未来50与100a青藏高原多年冻土变化情景预测.pdf

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528中国科学D辑地球科学2004,34（6）:

528534未来未来50与与100a青藏高原多年冻土变化情景预测青藏高原多年冻土变化情景预测*南卓铜*李述训程国栋（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所工程冻土国家重点实验室,兰州730000）摘要政府间气候变化委员会（IPCC）估计,21世纪全球平均气温将增加1.45.8.据预测未来50a青藏高原气温可能上升2.22.6.在建立冻土数值预测模型的基础上,计算了在两种气温年升温率情景下青藏高原多年冻土自然平均状态50和100a后可能发生的变化.预测结果表明,气候年增温0.02情形下,50a后多年冻土面积比现在缩小约8.8%,年平均地温Tcp0.11的高温冻土地带将退化,100a后,冻土面积减少13.4%,Tcp0.5的区域可能发生退化;如果升温率为0.052/a,青藏高原在未来50a后退化13.5%,100a后退化达46%,Tcp2的区域均可能退化成季节冻土甚至非冻土.预测结果对青藏高原寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.关键词多年冻土变化青藏高原情景预测数值方法2003-08-10收稿,2003-12-09收修改稿*中国科学院知识创新重大项目（编号:

KZCX1-SW-04）、中国科学院寒区旱区环境和工程研究所知识创新工程项目（编号:

CACX200009）和国家重点基础研究发展规划项目（编号:

G1998040812）共同资助*E-mail:

青藏高原是世界上中低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土分布区.伴随着西部大开发战略的启动,青藏高原的人类活动明显增多,比如2001年6月开始的青藏铁路二期工程（格尔木拉萨段）现在正在紧张施工中.青藏高原工程建设和开发必须解决好冻土问题.冻土的冻胀和沉融可能危害到冻土地区的工程建设1,2,而工程建设也可能改变着冻土的自然发生发展规律3.全球气候变化可能加剧冻土和工程的这种相互作用4,5.国际上对气候变化情景下冻土的演化规律有很多研究,建立了诸多不同规模的物理模型.如Delisle建立了模拟多年冻土发展和退化的数值模型6,并估计了第四纪冰期中欧北部多年冻土的厚度7;Anisi-mov建立简化的冻土季节冻融循环模型用于模拟俄罗斯的冻土分布8;此外还有Marchenko9和Malevsky等人10建立的模型等.这些模型在一定程度上具备了模拟多年冻土分布现状和预测将来变化的能力,但是模型输入参数要求过于苛刻,使得应用往往局限于那些具备详细冻土区域调查资料的小区域.青藏高原有广阔的面积,和相对较缺乏的冻土资料,导致国内学者在预测青藏高原未来冻土变化时很少采用这类模型.SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences第6期南卓铜等:

