中旧种李(D辑)第26卷第4期SCIENCEINCHINA(SeriesD)1996年8月气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟关李述训程国栋郭东信(中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室730000)摘要应用数值方法模拟了气候持续以004℃/a速度变暖条件下,我国青藏高原多年冻土热状况可能发生的变化趋势计算结果表明,在计算所假设条件下,当初始地面年平均温度为00,一05,一15,一25,一35和一45℃时,14m深度上的年平均地温分别为一0n,一059,一152,一245,一321和一432℃,多年冻土厚度为168,290,541,797,1121和1310m时,经50a的环境持续升温后,14m深的别升高为00,00,一0度上年平均地温分36,一123,一216和一307℃;初始年平均地面温度高于一11℃衔接型变为不衔接型,低于一1的多年冻土由1℃时,多年冻土上限分,别由初始的1816,14,和12m增大为22,20,18,16m,且多年冻土厚度不发生大的变化所以,如果未来气侯以文中的速度或低于该速度变暖,50a将不会发生大的明显变内我国青藏高原多年冻土分布化关键词青藏高原多年冻土气候变暖年平均地温数值模拟由于大规模地开垦土地、砍伐森林和过量施用化肥、应用化石燃料等人为活动影响导致大气中温室气体的含量迅速增加大气中温室气体迅速增加,增强了自然温室效应,将引起地球表面和大气进一步增温,并可能对自然生态系统和人类产生不利影响间气候变化委员会(IPCC)根据各种气候变化预报模型的预测结果,对大气中COZ浓度增加1倍情况下未来全球气候变化所作的初步结论认为,下世纪全球气温每01a平均将升高03℃川地球上部分地壳上部地温状况是气候和地质、地理综合因素的产物,其中气候起着主导作用冻土与融土的根本区别在于其中水份相变所导致系统内能、物理力学和其他性质变,它们将影响地面与大气间的交换,区化多年冻土工程建筑物的稳定性及区域生态环境演化青藏高原是中、低纬度地带多年冻土面积最广、厚度最大、温度较低的地区,其气候变化不仅国东部,而且对东南候变化都可能对我亚地区乃至全球气产生影响因此,研究气候变暖条件下青藏高原多年冻土热状况变化趋势,对分析现有建筑物的稳定性和确定未来工程建筑物设计原则,以及其对区域生态变化和多年冻土的存在对气候变化可能产生的影响等都有重要意义1995一12一13收稿1996一02一20收修改稿,国家自然科学基金资助项目第4期李述训等:气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟1应用数学物理方法预测区域多年冻土热状况变化趋势可能性分析预测气候变暖对多年冻土的影响首先必须认识影响多年冻土热状况变化的因素热量在,、地层内的传播特征多年冻土演化特征及相伴产生现象的规律、、、、到达地球表面的太阳辐射受纬度大气状况和地面条件等因素制约,因此不同地理位,,置坡度和坡向地面条件等都将影响到达地面的太阳辐射和大气与地面间能量交换从而形成了气候在空间变化的纬度和高度地带性规律同时也因下垫面差异导致区域气候的不同气候空间上这种变化也导致冻土空间分布上出现地带性和非地带性并存现象使结合气候变化预报结果应用数学物理方法预测区域多年冻土变化成为可能热量在地层内的传播主要通过导热和一定条件下流体对流换热实现相同时冻土热状况取决于地层物质的热物理性质和地中热流,正由于前者,,因此在地面温度水在冻土形成和演化中起着特殊作用,,首先没有水就没有冻土;其次地层内水份相态转换通常将导致地层热物理性质,,剧烈变化这将影响热量在地层内的传播过程;第三地层内水份相变发生强烈地吸热或放热现象使通过地面进人下伏地层年热量主要消耗于多年活动层相变多年冻土在其形成和退化,,过程也是如此从而减弱了热量向深地层部传播,,,这样地层内的液态或固态水一方面为地,,层物质的