卫星观测揭示气候变化和人类活动对青藏铁路沿线多年冻土的影响
卫星观测揭示气候变化和人类活动对青藏铁路沿线多年冻土的影响
随着社会经济发展，土地资源的需求迅速增加，脆弱地区的开发不可避免。交通需求的增加使多年冻土区对基础设施项目的需求日益迫切，但其建设往往破坏热平衡，加剧冻土退化。青藏高原作为全球海拔最高的多年冻土区，约28%的区域覆盖多年冻土，同时全球气候变化导致青藏铁路等多年冻土基础设施面临稳定性问题。本研究基于近二十年的多源遥感影像，量化了气候变化和人类活动对冻土退化的双重影响，评估了不同气候情景下的维护经济成本，为理解气候变化与冻土工程的相互作用提供了重要视角。
图1 图文摘要
青藏冻土工程走廊活动强度
通过时间序列雷达干涉测量（InSAR）技术，利用超过200景Sentinel-1A影像，获取了青藏工程廊道（QTEC）5km范围内的地表形变信息。使用近10年的中分辨率MODIS温度产品，采用TTOP模型绘制了青藏高原多年冻土分布图。将与多年冻土分布与形变速率进行对比分析（图2A和2B），发现明显形变区域主要集中在多年冻土区域。在富冰多年冻土区域，最大沉降速率达到了40 mm/ year（图2B）。在QTEC两端的季节性冻土区（图2A），冻土活动强度范围为0–10 mm/ year。在青藏高原腹地的多年冻土区，在形变速率较大的区域（超过20 mm/year）中，92%主要分布在多年冻土区（图2C），表明冻土退化对青藏铁路构成了巨大的潜在风险。
图2 青藏冻土工程走廊冻土分布与地表形变及其关系
青藏铁路长时序形变
本节主要在5km和500m两个尺度下分析青藏铁路开通前（2007-2010）和开通后（2017-2018）的冻土工程走廊的形变。发现在5km缓冲区范围内，青藏铁路开通前后两个时间段内走廊内的形变表现出一致性，表明在区域尺度上，冻土形变主要受到大气和环境因子的影响。在100m缓冲区内，在2007-2010年的观测期间冻土的形变速率相对稳定，形变范围为0 ~ -10 mm/ year。在2017-2018年间，500m范围内的多年冻土地区在多个位置出现了显著沉降，测得的沉降速率超过30 mm/ year（图3D）。这种形变差异可能与青藏铁路的建设和运营有关，这一过程破坏了多年冻土的热平衡状态，加速了部分冻土区的退化。另外，在形变结果中明显观测到，通风管、散热棒等冷却措施能够确保路基的稳定性。
图3 青藏铁路开通前后冻土退化引起的地表沉降
气候变化和人类活动对冻土的作用
多年冻土的退化通常会导致基础设施两侧（即约500m范围内）形成大小不一的热融湖。本文监测了青藏铁路沿线5km和500m缓冲区内热融湖的变化，以分别反映气候变化和人类活动的影响。过去20年间，在5km走廊内热融湖的面积并未呈现显著增加趋势。然而，在局部缓冲区（宽500m）内，青藏铁路两侧形成了大量热融湖，特别是在富冰冻土区域，表明冻土退化已经开始。利用2014年和2019年获取的两幅TerraSAR-X ST模式影像，分别检测到316个和448个热融湖。根据热融湖变化情况，可以推断北麓河地区人类活动对冻土退化的贡献超过20%，尤其是在富冰冻土区域。
图4 冻土工程5km和500m缓冲区内的热熔湖的变化
气候变化背景下冻土工程的经济损失
基于基础设施气候生命周期评估模型（ICICLE），估算了在SSP2-4.5（低温室气体排放情景）和SSP3-7.0（高温室气体排放情景）两种典型气候情景下，2020年至2069年气候变化引起的维持冻土工程设施稳定的经济成本。结果显示，在无适应性措施前提下，未来50年内气候变化导致的青藏铁路累计经济损失约分别为36.3亿美元（SSP2-4.5）和37.3亿美元（SSP3-7.0）。而在修建冻土工程路基考虑适应气候变化措施时，气候变化导致的青藏铁路累计损失同期估算约为31.9亿美元（SSP2-4.5）和32.9亿美元（SSP3-7.0），表明不同情景下主动适应措施均能够降低总成本4.4亿美元（SSP2-4.5和SSP3-7.0）。
总结与展望
本研究结合TTOP模型与时序InSAR方法，从多尺度视角解析分析了全球气候变化和人类活动对青藏铁路沿线多年冻土的影响。全球气候变化对多年冻土区域产生了显著影响，高活动性多年冻土区域主要集中在青藏铁路走廊（5km）沿线，其中超过5%的多年冻土区域因融化导致严重地面沉降（>20 mm/ year）。在未采取适应措施的情况下，气候损害对青藏铁路的影响将达到SSP2-4.5情景下的36.3亿美元和SSP3-7.0情景下的37.3亿美元。本研究为多年冻土与气候变化及人类干扰的相互作用提供了新的见解，可为其他多年冻土工程项目建设提供指导。
本文原文来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience