氣候變化與青藏高原工程設計

任國玉

(中國氣象局氣候研究開放實驗室，國家氣候中心，北京 100081)

1 前言

青藏高原主要包括西藏自治區和青海省，也包含隴西南、川西和滇西北等面積不大的區域，平均海拔超過4 000 m，具有獨特的氣候、地貌、水文和生物系統等自然地理條件[1，2]。

研究表明，過去半個多世紀青藏高原地面氣候經歷了較明顯的變化，主要表現為氣溫顯著上升，多數地區降水量有所增加，日照時間、平均風速和潛在蒸發量等也出現一定程度的改變[3～8]。盡管在增溫速率、氣候明顯變暖的起始時間、降水增加的顯著性、氣候變化的原因以及其他相關科學問題上仍存有爭議，但氣候變暖的事實及其潛在影響已引起各方面的關注。從工程設計和建設的角度看，需要對青藏高原地區氣候變化的趨勢有充分了解，以便未雨綢繆，及早制定適應性規劃和技術應對方案。

文章依據已有的研究發現和結論，總結歸納有關青藏高原地區氣候變化的觀測事實、原因和未來可能趨勢的科學認識，提出氣候變化對本區工程建設和設計的可能影響，探討工程領域應對氣候變化影響的概念性適應框架。

2 青藏高原氣候變化趨勢

早期研究指出，最近半個世紀內青藏高原地區的氣候變暖趨勢比全國和全球平均顯著[2，9～11]，而且明顯變暖開始的時間也比我國東部地區早[9，12]。研究還認為，至少最近50年青藏高原和中國地區的氣候變暖可能主要是大氣中溫室氣體濃度增加引起的，未來地面氣溫還將繼續上升[13～16]。伴隨著地面氣候變暖，青藏高原降水量也出現一定程度變化，多數地區趨于增加，致使氣候具有向暖濕方向演化的特征[11，17～21]。

近年來利用更加完整觀測資料的分析研究，一般證實了以上結論，但也發現了若干不同于早先報告的特征現象。表1總結了青藏高原近半個世紀地面氣溫和降水變化的主要特征。

表1 1951—2004年青藏高原氣候變化主要觀測事實Table 1 Observed trends of surface air temperature and precipitation over the Qinghai-Tibet Plateau during 1951—2004

在地面氣溫變化上，新的發現包括以下幾點。

1)過去50余年青藏高原的年平均氣溫上升速率與全國平均比較沒有顯著差異。例如，1951—2004年間青藏高原地區年平均氣溫上升幅度為0.93℃，平均增溫速率為0.17℃ /10 a，均比同期全國平均略小(見圖1，其中實曲線為11點滑動平均，虛直線為線性趨勢，趨勢線的斜率k=0.173，青藏高原定義為海拔3 000 m等高線包圍的區域)。

最近50多年高原地區年平均地面氣溫上升趨勢以西藏中南部和青海西北部為最高，強于全國平均水平，但高原的東南部區域升溫趨勢很弱，部分地點甚至存在降溫現象[18]。青藏高原作為一個整體，過去半個多世紀年平均地面氣溫增加速率與全國平均差異不明顯。如果剔除同期至少23%的城市化增溫影響偏差[22]，青藏高原實際年平均地面氣溫增加速率應當低于0.14℃/10 a，可能小于同期全球和中國平均增溫速率。

2)青藏高原地面氣溫上升具有明顯的季節性(見圖2，其中實曲線為11點滑動平均，虛直線為線性趨勢，k為趨勢線的斜率，青藏高原定義為海拔3 000 m等高線包圍的區域)。暖季升溫沒有冷季明顯，這個特點和全國其他地區一致。但是，不同于其他地區，青藏高原地面氣候變暖主要發生在冬季和秋季，春季變暖較弱[23]，又體現出一定的特殊性。

造成春季變暖不很明顯的原因，可能主要是由于20世紀90年代冬、春季降雪和積雪增多，致使春季地面氣溫上升速率減緩。另外，高原東部區域與我國西南其他地區一樣，處于春季弱降溫地帶[18，24]，也對整個高原地區春季升溫相對緩慢具有一定貢獻。

圖2 1951—2004年青藏高原四季平均氣溫距平變化Fig.2 Region-averaged seasonal mean temperature anomalies over the Qinghai-Tibet Plateau during 1951—2004

3)青藏高原顯著變暖開始的時間，即地面氣溫上升的躍變點，似乎不是全國最早的，晚于北方特別是東北地區，與南方多數地區大體一致，發生在20世紀 80 年代中期以后[6，24，25]。另外，高原地區的氣候變暖速率隨高度增加的現象可能也不明顯[26，27]。

過去和近年的研究均認為，高原地面氣溫上升夜間比白天明顯，氣溫日較差明顯下降。但是，氣溫日較差下降在多大程度上起因于城鎮化影響，目前還不清楚。在華北地區，國家基準氣候站和基本氣象站記錄的氣溫日較差減少，幾乎完全可由城市化因素解釋[28]。此外，由于夏季平均氣溫增加小于冬季，高原地面氣溫年較差亦趨于減小。

近50年以來，青藏高原的降水量呈現一定程度的增加趨勢(見圖3，其中實曲線為11點滑動平均，虛直線為線性趨勢，趨勢線的斜率k=0.214，高原的范圍為海拔3 000 m等值線包圍區域)，12月至次年5月即冬春季節降水量多有所增多，藏東南和川西地區增加顯著;但20世紀80年代初以來，高原腹地區域夏季和全年降水量出現減少，黃河上游地區1987年以后夏季降水量減少更為明顯[29]。因此，過去幾十年高原地區降水量在多數地方有所增加，但總體趨勢沒有地面氣溫變化明顯。

圖3 1951—2004年青藏高原年降水量距平百分率變化Fig.3 Region-averaged percentage anomalies of annual precipitation over the Qinghai-Tibet Plateau during 1951—2004

一般認為，青藏高原地面氣溫增加可能主要是對全球變暖的響應，與人類活動引起的大氣中溫室氣體濃度上升有關。在CO2等溫室氣體濃度增加情況下，絕大多數全球氣候模式模擬表明青藏高原地區降水量也增加了，說明過去50年高原地區降水量的趨勢變化可能在一定程度上也是對全球變暖的響應[16]。但是，降水變化的驅動因子很復雜，觀測到的降水增多還可能主要與年代到多年代尺度上氣候的自然波動有關[16，30]。

預計，未來青藏高原氣候將繼續變暖。氣候模擬研究指出，到2050年前后青藏高原變暖幅度可能達到1.0～3.0oC;多數氣候模擬也顯示未來降水量趨于增加[16，20]。考慮到自然氣候波動和局地人類活動的影響，到21世紀中期青藏高原地面年平均氣溫增加幅度可能接近1.0～3.0oC區間的下限，而降水量變化趨勢仍難以預估。由于城市化的影響[22]，高原地區城鎮建成區地面氣溫上升將比其他區域明顯。

3 氣候變化與工程設計問題

青藏高原地面氣候變暖將對自然和人類系統產生影響。未來高原地區的冰凍圈、河湖系統、陸地植被、農業自然條件、能源氣候資源、城鎮人居環境等，均可能隨著氣候變化而改變，并進而對當地相關領域工程設計、維護和建設造成一定影響。

1)凍土層融化。多年凍土對地面氣溫上升很敏感。未來的氣候變暖可能引起或加速部分地區凍土層融化，對公路路面、鐵路地基、橋梁、房屋建筑、輸水渠道、水庫壩基等帶來潛在威脅。在工程設計和維護方面如何減輕凍土層融化導致的負面影響，需要認真思考和研究[31]。特別是在城鎮區域和骨干交通沿線，由于疊加了局地尺度的城市熱島效應以及人類活動干預，凍土層融化對建筑物和交通設施的影響問題將變得更為突出。

青藏公路和青藏鐵路橫穿高原腹地，經過數百千米的多年凍土地帶。多年凍土退化導致的路基塌陷始終困擾著青藏公路的正常使用，未來氣候變化背景下，局部路段問題會變得比較突出，需要針對不同路段提出相應的技術處理措施[32];青藏鐵路建設是我國主動適應未來可能氣候變暖影響的首個大型工程案例[20，33]，但已采用的適應技術和措施不是一勞永逸的，需要今后根據變化的情況進行調整。

2)冰川消融。青藏高原上分布著眾多山地冰川，儲存著寶貴的淡水資源。氣候變化已致使多數山地冰川出現退縮現象，喜馬拉雅山脈和高原東側海洋性山地冰川退縮幅度更明顯[34，35]。珠峰地區冰川從20世紀60年代中期開始處于退縮狀態，東絨布冰川目前比40年前退縮近2 000 m[34]。未來氣候變暖可能引起多數山地冰川面積進一步減少。

冰川消融引起各大江河上游徑流增加，湖泊水位上漲。個別冰磧湖水位的變化可能對下游地區造成一系列影響，其中冰磧湖潰決可能引起洪災，給下游居民區帶來潛在威脅。2000年6月10日，易貢藏布發生特大潰決型洪水，使川藏公路全線中斷，沖毀通麥大橋、解放大橋等橋梁10余座。在未來氣候繼續變暖的情況下，部分區域類似的潰決型洪水發生幾率可能增加。

3)陸地水文變化。山地冰川消融以及凍土融化可能在未來幾十年內增加向雅魯藏布江、瀾滄江和長江等河流上游的融水供水量，徑流量增加，湖泊水位上升;但在更久遠的未來將導致融水供水量減少，給流域水資源的調控和利用帶來新的問題。如果考慮降水量的變化，河川徑流量和湖泊水位變化情況將更加復雜，不確定性也將增加。

河流徑流年內變化進程可能發生改變。在未來幾十年，青藏高原春、秋季地面氣候變暖可能致使融水徑流峰值提前，融水補給季節延長。

4)生態系統演化。青藏高原分布著大面積高寒草地，山地生長著多種森林。氣溫升高、凍土融化、河湖水量變化將改變高寒草地土壤水分和養分循環，在氣溫、降水變化和人類活動的共同影響下，部分地區草地的干旱化和荒漠化可能加劇[36]。

青藏高原部分地區20世紀80年代以來夏季降水量減少，氣溫明顯增高，干旱現象突出，加之人類活動增強，使牧草生長受到抑制，土地荒漠化加重。牧區草場的退化和沙化將直接影響畜牧業的可持續發展。

一般認為，氣候變暖對于北極陸地和高山、高地區域的生物多樣性保護將構成挑戰[37]。青藏高原某些喜寒生物可能由于適合其生存的生活環境改變而面臨困境，在人類活動干預和自然保護規劃不健全的共同作用下，部分物種可能趨于滅絕。

5)農業作物布局。地面氣溫升高增加了河谷低地農業生產所需要的熱量資源，降低了低溫冷害的風險，氣候生長季有所延長，一年一熟種植的北界向北推移，可能使種植面積擴大。但增溫可能使某些病蟲害和雜草的地理分布范圍擴大，從而影響農業產量的形成。干旱對農業生產的影響很大，但如果未來降水趨于增多，對農業生產也將產生有利影響。氣候變化對高原上農業生產條件的影響總體上看利大于弊。

6)建工材料性能改變。高原地區地面氣溫上升對各類工程的建工材料性能和壽命將產生一定影響;地面平均氣溫的升高對于工程施工期間建工材料灌注、鋪裝將具有一定正面影響;極端低溫事件發生頻率減少，可以增加各類工程建筑混凝土的力學性能，增加混凝土的抗折、抗壓強度，增強工程內部材料的抗腐蝕性和耐久性[38];但城鎮區域更頻繁的高溫事件與干旱事件結合作用，可能使各類工程材料干裂風險增加，內部微裂縫增多，給工程建設和維護帶來新的問題[39]。由于高原地區基礎氣溫偏低，未來近地面氣候變暖預計對各類工程建工材料的影響總體上是有利的。

7)風能資源變化。青海和藏北是我國風能資源比較豐富的地區。但是，與全國多數地區一樣，過去50年青藏高原北部地表平均風速呈下降趨勢[8，18]。觀測的風速減少可能部分與全球氣候變暖有關，部分由人為活動引起的氣象觀測場附近微環境變化所致。如果未來地表風速繼續下降，將對青海和藏北地區的風電場建設造成若干不利影響。

8)人居環境變化。青藏高原的城鎮人口總體偏少，但城鎮化速度將加快，城鎮人口將不斷增多。城鎮建成區面積擴大會增強城市熱島效應，導致人口集中居住區地面氣溫特別是冬季和夜間氣溫升高。熱島效應將疊加在全球變暖趨勢之上，致使城鎮區域氣候變暖比較明顯，減輕冬季寒潮和冷空氣影響，加劇夏季相對高溫天氣影響。

西寧、德令哈、格爾木、拉薩等較大城市不僅城市熱島效應日益明顯，而且城區降水量和強降水事件頻率可能增加，對城市防洪防澇工程和設施造成影響。城鎮區域的平均風速和相對濕度下降，也將影響人類體感溫度、人體健康和氣候環境舒適度。

4 兩點建議

加強青藏高原地區氣候變化及其影響研究和監測，重新審視現有和計劃中的重大工程項目設計標準、維護和管理方式，制定有效的適應措施，可以做到趨利避害，為促進高原地區經濟和社會可持續發展提供技術支撐。