组成部分另一方面通过相变吸热或放热成为引起地层内能量变化的主体,所有这,些相互影响和制约的因素构成影响冻土热状况空间分异特征的另外一组非地带性因素它们可由数学物理方程定解间题中有关条件和参数描述这正是应用数学物理方法预测多年冻土区域变化的最大优点也是与其他方法的根本区别,,,,气候变化对多年冻土热状况的影响通过大气与地面间热交换关系的变化来实现,当气候变化时可能引起植被和地面积雪的变化这将改变大气与地面间的热交换关系并引起冻2“00m观测场地的典型多年土热状况的变化〔]在我国两道河多年冻土区两个相隔约1,,冻土热状况相当于气候上几个纬度的变化类似情况在其他地区也不难见到精确预测多年冻土对气候变化的响应变得非常困难,,,,这些因素又使,为了便于分析在下面的数值模拟中我,,们假设当气温持续变暖时地面温度将以同样的幅度变化并分析地面温度升高时青藏高原不同地带多年冻土热状况的变化趋势而忽略了气候变化可能引起的其他因素变化种假设并不影响对于气候变暖条件下多年冻土热状况变化趋势的本质认识2实际上这,问题的数学描述及基本假设条件众所周知天然条件下的多年冻土温度场可用下面的微分方程定解问题近似描述_,:Tl一/“‘=T认万丁T万(,(0,t)=f()t,TI(x0)g言)()x。,八_,ToJ“I味Tl万丁x,石(二=“WT,.、了‘,,1(=t)d.。=TZ(xu万‘、产.,、,t)l二=。一一T才了.了‘了‘、产、户J.J一内入;aT一万二}dXxl1二一}JT二一几”右Z、宜一二一二}dx,l}二L)=泞(Wf,一td时W)一T一j仔、-Tl(x,t)又:d二T(xt)},=d。=T久万=dX几厂TId一X一x二久、气aTZ下一口=J=d泞L了dX(W一W)uJ‘声、一山U一卜d,中国科学(D辑)第26卷其中冬和w。;久w为冻融土的导热系数(W/m、・K);C,和cwJ/m为冻融土的热容量(k、,・℃);人3为地层干容重(kg/m);和T:为冻土和融土区的温度(℃);T、为土冻结温度(℃);w和为地层内的含水量和未冻水含量(%);x和t为空间和时间变量(mh);H为计算区域下Tl,d边界(m);右为冻和融土间的相界面(m);宁为多年冻土下限(m)为了模拟气候变暖条件下青藏高原多年冻土热状况变化趋势我们应用三层半显式有限差分格式求解了方程(1)一(5)=,l计算地层介质分为两层上层厚度H,二sm,W==7%1一,W=u3%,,yd=1600u,几*=157,久w=128,C=;=1872,,Cw=,2475;:下层厚度HH5,W6%W=、1%,yd=1600二,又f=161、,w几128、seCf=1411、Cw.=、1673__二_1__、,_T沈上卜迈界余忏)田t,二)利几w2下了}jLt“工=}}~=Hq~.分利取刀,f(t)=T,+,G,tt+Aosin些车{早8、760(g=久wGg),(6),其中二T,为初始地面年平均温度,G=04℃/08760h为气候变暖引起的地面温度增温率初始条件先根据T,,G:04℃/m为地温梯度0,AO二3℃为地面温度振幅1,和有关参数线性内)式中G插得一估值然后应用(6,二0的表达式作为上边界条件进行计算直到年变化层以下温度场基本稳定和年变化层以上相同深度上的温度值在同一时间逐年相同为止所得值作为初)计算所提出的问题始条件最后再应用边界条件(63计算结果及分析]’根据程国栋提出的青藏高原多年冻土分带草案[我们对,T,为00,一05,一15,一25,,一・35和一45℃d6的情况进行了数值计算得初始多年冻土厚度宁分别为1,8,920,45,1977,112lm和1310m,)由于冻土和融土导热系数变化引起的所计算结果表明(1:,谓温度位移现象影响在计算所取参数条件下当多年冻土与气候环境处于基本平衡条件下时多年冻土与季节冻土的,T,分界线不低于05℃;(2)与地层内不发生相变的热传导过程相,,51比〔地温振幅随深度的变化与年平均地面温度有关这就意味着在其他因素相同情况下多)地温振幅随深度增大迅速减小尤其在多年冻土的年变化层深度与地面年平均温度有关;(3,年冻土衔接性被破坏时(图1中1一T,为0℃和一05℃的曲线)地层内温度波动范围仅限于多,年冻土顶板以上一一一为了较直观地比,0510152~,、一尸.