青藏鐵路工程走廊多年凍土對全球氣候變化的響應

楊永鵬， 孟進寶， 韓龍武， 李　勇， 蔡漢成， 朱兆榮

(中鐵西北科學研究院有限公司 技術中心，甘肅 蘭州　730000)

從20世紀50年代以來，全球氣候發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世紀的第1個10年是歷史最暖時期，降水量也在顯著增加[1-3]。當然，青藏高原的氣候也在發生著變化，主要表現為氣溫逐年升高、降水量明顯增大等[4-8]，劇烈影響著依賴于氣候環境的高原植被、冰川、凍土等的賦存狀態。

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

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

本文基于青藏鐵路沿線的氣象站及凍土監測資料，分析青藏鐵路工程走廊范圍內的氣溫、地表溫度、降水量、凍結融化指數的變化特征和規律，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全球氣候轉暖的響應。

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分布，局部地段分布有融區和島狀凍土。

青藏鐵路通過的547 km連續多年凍土區中，高含冰凍土(體積含冰量>20%)地段累計長度222.16 km，占連續多年凍土區長度的40.66%(厚層地下冰地段累計長度56.2 km)；低含冰凍土(體積含冰量<20%)地段累計長度222.57 km，占連續多年凍土區長度的40.73%；融區地段累計長度101.68 km，占連續多年凍土區長度的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，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-4.0 ℃。

2　青藏鐵路工程走廊氣候要素變化

受全球氣候轉暖的影響，在1961—2013年期間，青藏高原地區年平均氣溫呈上升趨勢，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五道梁、風火山、沱沱河、安多4個全要素氣象監測站的近60年的監測數據，研究青藏鐵路工程走廊多年凍土區氣候要素變化特征。青藏鐵路工程走廊上述4個氣象監測站基本情況見表1。

表1　青藏鐵路工程走廊氣象監測站基本情況

2.1　氣溫

氣溫是影響多年凍土賦存的最直接的指標。4個氣象站監測的1957—2011年氣溫變化曲線如圖1所示，氣溫年增長率統計結果見表2。

圖1　各氣象站1957—2011年氣溫變化曲線

地區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，進入21世紀以后，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境。青藏鐵路工程走廊范圍內多年凍土區五道梁、風火山、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大部分年均降水量在250～450 mm之間，南部邊緣地區可達595.6 mm。

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

圖2　風火山氣象站降水量變化曲線

由表2可以看出，自1976年開始監測以來風火山地區降水量呈波動增大變化趨勢，年降水量最大值達583.4 mm。

2.3　氣溫的凍結融化指數

凍結指數、融化指數、過余凍結指數代表該地區的氣溫的凍結能力。圖3和圖4分別為風火山氣象站得到的融化指數和凍結指數變化曲線。

圖3　風火山氣象站融化指數變化曲線

由圖3和圖4可以看出，風火山地區融化指數以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而凍結指數以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指數增大的幅度小于凍結指數增大的幅度，說明風火山地區的氣溫正在逐步上升，氣溫變暖主要在寒季，暖冬現象越來越嚴重。

圖4　風火山氣象站凍結指數變化曲線

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

圖5　2006—2013年五道梁地區凍結、融化指數

圖6　2006—2013年沱沱河地區凍結、融化指數

圖7　2006—2013年安多地區凍結、融化指數

由圖5—圖7可以看出：五道梁地區的凍結指數約為融化指數的3倍，過余凍結指數在1 336～1 807 ℃·d；沱沱河地區的凍結指數約為融化指數的2倍，過余凍結指數在723～1 166 ℃·d；安多地區的凍結指數約為融化指數的1.5倍，過余凍結指數在353～656 ℃·d，五道梁地區的凍結能力大于沱沱河地區，沱沱河地區大于安多地區。

2.4　地表溫度

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

圖8　風火山地區1976—2013年地表溫度變化曲線

由圖8可以看出：1976—1986年11年間風火山地區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期，1993—2013年21年間均高于38年間平均值，近21年間該地區地面溫度明顯上升，增溫現象顯著。

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

3　多年凍土對氣候變化的響應

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

依據青藏鐵路沿線多個天然場地的地溫變化監測數據，從天然上限、不同深度處地溫和積溫變化分析多年凍土對氣候變化的響應。

3.1　天然上限

自2006年青藏鐵路運營以來，沿線天然場地多年凍土天然上限發生了較大變化。圖9給出了2007和2015年青藏鐵路運營以來沿線34個地溫監測場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年間發生了較大幅度的變化，多年凍土整體處于退化狀態。

