青藏铁路工程走廊多年冻土对全球气候变化的响应

杨永鹏， 孟进宝， 韩龙武， 李　勇， 蔡汉成， 朱兆荣

(中铁西北科学研究院有限公司 技术中心，甘肃 兰州　730000)

从20世纪50年代以来，全球气候发生着史无前例的变化。近30年来，地表温度的升温速率逐年增大。21世纪的第1个10年是历史最暖时期，降水量也在显著增加[1-3]。当然，青藏高原的气候也在发生着变化，主要表现为气温逐年升高、降水量明显增大等[4-8]，剧烈影响着依赖于气候环境的高原植被、冰川、冻土等的赋存状态。

多年冻土是特定的气候及地质环境共同作用形成的，其演化受气候环境变化的影响，而冻土的演化又直接影响建设于其上的冻土工程的稳定性。

举世瞩目的青藏铁路全长1 142 km，海拔高于4 000 m地段960 km，通过连续多年冻土地段约547 km[6-9]。它与青藏公路、输油管道、输电线路等处于同一个工程走廊，研究该工程走廊的气候要素变化特征及冻土对气候要素变化的响应至关重要，关系到包括青藏铁路、青藏公路在内的所有工程建筑的安全稳定[10-16]。

本文基于青藏铁路沿线的气象站及冻土监测资料，分析青藏铁路工程走廊范围内的气温、地表温度、降水量、冻结融化指数的变化特征和规律，以及多年冻土天然上限、不同深度处地温和积温的变化，研究青藏铁路工程走廊多年冻土对全球气候转暖的响应。

1　青藏铁路工程走廊多年冻土分布和特征

青藏铁路工程走廊多年冻土区北起昆仑山北麓的西大滩，往南至唐古拉山南麓的安多北。多年冻土基本呈连续分布，局部地段分布有融区和岛状冻土。

青藏铁路通过的547 km连续多年冻土区中，高含冰冻土(体积含冰量>20%)地段累计长度222.16 km，占连续多年冻土区长度的40.66%(厚层地下冰地段累计长度56.2 km)；低含冰冻土(体积含冰量<20%)地段累计长度222.57 km，占连续多年冻土区长度的40.73%；融区地段累计长度101.68 km，占连续多年冻土区长度的18.61%。

青藏铁路工程走廊多年冻土具有以下特征。

①多年冻土的分布和特征受海拔高度控制，即具有明显的垂直地带性。

②多年冻土分布下界还与纬度有关，纬度每降低1°，下界上升80～100 m。

③多年冻土的厚度变化与海拔高度、纬度有如下关系：海拔高度上升100 m，多年冻土厚度增加15～20 m；纬度降低1°，多年冻土厚度减小10～20 m。从多年冻土区边缘地带到腹部地带，多年冻土的厚度从5～25 m变化至60～130 m。

④多年冻土的年平均地温从边缘地带的0～-1.5 ℃变化至腹部地带的-1.0～-2.5 ℃，最低可达-4.0 ℃。

2　青藏铁路工程走廊气候要素变化

受全球气候转暖的影响，在1961—2013年期间，青藏高原地区年平均气温呈上升趋势，平均每10年升高0.37 ℃，其升温明显高于全球平均值，全方位的影响地基多年冻土的赋存。

基于青藏铁路工程走廊多年冻土区五道梁、风火山、沱沱河、安多4个全要素气象监测站的近60年的监测数据，研究青藏铁路工程走廊多年冻土区气候要素变化特征。青藏铁路工程走廊上述4个气象监测站基本情况见表1。

表1　青藏铁路工程走廊气象监测站基本情况

2.1　气温

气温是影响多年冻土赋存的最直接的指标。4个气象站监测的1957—2011年气温变化曲线如图1所示，气温年增长率统计结果见表2。

图1　各气象站1957—2011年气温变化曲线

地区1957—2011年年均升温速率/(℃·a-1)2000—2011年年均升温速率/(℃·a-1)五道梁0032100878风火山0032600736沱沱河0030301200安多　0033001250

