气候变化对青藏高原多年冻土及工程稳定性的影响

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冻土是陆地冰冻圈分布最广泛的因子,青藏高原是全球中低纬度冻土分布最广泛的地域单元[1]。青藏高原多年冻土具有温度高、厚度薄、对气候变化敏感等特点,在全球气候变暖的背景下,气候变化对青藏高原多年冻土的影响日渐突出。因此,了解气候变化对青藏高原多年冻土及冻土区工程稳定性的影响有着重要的意义。本论文拟利用长时间序列,高分辨率气象数据和冻土监测数据,开展气候变化对青藏高原多年冻土影响的研究,分析了气候变化对年平均地温和冻土分布,活动层厚度及热融灾害的影响。在此基础上,分析气候变化对多年冻土工程稳定性的影响,给出了气候变化下青藏高原冻土工程稳定性分区。这些结果为考虑气候变化的冻土工程设计提供了科学依据。通过研究,得到以下几方面的研究结论:  1.利用“中国区域地面气象要素数据集”的气温和降水数据,对1981-2010年青藏高原气候变化的时空演化特征进行研究。过去30年,年平均气温升高了0.49℃,气温增温率为0.50℃/10y,1990年代的增温率最大,气候变化最为剧烈。青藏高原气候变暖主要是冬季气温升高引起的,夏季气温变化的贡献较小。冬季降水量和年平均降水均呈现出增加的趋势,在30年中,年平均降水增加了67.72mm,降水增加率为3.38mm/y,但是夏季降水变化趋势不明显。  2.分析了年平均地温与年平均气温、向下长波辐射、降水大陆度和坡向的关系,提出了新的年平均地温-气温模型,用来模拟青藏高原冻土年平均地温和多年冻土的分布和演化。在过去30年中,青藏高原冻土年平均地温显著增加,增加趋势具有显著的时空差异。多年冻土逐渐退化,30年冻土退化面积为2.48×105km2,面积减少率为1.26×104km2/y。多年冻土对气候变化响应在1980年代之后变得更加明显。多年冻土退化主要发生在多年冻土区边缘和青藏高原的中部地区。在气候变化的背景下,极稳定型、稳定型、亚稳定型和过渡型多年冻土逐步转变为不稳定型多年冻土,甚至是季节冻土。  3.利用Stefan公式计算了青藏高原30年多年冻土区活动层厚度变化,分析了气候变化对于活动层厚度的影响。青藏高原多年冻土区活动层厚度平均为2.39m,活动层厚度在羌塘盆地最小,由羌塘盆地向四周增大,活动层厚度在多年冻土区与季节冻土区交界处最大。在西昆仑山区、念青唐古拉山、祁连山区活动层厚度较大。在气候变化背景下,青藏高原多年冻土区活动层厚度出现了整体增大的趋势,局部有减小趋势。在过去30年中,活动层厚度的变化量为-1.54~2.24m,平均增大了0.16m,变化率为-5.90~10.13cm/y,平均每年变化1.30cm,1990年代活动层厚度变化率最大。多年冻土活动层厚度减小区域主要分布在高原中西部区域,而多年冻土其他区域则呈现增加的趋势。活动层增厚趋势与年平均气温增大的趋势基本一致,气候变化对活动层厚度的变化有很大的影响。  4.利用融沉指数模型,给出了青藏高原30年的热融灾害危险性分区,分析了气候变化对热融灾害的影响。在气候变化背景下,热融灾害稳定区的面积在30年内呈现减少的趋势,中危险区面积有所增加,稳定区可能转变为中危险区。热融灾害高危险区30年面积减少了0.13×106km2,其变化率为-0.076×106km2/10y。中危险区面积呈现出增加的趋势,面积增加了0.12×106km2,其变化率为0.020×106km2/10y。低危险区面积减少了0.03×106km2,其变化率为-0.037×106km2/10y。热融灾害稳定区面积呈减少趋势,30年减少了0.18×106km2,其变化率为-0.019×106km2/10y。  5.通过分析冻土工程稳定性的主要影响因素,建立青藏高原工程稳定性评价指标体系,对青藏高原多年冻土工程稳定进行区划评价,并给出青藏高原工程走廊内线性工程的稳定性分区,讨论了气候变化对于工程稳定性的影响。随着气候变化,工程稳定性也随之而发生变化,工程稳定性极差的区域呈现出增加的趋势,增加的速率为0.038×106km2/10y;而工程稳定性较差、工程稳定性一般和工程稳定性较好的区域逐渐减小,减少的速率分别为0.016×106km2/10y、0.109×106km2/10y和0.025×106km2/10y,可以看出,在气候变化的背景下,工程稳定性较好、工程稳定性一般和工程稳定性较差的区域逐渐转化为工程稳定性极差的区域,变化最快是工程稳定性一般的区域。工程走廊内大部分为工程稳定性较差的区域,在30年中,工程稳定性极差的区域出现增长的趋势,增加的速率为0.0204×104km2/y;而工程稳定性较差、工程稳定性一般和工程稳定性较好的区域逐渐减小,减少的速率分别为0.0275×104km2/y、0.0497×104km2/y和0.0026×104km2/y。
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