圖10為青藏鐵路運營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年青藏鐵路運營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定狀態及退化速率等。

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 ℃；由于測溫范圍內沒有觸及下限，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。該斷面地基多年凍土是在上下2個熱源影響下發生退化。

為了進一步分析，選擇多年凍土北界附近、昆侖山山區、楚瑪爾河高平原、烏麗—沱沱河地區、多年凍土南界等典型地段天然地面孔測溫資料進行分析。圖12給出了上述5個地區地表以下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地多年凍土均處于退化狀態；5個地區天然場地地表以下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；沱沱河地區由于大河融區影響，升溫速率較大。

3.3　不同深度處積溫

在凍土工程研究中，積溫代表某區域或者某一點的凍結融化能力，積溫變化也可以用來分析多年凍土的穩定狀態和變化趨勢。

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，負積溫比較低，但是負積溫逐年升高，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

在此基礎上，對青藏鐵路沿線多年凍土北界附近、昆侖山山區、楚瑪爾河高平原、烏麗—沱沱河地區、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率進行計算，結果如圖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，積溫基本呈增長的趨勢，多年凍土的蓄冷能力降低，影響多年凍土的穩定，退化明顯；烏麗-沱沱河地區增長率最大，昆侖山山區次之，說明近年來烏麗沱沱河地區多年凍土升溫較其他地區更加明顯。

4　結　論

(1)1961—2013年，青藏鐵路工程走廊內氣溫基本以年均0.03 ℃的速度升高，青藏鐵路2006年運營以來，青藏鐵路工程走廊各氣象站年升溫速率增大了2～4倍，且升溫幅度進一步加大。

(2)青藏鐵路沿線多年凍土地區大部分降水量在250～450 mm之間，南部邊緣地區可達595.6 mm。自1976年開始監測以來風火山地區降水量呈波動增大變化趨勢，年降水量最大值達583.4 mm。

(3)青藏鐵路工程走廊多年凍土區各氣象站的凍結指數和融化指數逐年增大，風火山地區融化指數以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而凍結指數以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指數增大的幅度小于凍結指數增大的幅度，暖冬現象越來越嚴重。

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

(5)沿線多年凍土區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。

(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附近多年凍土退化速率較其他地區更加明顯。

[1]沈永平，王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J]. 冰川凍土，2013，35(5):1068-1076.

(SHEN Yongping，WANG Guoya. Key Findings and Assessment Results of IPCC WGI Fifth Assessment Report[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2013，35(5):1068-1076. in Chinese)

[2]葛全勝，鄭景云，郝志新，等. 過去2000年中國氣候變化研究的新進展[J]. 地理學報，2014，69(9):1248-1258.

(GE Quansheng，ZHENG Jingyun，HAO Zhixin，et al. State-of-the-Arts in the Study of Climate Changes over China for the Past 2000 Years[J].Acta Geographica Sinica，2014，69(9):1248-1258. in Chinese)

[3]秦大河.氣候變化科學與人類可持續發展[J]. 地理科學進展，2014，33(7):874-883.

(QIN Dahe. Climate Change Science and Sustainable Development[J]. Progress in Geography，2014，33(7):874-883. in Chinese)

[4]張中瓊，吳青柏.氣候變化情景下青藏高原多年凍土活動層厚度變化預測[J]. 冰川凍土，2012，34(3):505-511.

(ZHANG Zhongqiong，WU Qingbai. Predicting Changes of Active Layer Thickness on the Qinghai-Tibet Plateau as Climate Warming[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2012，34(3):505-511. in Chinese)

[5]姜永見，李世杰，沈德福，等，青藏高原近40年來氣候變化特征及湖泊環境響應[J]. 地理科學，2012，32(12):1503-1512.

(JIANG Yongjian，LI Shijie，SHEN Defu，et al. Climate Change and Its Impact on the Lake Environment in the Tibetan Plateau in 1971—2008[J]. Scientia Geographica Sinica，2012，32(12):1503-1512. in Chinese)

[6]馬耀明，胡澤勇，田立德，等.青藏高原氣候系統變化及其對東亞區域的影響與機制研究進展[J]. 地球科學進展，2014，29(2):207-215.

(MA Yaoming，HU Zeyong，TIAN Lide，et al. Study Progresses of the Tibet Plateau Climate System Change and Mechanism of Its Impact on East Asia[J].Advances in Earth Science，2014，29(2):207-215. in Chinese)

[7]牛濤，劉洪利，宋燕，等.青藏高原氣候由暖干到暖濕時期的年代際變化特征研究[J]. 應用氣象學報，2005，16(6):763-771.

(NIU Tao，LIU Hongli，SONG Yan，et al. Study on Decade Change of Climate Shift from Warm-Dry Period to Warm-Wet Period over Tibetan Plateau[J]. Journal of Applied Meteorological Science，2005，16(6):763-771. in Chinese)

[8]李林，陳曉光，王振宇，等.青藏高原區域氣候變化及其差異性研究[J]. 氣候變化研究進展，2010，6(3):181-186.

(LI Lin，CHEN Xiaoguang，WANG Zhenyu，et al. Climate Change and Its Regional Differences over the Tibetan Plateau[J]. Advances in Climate Change Research，2010，6(3):181-186. in Chinese)

[9]楊永鵬，蔣富強.青藏高原多年凍土區通風管路基溫度特性分析[J]. 中國鐵道科學，2010，31(4)：7-11.

(YANG Yongpeng, JIANG Fuqiang. Analysis on the Temperature Characteristics of the Ventilation Pipeline Embankment in the Permafrost Regions of Qinghai-Tibet Plateau[J]. China Railway Science，2010，31(4)：7-11. in Chinese)

[10]王紹令，趙秀鋒，郭東信，等.青藏高原凍土對氣候變化的響應[J]. 冰川凍土，1996，18(增刊):157-165.

(WANG Shaoling，ZHAO Xiufeng，GUO Dongxin，et al. Response of Permafrost to Climate Change in the Qinghai-Xizang Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，1996，18(Supplement):157-165. in Chinese)

[11]吳吉春，盛煜，吳青柏，等.青藏高原多年凍土退化過程及方式[J]. 中國科學：D輯，2009，39(11): 1570-1578.

(WU Jichun，SHENG Yu，WU Qingbai，et al. Processes and Modes of Permafrost Degradation on the Qinghai-Tibet Plateau. [J]. Science in China:Series D，2009，39(11): 1570-1578. in Chinese)

[12]馬巍，牛富俊，穆彥虎.青藏高原重大凍土工程的基礎研究[J]. 地球科學進展，2012，27(11):1185-1191.

(MA Wei，NIU Fujun，MU Yanhu. Basic Research on the Major Permafrost Projects in the Qinghai-Tibet Plateau[J].Advances in Earth Science，2012，27(11):1185-1191. in Chinese)

[13]金會軍，趙林，王紹令，等.青藏公路沿線凍土的地溫特征及退化方式[J].中國科學：D輯，2006，36(11):1009-1019.

(JIN Huijun，ZHAO Lin，WANG Shaoling，et al. Highway Roadway Stability Influenced by Warm Permafrost and Seasonal Frost Action[J].Science in China: Series D，2006，36 (11):1009-1019. in Chinese)

[14]蔡漢成，李勇，楊永鵬，等.青藏鐵路沿線多年凍土區氣溫和多年凍土變化特征[J]. 巖石力學與工程學報，2016，35(7)1434-1444.

(CAI Hancheng，LI Yong，YANG Yongpeng，et al. Variation of Temperature and Permafrost along Qinghai-Tibet Railway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2016，35(7)：1434-1444. in Chinese)

[15]徐兵魁，熊治文. 青藏高原多年凍土區熱棒路基設計計算[J]. 中國鐵道科學，2006，27(5)：17-22.

(XU Bingkui, XIONG Zhiwen. Design Calculation of Heat Pipe Subgrade in Permafrost Regions of Qinghai-Tibet Plateau[J]. China Railway Science，2006，27(5)：17-22. in Chinese)

[16]汪青春，李林，秦寧生，等.青海高原多年凍土對氣候變化的響應[J]. 青海氣象，2005(1):20-25.

(WANG Qingchun，LI Lin，QIN Ningsheng，et al. Response of Permafrost to Climate Change in Qinghai Plateau [J]. Journal of Qinghai Meteorology，2005(1):20-25. in Chinese)