由表2可以看出，自1957年以来，青藏铁路工程走廊各气象站气温基本以年均0.03℃的速度升高，进入21世纪以后，青藏铁路工程走廊各气象站年升温速率增大了2～4倍，气温逐年升高。

2.2　降水量

降水量的变化直接影响多年冻土的赋存环境。青藏铁路工程走廊范围内多年冻土区五道梁、风火山、沱沱河及安多多年来的降水量见表3。

表3　青藏铁路工程走廊降水量变化特征

由表3可以看出，青藏铁路工程走廊多年冻土地区大部分年均降水量在250～450 mm之间，南部边缘地区可达595.6 mm。

图2为青藏铁路工程走廊多年冻土腹地的风火山气象站1976—2013年降水量变化曲线。

图2　风火山气象站降水量变化曲线

由表2可以看出，自1976年开始监测以来风火山地区降水量呈波动增大变化趋势，年降水量最大值达583.4 mm。

2.3　气温的冻结融化指数

冻结指数、融化指数、过余冻结指数代表该地区的气温的冻结能力。图3和图4分别为风火山气象站得到的融化指数和冻结指数变化曲线。

图3　风火山气象站融化指数变化曲线

由图3和图4可以看出，风火山地区融化指数以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而冻结指数以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指数增大的幅度小于冻结指数增大的幅度，说明风火山地区的气温正在逐步上升，气温变暖主要在寒季，暖冬现象越来越严重。

图4　风火山气象站冻结指数变化曲线

图5—图7分别给出了2006—2013年青藏铁路工程走廊五道梁、沱沱河和安多地区的冻结-融化指数。

图5　2006—2013年五道梁地区冻结、融化指数

图6　2006—2013年沱沱河地区冻结、融化指数

图7　2006—2013年安多地区冻结、融化指数

由图5—图7可以看出：五道梁地区的冻结指数约为融化指数的3倍，过余冻结指数在1 336～1 807 ℃·d；沱沱河地区的冻结指数约为融化指数的2倍，过余冻结指数在723～1 166 ℃·d；安多地区的冻结指数约为融化指数的1.5倍，过余冻结指数在353～656 ℃·d，五道梁地区的冻结能力大于沱沱河地区，沱沱河地区大于安多地区。

2.4　地表温度

为了分析青藏铁路工程走廊多年冻土区地表温度变化，选取具有代表性的多年冻土腹地的风火山地区进行研究。图8给出了风火山观测站测得的1976—2013年地表温度变化曲线。

图8　风火山地区1976—2013年地表温度变化曲线

由图8可以看出：1976—1986年11年间风火山地区年平均地表温度均低于38年间的平均值，随后的6年间(1987—1992年)年平均地面温度处于波动期，1993—2013年21年间均高于38年间平均值，近21年间该地区地面温度明显上升，增温现象显著。

最近38年地面温度升温速率是0.06 ℃·年-1，是同时段气温升温速率的1.34倍。

3　多年冻土对气候变化的响应

多年冻土的赋存依赖于寒冷的气候环境，气候环境的变化势必影响青藏铁路工程走廊多年冻土的赋存。

依据青藏铁路沿线多个天然场地的地温变化监测数据，从天然上限、不同深度处地温和积温变化分析多年冻土对气候变化的响应。

3.1　天然上限

自2006年青藏铁路运营以来，沿线天然场地多年冻土天然上限发生了较大变化。图9给出了2007和2015年青藏铁路运营以来沿线34个地温监测场多年冻土的天然上限。由图9可以看出：沿线多年冻土天然上限在2007—2015年间发生了较大幅度的变化，多年冻土整体处于退化状态。

图10为青藏铁路运营以来沿线多年冻土天然上限变化占比图。由图10可以看出。从天然上限变化幅度上讲，天然上限抬升的仅占9%，而天然上限下降的占比为91%，天然上限下降0.5～1 m的占59%，可见多年冻土退化是普遍的。

图9　2007年和2015年青藏铁路运营以来沿线多年冻土的天然上限

图10　2007—2015年青藏铁路沿线多年冻土上限变化

3.2　不同深度处地温

不同深度处地温变化反映的是多年冻土总体热状况，通过分析可以研究多年冻土的稳定状态及退化速率等。

为了研究青藏铁路工程走廊多年冻土不同深度处地温的变化，绘制具有代表性地段的2007年和2012年不同时间的地温变化图，如图11所示。

图11　青藏铁路工程走廊典型地段地温变化(单位：℃)