未来50与100a青藏高原多年冻土变化情景预测52920世纪90年代以后,国内学者应用不同的方法对青藏高原未来冻土变化进行了研究,但预测结果不一.童长江等人H11H假定年均气温升幅0.033,计算了中国西部冻土各分带的融化速率,认为除了极稳定带和稳定带外其余各带（基本稳定带、基本稳定过渡带、不稳定带和极不稳定带）将受到较大影响,然而没有给出影响的定量数值.王绍令等人H12H根据未来东亚气温与降水变化数据,预测到2040年青藏高原年平均地温上升0.40.5,届时现在的岛状多年冻土将大部分消失,多年冻土总面积明显减少.JianH13H应用Biome3模型,根据GCM气候输出结果,认为到2100年连续多年冻土大部分将消失,连续多年冻土与不连续多年冻土的界线将向高原北部迁移12纬度.李新等人H14H应用高程模型和GCM输出结果,对2009、2049、2099年进行情景预测,结果表明,多年冻土在未来2050a间不会发生本质变化,多年冻土总的消失比例不会超过19%,然而到2099年青藏高原多年冻土将发生显著变化,消失比例高达58%.南卓铜等人H15H的模拟结果也表明,在气候年增温0.04的情景下,50a后青藏高原多年冻土发生不同程度的增温现象,但没有大规模的退化,多年冻土总面积减少12104km2.本文在李述训等人H16H的工作基础上建立并完善一个基于相变界面能量平衡的冻土温度场数值计算模型,借助GIS技术输出在两种不同气候变化情景下的50和100a后的青藏高原多年冻土可能变化.预测结果对青藏高原寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.1预测模型预测模型多年冻土是大气通过地面与地层热交换的产物,受气候条件、区域地质地理条件制约.其中,气候是冻土变化的动力,区域地质地理条件是冻土发生区域分异的原因.在天然条件下,不同区域的地质地貌、植被覆盖和水文条件差异很大,导致多年冻土在相同的气温条件下也可能存在差异.为了揭示一般自然条件下多年冻土地温状况的变化特征,在实际计算中取冻土平均状态参数.比如,野外冻土勘探往往在25m深度内发现富冰甚至纯冰夹层,该层对冻土工程研究有重要意义,实际计算中忽略该层,含水量取地表至5m深度的平均值,通过长时间迭代计算弥补因为该层的存在造成对整个计算区域的影响.求解区域H分为2层,上层为均匀的碎石亚粘土,下层为在冻土区常见的砂砾土.计算中涉及的土壤热参数来自青藏公路二期整治工程项目、唐古拉-斜水河冻土勘探项目及中国科学院青藏高原综合观测研究站总计202个天然钻孔的平均值（表1）.表1求解区上、下2层土壤热学参数a）h/mW/%Wu/%d/kgm3f/Wm1k1u/Wm1k1Cf/kJm31Cu/kJm31上层517316001.571.2818722475下层H56116001.611.2813711673a）表中h示厚度;H示求解区域深度,单位为m;W示总含水量;Wu示冻土中的未冻水含量;d示干容重;f与u分别表示冻结状态和融化状态时的导热系数;Cf和Cu分别表示冻结状态和融化状态时的容积热容量模型中,求解区域H确定为大于多年冻土的下限H0,取下边界条件地中热流梯度为常值.采用相变界面将地层划分为冻结和融化区域,各区域内部满足热传导方程,而相变只发生在相变界面上.这样,整个求解区域可划分为3层,即地表至相变界面的融化层、相变界面至冻土下限的冻结层和冻土下限至求解区域下限的融化层.通过建立2个相变界面的能量平衡方程及相变界面上的温度连续条件,得到描述问题的基本数学物理方程:

211f02,（,0）TTaxHttx=

（1）2220u2,（0,0）TTaxHxHttx=

（2）（0,）（）,（0）Ttftt=（3）（,0）（）,（0）TxgxxH=（12）温度与内能的关系有（,）,（）（,）,（0（,）（,）.（0）uffExtQEQCTxtTExtQExtEC=（13）模型通过求解内能确定系统内能变化,再由公式（13）求出温度,温度合理与否以每个年周期沿深度的计算结果在较高精度范围内重复为判断原则.模型中采用2层相变半显式差分法来求解H18H.2预测结果及分析预测结果及分析据IPCC估计,21世纪全球平均气温将增加约2.5,可能的变化范围为1.45.8H19H.秦大河等人20根据中国区域气候模式,在假定大气CO2继续增加的情景下,预测未来50a青藏高原气温可能上升2.22.6.本文取IPCC的低值0.02/a与秦大河等人H20H的最高值0.052/a作为背景气候年升温率,并且假定地面年平均温度以同样速度上升,即地面温度年升温率Gt也是0.02/a和0.052/a.我们对这2种增温情景分别计算了年平均地面温度等于0.5,0.0,0.5,1.5,2.5,3.5和4.5的7种情况.图1和2分别给出气温年增温0.02和0.052两种情景下青藏高原多年冻土现状（0a）,50a后和100a后的地温在各个深度上的分布情况.表2列举了地表温度、年平均地温、多年冻土上限在两种气候变暖情景下的变化.年平均地温在冻土学上被定义为冻土年变化深度上的地温,取1016m深度上第一个温度年较差小于0.1的地温,这是考虑到冻土年变化深度在临近年份大致不变,然而经过50100a的演变后可能发生变化.需要说明的是,这里仅计算了一维平均状态下青藏高原天然多年冻土未来可能的变化,实际情况比模型复杂得多.0.02/a情形下,目前年平均地面温度T00.0的高温冻土在50a后将变成不衔接冻土;T0在0.00.5的高温冻土在100a后将退化成不衔接冻土.在0.052/a情形下,T00.5的冻土区域将退化成不衔接冻土或季节冻土;T0在0.52.5的稳定冻土100a后也将退化成不衔接冻土.这是由于环境温度的升高,多年冻土上限不断增大（表2）,最终导致暖季形成的最大融化深度在冷季不能完全冻结.表2同时表明,0.02/a增温情景下,年平均地温Tcp0.11和Tcp0.52的区域分别在50a,100a后退化成季节冻土或非冻土;0.052/a增温情景下,Tcp0.45和Tcp1.82的区域分别在50a,100a后退化成季节冻土或非冻土.第6期南卓铜等:

未来50与100a青藏高原多年冻土变化情景预测531图1气温年升温率0.02/a情景下的年平均土壤温度图2气温年升温率0.052/a情景下的年平均土壤温度532中国科学D辑地球科学第34卷SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences表2地表温度、年平均地温、多年冻土上限在气候变暖情景下的演变a）Gt=0.02/a1Gt=0.052/a10a0.50.00.51.52.53.54.50.50.50.01.52.53.54.550a1.51.00.50.51.52.53.53.12.12.61.10.10.91.9年平均地表温度/100a2.52.01.50.50.51.52.55.74.75.23.72.71.70.70a0.000.110.521.191.902.613.330.010.450.121.111.822.543.2350a0.260.000.140.721.412.122.842.630.000.000.000.581.311.98年平均地温/100a2.370.100.000.210.831.512.225.631.755.011.140.180.000.210a2.22.12.01.81.61.41.22.22.02.11.81.61.41.250a（2.0）（2.2）2.22.01.91.61.4（1.6）（2.0）（1.8）2.22.01.81.6多年冻土上限变化/m100a（1.8）（2.0）（2.1）2.22.01.81.6（1.2）（1.4）（1.3）（1.6）（1.8）3.02.2a）括号内数据表示季节冻土的季节冻结深度,其余数据表示多年冻土区的季节融化深度1）USGSGTOPO30.hHttp:

/edcdaac.usgs.gov/gtopo30/gtopo30.htmlH在环境变暖过程中并非高温冻土地区的地温变化幅度大,事实上高温地区多年冻土地温变化幅度小,这主要与冻土的相变有关.然而不大的变幅却引起多年冻土向季节冻土的质变.高温冻土往往位于多年冻土向边缘岛状冻土地带,一般地层土壤松散,含水量与有机质含量较高,容易引起融沉等冻土工程破坏.在这些地段进行冻土工程设计时必须考虑环境升温造成的可能影响,即便是50a的尺度也不容忽视.3未来未来50与与100a青藏高原多年冻土平面分布变化青藏高原多年冻土平面分布变化由南卓铜等人H15H的青藏高原年平均地温回归方程:

cp0.830.004950.63341,TE=+（14）利用GTOPO301）青藏高原1km1km分辨率的高程数据,在ESRIArcGIS8.3平台上计算青藏高原年平均地温分布现状.根据表2预测结果,介于给出的年平均地温间的值应用简单的线性内插,然后在ArcGIS栅格（Grid）模块的支持下,计算出青藏高原未来第50,100年的多年冻土平面分布.计算过程在阿尔伯兹（Albers）等积投影系下进行,确保面积不变形.结果由图3和4表示.多年冻土的界限由Tcp=0.5划定H21H.面积统计（表3）表明,目前气候背景下,青藏高原多年冻土面积约120.2104km2.如果气候按升温率0.02/a变化,50a后多年冻土面积约为109.4104km2,面积缩小约8.8%,退化主要发生在青藏高原多年冻土边缘Tcp0.11高温冻土地带,如高原多年冻土南北界、岗底斯山-念青唐古拉山片状冻土区边缘等地;此后的50a内退化主要发生在目前年平均地温为0.110.5的区域,从面积上讲变化不大,与第50a相比仅减少5.3104km2,比较明显的退化发生在念青唐古拉山附近的遗留冻土区及祁连山片状冻土区边缘;第100年的青藏高原多年冻土面积为104.1104km2,与现在相比退化面积为16.1104km2,减少13.4%.图30.02/a气候升温情景下青藏高原多年冻土变化（a）现状;（b）第50年;（c）第100年第6期南卓铜等:

未来50与100a青藏高原多年冻土变化情景预测533图40.052/a气候升温情景下青藏高原多年冻土变化（a）现状;（b）第50年;（c）第100年表3青藏高原多年冻土未来变化面积统计气候升温情景/a1多年冻土/km2季节冻土或非冻土/km2现状120214014174700.021094010152561050a后0.052103999015796200.0210409701578650100a后0.0526534471966170按升温率0.052/a,50a后青藏高原多年冻土面积为104.0104km2,退化面积为16.2104km2,百分比在13.5%左右,远大于0.02/a情景下50a后的退化,在分布上与0.02/a情景100a后的情形近似,最明显的退化仍发生在多年冻土边缘的岛状冻土区;100a后整个高原面上发生了大规模的多年冻土退化,多年冻土面积剩余65.3104km2,退化面积比例达46%,Tcp2的区域均有可能退化成季节冻土甚至非冻土.在祁连山、青南、唐古拉东端片状岛状冻土表现得尤为显著,高原面上保留的主要是羌塘高原大片连续多年冻土与极高山地多年冻土.4结论及讨论结论及讨论本文应用数值方法建立了冻土预测模型,通过内能函数求解系统内能变化,再根据内能与温度的关系得到多年冻土温度场.数值预测结果表明:

1）气候年增温0.02情形下,50a后多年冻土面积约为109.4104km2,面积缩小约8.8%,退化主要发生在青藏高原多年冻土边缘Tcp0.11高温冻土地带,100a后,冻土面积减少13.4%,目前Tcp0.5的区域可能发生退化.2）如果升温率为0.052/a,青藏高原在50a后退化13.5%,与气候年增温0.02/a经100a后情形相当,而未来100a青藏高原发生更显著的退化,整个高原面上发生大规模的退化,多年冻土退化面积达46%,Tcp2的区域均可能退化成季节冻土甚至非冻土,高原面上保留的主要是羌塘高原大片连续多年冻土与极高山地多年冻土.实际冻土工程勘探中,我们发现冻土退化不仅发生在多年冻土边缘地带,也发生在多年冻土区内的河谷融区、高平原沼泽附近,而且据现有观测,青藏高原某些点在近些年还可能有降温趋势.在本文模拟计算中,受限于高程数据的分辨率及年平均地温回归方程的精度,较小规模的河谷融区、高平原沼泽多年冻土退化及个别点的升温现象难以得到体现.但发生此类变化的区域所占面积很小,对总体青藏高原多年冻土未来变化的影响是可以忽略的.此外,根据实测地表温度变化曲线,温度总是呈波浪式正弦变化的,本文采用了简化的等时等效升温模式,可能不适合于短期多年冻土变化的准确预测,但在目前没有更准确的未来温度变化曲线,采用等时等效模式是在较长时间尺度上温度变化的一种近似.参参考考文文献献1程国栋,何平.多年冻土地区线性工程建设.冰川冻土,2001,23（3）:

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