、,、勺八拓、、、、八‘凡人八六产沪~月、一~一~沪尸侧门户、声J、户、确砂一~内一较不同初始和边界条件下同一深度上的地温随时间的变化特征图1给一3叭彻叭叭尸明划沙~~洲~~~一二一卿味九认~,刀M押,~~~~一~一,。一4电叫肠M从叭刃响阴内叭姗诚一一一354。“455一一铆喃枷咖帅卿砚咖咖网卿叫脚咖咖卿时!万那月图14——TT二二一一1~胡川叭胡叫咖认。u。・、。v”一~一J协出了曲线下T,,14m深度上地温随时间的变化一图2为环境温度持续升高条件,为0a0℃和一15℃第50,a的Ts地温分布曲线变化特征出经50sm,,从图中看41m深度上的地温随时间的变化T的持续升温作用后当,00℃2一25℃——5二一05℃3T、二一35℃6——T二一二15℃为0℃时(图2(a))冻土顶板下降为T一45℃冻土衔接性被破坏季节融化层第4期-11110Oo01-里口.J砂‘、护n气‘李述训等:气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟p侧喊24681012141618p侧0一曰l-l01214161802深度/m图2不同T,条件下第50(a)Ta不同的时间地温分布曲线“0℃(b)T=一15℃6变为季节冻结层下限由初始的1,,sm,4抬升为10m在一年内环境温度变化期间虽然冻,土顶板以上地温随环境温度变化而变但多年冻土层地温始终保持冻结温度一T,为一05℃a哟地温变化特征与此相类似只是多冻土顶板的下降深度和下限向上抬的值不同将图2()235钻孔地温观测进行资料比较(图3)很与70年代中期两道河岛状多年冻土区的CK1,一p明1侧甘曰nU气戈反一一4一V2一4一___’-068101214深度/m图l3两道河196年不同时间的地温分布曲线7—5月21日2—7月20日3—9月20日4—一1巧182011月20日中国科学(D辑)第26卷明显地温分布曲线的变化特征非常相似所不同的只是在浅层,,数值模拟的分布曲线比天然,曲线更为规则和光滑,这是由于在天然条件下一年中环境温度变化虽然存在暖季和冷季但,,在具体某一段时间内的变化并不完全遵循总变化趋势从而引起浅层地温的不规则变化数值模拟模型中上边界温度为时间变量的正弦函数,,在两道河地温分布与数值模拟结果相似可能表明如果不是人为原因的话那么青藏高原多年冻土在70年代前可能至少曾经历了数十年的连续升温而且升温幅度比80年代至现在的升温幅度还要大当T等于,,一,15℃时第50,a))和有关计算结果表明多年冻土的地温分布曲线(图2(b,依然保持衔接性下限向上仅抬升了不到一0lm,上限至30m深度上的年平均地温上升为一0336℃按此推算在数值模拟所取条件下,,T、高于一,11℃时经50一,a,的持续以速度004℃,a升温后多年冻土将由衔接型变为不衔接型;当T低于/04m11℃时多年冻土保持衔接上限增大了约不同T,且多年冻土厚度未发生大的变化a:,,0条件下每隔1,)当的年平均地温结果表明(1,,T,低于一15℃,3一6m深度1上的地温增幅基本相同但随着T降低和多年冻土厚度增大深层年平均地温增温值略有增T;大当T。高于一15℃时年平均地温的增幅逐渐减小且地温越接近,,增温幅度越小,当多年冻土衔接性被破坏时在一定时间内融化夹的年平均地温增幅将可能大于相同时间内的欣众L。,丫仁籍樵数地面年平均温度增幅但冻土层的地温很快趋于均匀冻结状态的T,,值且4,尸珍裂阵公叨\\长期保持这一状态直到多年冻土层融化地温才开始升高一一作为例子图和一,给从出了T,为,一05℃25℃条件下每隔1a0的年平均地温分布曲线L“‘一,‘0图中看出第10,a、第20a和第30a两组年平均地温曲线的变化特征基本相05同只是由于多年冻土下限相变界面的影响深层地温的增温幅度迅速减小,0尸梦阵韧裂明一一一051015从第3a0开始一、一‘,,T,为一0405℃的年平均,1地温增幅(图4(a)明显小于T2为a-5℃一一一20的增幅而且第,,a,和第5040a4253。