由图11可以看出：与2007年相比，该处2012年天然上限降低了约0.5 m；2012年6 m处地温升高了约0.05 ℃，12 m处地温升高了约0.3 ℃；由于测温范围内没有触及下限，但是通过-0.1 ℃线的位置可以看出，-0.1 ℃线抬升了约0.5 m。因此，该断面天然状态下2012年多年冻土不同深度处地温较2007年均升高，且上限下降、下限抬升，多年冻土处于升温退化状态。该断面地基多年冻土是在上下2个热源影响下发生退化。

为了进一步分析，选择多年冻土北界附近、昆仑山山区、楚玛尔河高平原、乌丽—沱沱河地区、多年冻土南界等典型地段天然地面孔测温资料进行分析。图12给出了上述5个地区地表以下2.5，5和10 m处的多年冻土地温的升温速率。

图122006—2015年青藏铁路沿线多年冻土不同深度处地温升温速率

由图12可以看出，近年来由于气候影响，青藏铁路沿线天然场地多年冻土均处于退化状态；5个地区天然场地地表以下2.5 m处的升温速率最大，说明多年冻土升温退化主要是自上而下进行；多年冻土北界升温退化速率最大，唐古拉山以北多年冻土受气候影响较唐古拉山以南明显；沱沱河地区由于大河融区影响，升温速率较大。

3.3　不同深度处积温

在冻土工程研究中，积温代表某区域或者某一点的冻结融化能力，积温变化也可以用来分析多年冻土的稳定状态和变化趋势。

图13给出了2007—2013年青藏铁路工程走廊多年冻土段不同深度处的年度积温。

由图13可以看出，该处正积温均为零，负积温比较低，但是负积温逐年升高，即在不同深度处的多年冻土地温逐年升高，冻土退化明显。

图132007—2013年青藏铁路沿线多年冻土不同深度处积温

在此基础上，对青藏铁路沿线多年冻土北界附近、昆仑山山区、楚玛尔河高平原、乌丽—沱沱河地区、多年冻土南界等代表性地段多年冻土不同深度处积温的增长率进行计算，结果如图14所示。

图14　青藏铁路工程走廊典型地段积温变化

由图14可以看见：在青藏铁路沿线多年冻土区，积温基本呈增长的趋势，多年冻土的蓄冷能力降低，影响多年冻土的稳定，退化明显；乌丽-沱沱河地区增长率最大，昆仑山山区次之，说明近年来乌丽沱沱河地区多年冻土升温较其他地区更加明显。

4　结　论

(1)1961—2013年，青藏铁路工程走廊内气温基本以年均0.03 ℃的速度升高，青藏铁路2006年运营以来，青藏铁路工程走廊各气象站年升温速率增大了2～4倍，且升温幅度进一步加大。

(2)青藏铁路沿线多年冻土地区大部分降水量在250～450 mm之间，南部边缘地区可达595.6 mm。自1976年开始监测以来风火山地区降水量呈波动增大变化趋势，年降水量最大值达583.4 mm。

(3)青藏铁路工程走廊多年冻土区各气象站的冻结指数和融化指数逐年增大，风火山地区融化指数以0.197 1 ℃·月·年-1的幅度增大，而冻结指数以0.347 4 ℃·月·年-1的幅度增大，融化指数增大的幅度小于冻结指数增大的幅度，暖冬现象越来越严重。

(4)沿线地面温度在近38年间明显上升，升温速率达到0.06 ℃·年-1，是同时段气温升温速率的1.34倍。

(5)沿线多年冻土区2007—2013年间天然上限抬升仅占9%，而天然上限下降的占比为91%，多年冻土总体处于退化状态。

(6)地基多年冻土不同深度处地温均在升高，距离上限较近位置的地温升温速率普遍最大，多年冻土升温退化主要为自上而下。

(7)多年冻土南北界及大河融区附近多年冻土退化速率较其他地区更加明显。

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