4.1 加強青藏高原氣候、環境變化監測與研究

目前，科學研究對于青藏高原地區未來氣候究竟如何變化還無法給出可靠的預測。這種局面對氣候、生態與環境的監測和研究提出了迫切要求。只有加強監測，才能認識氣候變化的規律，對未來的氣候與環境變化做出科學預測。

青藏高原特別是藏西北地區的氣候、環境監測工作非常薄弱。以長序列氣象觀測網為例，沿海省份平均1萬km2臺站數量可達7個以上，而西藏自治區平均3萬km2臺站數不足1個。這種情況無法滿足氣候變化監測和研究工作需要。建議加大西藏和青海西部氣候、生態與環境監測工作投入，增設地面氣象自動站觀測站點，加強衛星遙感監測，推進高原地區氣候、生態與環境監測業務現代化。

在加強監測工作的基礎上，進一步開展相關基礎科學研究。特別要加強對不同時間尺度氣溫、降水和干旱事件等變化規律的研究，以及青藏高原陸面過程對我國其他地區氣候與水文異常的影響評價，模擬全球氣候變化背景下的高原區域氣候響應，對未來10～50年的氣候變化趨勢做出科學預估，對氣候變化的生態、環境效應進行系統評價。

4.2 采取有效措施，主動適應氣候變化的影響

1)自然生態保護。加強三江源、“一江兩河”、藏北高原、青藏鐵路沿線等地區的生態保護工作，建立必要的自然保護區，堅持實行退耕還林、退牧還草工程。

自然保護區規劃需要考慮未來氣候變暖的影響，為動植物遷移適應預留足夠空間;在生態建設和恢復規劃中重視氣候與環境變化監測、預測信息，制定氣候變化適應措施;國家對西藏和青海的生態、環境保護與建設要實行統一領導、統一規劃，改變不同部門和地區各自為政的局面，形成有效合力，整體推進青藏高原地區自然生態保護中的氣候變化適應工作。

2)自然災害防御。針對未來可能出現的干旱、冰磧湖潰決、多年凍土融化等引發的自然災害，要在科學預測和普查的基礎上，評價災害風險，在各類工程設計和建設前制定相應的適應措施;對于具有高風險的冰磧湖，應考慮采取避讓、預警和防御性工程等綜合防御策略;要建設完善干旱、強降水和暴雪等氣象災害監測預警系統和應急救險機制，減輕災害損失。

3)農業發展規劃。西藏和青海部分河谷低地的熱量條件將有所改善，各類熟制作物種植面積可適當增加。但要注意病蟲害和雜草的防治，注意干旱災害的可能威脅。應鼓勵發展集約化現代農業，主動適應氣候變化，減輕極端氣候事件影響，增加糧食產量。部分地區草場產量可能增加，但由于土層瘠薄，載畜量仍然有限，要注意生態保護和牧業生產的良性互動。

4)交通設施建設。要密切監測氣候變暖對主要公路、鐵路、橋梁等交通設施的影響，采取進一步工程和政策措施防治凍土退化對現有路基穩定性的破壞作用。城鎮區域的交通設施可能面臨更大威脅，需要及早做出預防。對于未來的交通設施建設，要充分注意區域和局地氣候變暖的影響，注意預防可能的冰磧湖潰決對道路和橋梁帶來的破壞。

5)水利水電建設。未來30～50年內各大河上游的融水徑流量可能增加，這在增加山麓和盆地綠洲水資源供應量的同時，也會帶來汛期洪水威脅，應加強防護;還要注意氣候變化引起的徑流峰值和洪峰的季節性變動。

到21世紀中后期，隨著融水徑流量減少，加之氣候自然變異的影響，部分流域面臨的水文干旱風險可能加大，應有所準備。要重視氣候和水資源變化趨勢監測和預測，為流域水資源調控和管理提供可靠信息，為南水北調西線工程設計提供科技支撐。

6)城鎮發展規劃。城鎮區域的氣候變暖將更為明顯。應注意氣候變暖、變干、風速減弱對城市建設和人類生活、健康的影響，制定相應的適應性措施，趨利避害。多數城鎮內未來冬季的取暖能源需求將降低，但部分大中城市區域夏季降溫能源需求可能提高。西寧等較大城市區域，還要十分注意預防由于降雨強度增加引發的城市洪水和內澇問題。

致謝:本文在徐祥德院士的建議和鼓勵下完成。筆者也感謝杜軍、陸采榮、初子瑩提供的支持與幫助。

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