}0m深度至多年冻土下限多年冻土的到第50一41.J~~一(b)~10~一-一上一一泌03一40上~深度/m曰0—习5印—副07a-一,08-~-一--年平均地温未变但从第a期间,4m深度至季节冻结层底间融在气候,图不同T、条件下每隔10年平均地温分布曲线化夹层的年平均地温升高了,(a)T“一05℃(b)T=25℃持续变暖条件下大面积长期处于这种高温状态的多年冻土将使通过大气与地面热交换作用进入下伏地层的热量增大这可能反过来抑制气候变暖的速度所取地面温度变化50(b4))第50,,(2)按照模拟一a后地面年平均温度将升高2℃T。如果将图4中T、等于2,5℃时(图a的年平均地温曲线与为一05℃的初始年平均地温曲线进行比较可以清楚地看出年平均地温出现了非常明显滞后现象多年冻土厚度的滞后则更为明显,同样将只,第4期李述训等:气候持续变暖条件下青藏高原多年冻土变化趋势数值模拟等于一35℃和一45℃第05a的年平均地温曲线与T,为一15℃和一25℃的初始年平均地温曲线比较显示出了相同的变化特征,因此将通常应用多年冻土年平均地温估算多年冻土,,与气候环境处于平衡状态下多年冻土厚度的方法用于预测气候变暖条件下多年冻土厚度可能发生的变化是不正确的4结论(1)与根据求解没有相变的热传导方程确定温度波在地层内传播特征所得结果相比除了,,影响地层内没有相变的年变化层深度的因素外多年冻土年变化层深度依赖于地面年平均温度在多年冻土的衔接性被破坏后年变化层深度将不超过多年冻土顶板,,,,(2)由于相变的影响在气候持续变暖条件下高温区域多年冻土地温对环境变化响应的敏感程度比低温区域低而且地温越接近,,Tf,对环境变化的反应越迟钝但当多年冻土衔接性,被破坏后一定时间内融化夹层的年平均地温增幅可能超过相同时间内地面年平均温度增幅在高温多年冻土区由于冻土厚度较薄其退化速度则比低温快的多,,(3)由于构成地层物质为热的不良导体所以在气候变暖条件下多年冻土地温变化速度,,滞后于环境温度的变化速度从而导致多年冻土的温度状况与环境温度不相平衡尤其是多年冻土的厚度其滞后的时间更长,,,(4)当未来气候以文中所假设的速度持续变暖时50,a后目前青藏高原T02℃,,高于02℃,0m区域的多年冻土将退化为季节冻土;年平均地温低于厚度小于1,高于,一11℃区域的多年冻土将由衔接性退化为不衔接性;当多年冻土年平均地温低于依然保持其垂向的衔接性但上限增大约0(5)如果未来50温为一a,,一11℃时多年冻土将4m内气候以文中所假设的速度或小于该速度持续变暖根据郭东信对程:、,国栋提出的青藏高原多年冻土分类草案中各多年冻土带分布面积提供的资料中带年平均地05一一15℃厚度为30一00m的过渡型多年冻土约占青藏高原多年冻土面积的65℃、5%;下带年平均地温为030多年冻土面积的1,5一一厚度为0%一0m的不稳定型多年冻土约占青藏高原3,%当不包括不衔接型多年冻土时青藏高原多年冻土仅减少约3%;当包,括不衔接型多年冻土时减少的面积不超过30慢50a但是由于多年冻土厚度退化速度非常缓,,后形成的冻土温度带对应厚度与程国栋提出的目前各温度带多年冻土厚度相比其厚度要大的多参毛文永Gi朋dr考文献1993e文剑平hKE全球环境问题与对策eneeo北京:中国科学技术出版社oneTheinnufsonweoverthegroundthemralregimCanadiaonGeteehniealJournal198219:421一432张廷军程国栋童伯良李树德等我国阿尔泰山地区雪盖对多年冻土下界的影响冰川冻土91:19587(1)517:一36我国高海拔多年冻土地带性之探讨地理学报981439()2:851一31992库德里亚夫采夫主编工程地质研究中的冻土预报原理郭东信等译兰州兰州大学出版社
