平均每10年升高0.37 ℃，其升溫明顯高于全球平均值，全方位的影響地基多年凍土的賦存。

基于青藏鐵路工程走廊多年凍土區(qū)五道梁、風(fēng)火山、沱沱河、安多4個(gè)全要素氣象監(jiān)測(cè)站的近60年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究青藏鐵路工程走廊多年凍土區(qū)氣候要素變化特征。青藏鐵路工程走廊上述4個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站基本情況見表1。

表1　青藏鐵路工程走廊氣象監(jiān)測(cè)站基本情況

2.1　氣溫

氣溫是影響多年凍土賦存的最直接的指標(biāo)。4個(gè)氣象站監(jiān)測(cè)的1957—2011年氣溫變化曲線如圖1所示，氣溫年增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖1　各氣象站1957—2011年氣溫變化曲線

地區(qū)1957—2011年年均升溫速率/(℃·a-1)2000—2011年年均升溫速率/(℃·a-1)五道梁0032100878風(fēng)火山0032600736沱沱河0030301200安多　0033001250

由表2可以看出，自1957年以來，青藏鐵路工程走廊各氣象站氣溫基本以年均0.03℃的速度升高，進(jìn)入21世紀(jì)以后，青藏鐵路工程走廊各氣象站年升溫速率增大了2～4倍，氣溫逐年升高。

2.2　降水量

降水量的變化直接影響多年凍土的賦存環(huán)境。青藏鐵路工程走廊范圍內(nèi)多年凍土區(qū)五道梁、風(fēng)火山、沱沱河及安多多年來的降水量見表3。

表3　青藏鐵路工程走廊降水量變化特征

由表3可以看出，青藏鐵路工程走廊多年凍土地區(qū)大部分年均降水量在250～450 mm之間，南部邊緣地區(qū)可達(dá)595.6 mm。

圖2為青藏鐵路工程走廊多年凍土腹地的風(fēng)火山氣象站1976—2013年降水量變化曲線。

圖2　風(fēng)火山氣象站降水量變化曲線

由表2可以看出，自1976年開始監(jiān)測(cè)以來風(fēng)火山地區(qū)降水量呈波動(dòng)增大變化趨勢(shì)，年降水量最大值達(dá)583.4 mm。

2.3　氣溫的凍結(jié)融化指數(shù)

凍結(jié)指數(shù)、融化指數(shù)、過余凍結(jié)指數(shù)代表該地區(qū)的氣溫的凍結(jié)能力。圖3和圖4分別為風(fēng)火山氣象站得到的融化指數(shù)和凍結(jié)指數(shù)變化曲線。

圖3　風(fēng)火山氣象站融化指數(shù)變化曲線

由圖3和圖4可以看出，風(fēng)火山地區(qū)融化指數(shù)以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而凍結(jié)指數(shù)以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指數(shù)增大的幅度小于凍結(jié)指數(shù)增大的幅度，說明風(fēng)火山地區(qū)的氣溫正在逐步上升，氣溫變暖主要在寒季，暖冬現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

圖4　風(fēng)火山氣象站凍結(jié)指數(shù)變化曲線

圖5—圖7分別給出了2006—2013年青藏鐵路工程走廊五道梁、沱沱河和安多地區(qū)的凍結(jié)-融化指數(shù)。

圖5　2006—2013年五道梁地區(qū)凍結(jié)、融化指數(shù)

圖6　2006—2013年沱沱河地區(qū)凍結(jié)、融化指數(shù)

圖7　2006—2013年安多地區(qū)凍結(jié)、融化指數(shù)

由圖5—圖7可以看出：五道梁地區(qū)的凍結(jié)指數(shù)約為融化指數(shù)的3倍，過余凍結(jié)指數(shù)在1 336～1 807 ℃·d；沱沱河地區(qū)的凍結(jié)指數(shù)約為融化指數(shù)的2倍，過余凍結(jié)指數(shù)在723～1 166 ℃·d；安多地區(qū)的凍結(jié)指數(shù)約為融化指數(shù)的1.5倍，過余凍結(jié)指數(shù)在353～656 ℃·d，五道梁地區(qū)的凍結(jié)能力大于沱沱河地區(qū)，沱沱河地區(qū)大于安多地區(qū)。

2.4　地表溫度

為了分析青藏鐵路工程走廊多年凍土區(qū)地表溫度變化，選取具有代表性的多年凍土腹地的風(fēng)火山地區(qū)進(jìn)行研究。圖8給出了風(fēng)火山觀測(cè)站測(cè)得的1976—2013年地表溫度變化曲線。

圖8　風(fēng)火山地區(qū)1976—2013年地表溫度變化曲線

由圖8可以看出：1976—1986年11年間風(fēng)火山地區(qū)年平均地表溫度均低于38年間的平均值，隨后的6年間(1987—1992年)年平均地面溫度處于波動(dòng)期，1993—2013年21年間均高于38年間平均值，近21年間該地區(qū)地面溫度明顯上升，增溫現(xiàn)象顯著。

最近38年地面溫度升溫速率是0.06 ℃·年-1，是同時(shí)段氣溫升溫速率的1.34倍。

3　多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)

多年凍土的賦存依賴于寒冷的氣候環(huán)境，氣候環(huán)境的變化勢(shì)必影響青藏鐵路工程走廊多年凍土的賦存。

依據(jù)青藏鐵路沿線多個(gè)天然場(chǎng)地的地溫變化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從天然上限、不同深度處地溫和積溫變化分析多年凍土對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

3.1　天然上限

自2006年青藏鐵路運(yùn)營(yíng)以來，沿線天然場(chǎng)地多年凍土天然上限發(fā)生了較大變化。圖9給出了2007和2015年青藏鐵路運(yùn)營(yíng)以來沿線34個(gè)地溫監(jiān)測(cè)場(chǎng)多年凍土的天然上限。由圖9可以看出：沿線多年凍土天然上限在2007—2015年間發(fā)生了較大幅度的變化，多年凍土整體處于退化狀態(tài)。

圖10為青藏鐵路運(yùn)營(yíng)以來沿線多年凍土天然上限變化占比圖。由圖10可以看出。從天然上限變化幅度上講，天然上限抬升的僅占9%，而天然上限下降的占比為91%，天然上限下降0.5～1 m的占59%，可見多年凍土退化是普遍的。

圖9　2007年和2015年青藏鐵路運(yùn)營(yíng)以來沿線多年凍土的天然上限

圖10　2007—2015年青藏鐵路沿線多年凍土上限變化

3.2　不同深度處地溫

不同深度處地溫變化反映的是多年凍土總體熱狀況，通過分析可以研究多年凍土的穩(wěn)定狀態(tài)及退化速率等。

為了研究青藏鐵路工程走廊多年凍土不同深度處地溫的變化，繪制具有代表性地段的2007年和2012年不同時(shí)間的地溫變化圖，如圖11所示。

圖11　青藏鐵路工程走廊典型地段地溫變化(單位：℃)

由圖11可以看出：與2007年相比，該處2012年天然上限降低了約0.5 m；2012年6 m處地溫升高了約0.05 ℃，12 m處地溫升高了約0.3 ℃；由于測(cè)溫范圍內(nèi)沒有觸及下限，但是通過-0.1 ℃線的位置可以看出，-0.1 ℃線抬升了約0.5 m。因此，該斷面天然狀態(tài)下2012年多年凍土不同深度處地溫較2007年均升高，且上限下降、下限抬升，多年凍土處于升溫退化狀態(tài)。該斷面地基多年凍土是在上下2個(gè)熱源影響下發(fā)生退化。

為了進(jìn)一步分析，選擇多年凍土北界附近、昆侖山山區(qū)、楚瑪爾河高平原、烏麗—沱沱河地區(qū)、多年凍土南界等典型地段天然地面孔測(cè)溫資料進(jìn)行分析。圖12給出了上述5個(gè)地區(qū)地表以下2.5，5和10 m處的多年凍土地溫的升溫速率。

圖122006—2015年青藏鐵路沿線多年凍土不同深度處地溫升溫速率

由圖12可以看出，近年來由于氣候影響，青藏鐵路沿線天然場(chǎng)地多年凍土均處于退化狀態(tài)；5個(gè)地區(qū)天然場(chǎng)地地表以下2.5 m處的升溫速率最大，說明多年凍土升溫退化主要是自上而下進(jìn)行；多年凍土北界升溫退化速率最大，唐古拉山以北多年凍土受氣候影響較唐古拉山以南明顯；沱沱河地區(qū)由于大河融區(qū)影響，升溫速率較大。

3.3　不同深度處積溫

在凍土工程研究中，積溫代表某區(qū)域或者某一點(diǎn)的凍結(jié)融化能力，積溫變化也可以用來分析多年凍土的穩(wěn)定狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

圖13給出了2007—2013年青藏鐵路工程走廊多年凍土段不同深度處的年度積溫。

由圖13可以看出，該處正積溫均為零，負(fù)積溫比較低，但是負(fù)積溫逐年升高，即在不同深度處的多年凍土地溫逐年升高，凍土退化明顯。

圖132007—2013年青藏鐵路沿線多年凍土不同深度處積溫

在此基礎(chǔ)上，對(duì)青藏鐵路沿線多年凍土北界附近、昆侖山山區(qū)、楚瑪爾河高平原、烏麗—沱沱河地區(qū)、多年凍土南界等代表性地段多年凍土不同深度處積溫的增長(zhǎng)率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖14所示。

圖14　青藏鐵路工程走廊典型地段積溫變化

由圖14可以看見：在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)，積溫基本呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，多年凍土的蓄冷能力降低，影響多年凍土的穩(wěn)定，退化明顯；烏麗-沱沱河地區(qū)增長(zhǎng)率最大，昆侖山山區(qū)次之，說明近年來烏麗沱沱河地區(qū)多年凍土升溫較其他地區(qū)更加明顯。

4　結(jié)　論

(1)1961—2013年，青藏鐵路工程走廊內(nèi)氣溫基本以年均0.03 ℃的速度升高，青藏鐵路2006年運(yùn)營(yíng)以來，青藏鐵路工程走廊各氣象站年升溫速率增大了2～4倍，且升溫幅度進(jìn)一步加大。

(2)青藏鐵路沿線多年凍土地區(qū)大部分降水量在250～450 mm之間，南部邊緣地區(qū)可達(dá)595.6 mm。自1976年開始監(jiān)測(cè)以來風(fēng)火山地區(qū)降水量呈波動(dòng)增大變化趨勢(shì)，年降水量最大值達(dá)583.4 mm。

(3)青藏鐵路工程走廊多年凍土區(qū)各氣象站的凍結(jié)指數(shù)和融化指數(shù)逐年增大，風(fēng)火山地區(qū)融化指數(shù)以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而凍結(jié)指數(shù)以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指數(shù)增大的幅度小于凍結(jié)指數(shù)增大的幅度，暖冬現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

(4)沿線地面溫度在近38年間明顯上升，升溫速率達(dá)到0.06 ℃·年-1，是同時(shí)段氣溫升溫速率的1.34倍。

(5)沿線多年凍土區(qū)2007—2013年間天然上限抬升僅占9%，而天然上限下降的占比為91%，多年凍土總體處于退化狀態(tài)。

(6)地基多年凍土不同深度處地溫均在升高，距離上限較近位置的地溫升溫速率普遍最大，多年凍土升溫退化主要為自上而下。

(7)多年凍土南北界及大河融區(qū)附近多年凍土退化速率較其他地區(qū)更加明顯。

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