Будущие глобальные годовые наборы данных о распространении промерзших грунтов на основе модели Frost Number с коэффициентом Каппа

Почему промерзший грунт под нашими ногами имеет значение

Глубоко под снегом и тундрой Арктики, а также высоко в горных хребтах от Гималаев до Анд находится грунт, который остается замерзшим год за годом. Этот скрытый слой, называемый промерзшим грунтом, удерживает воду, формирует ландшафты, поддерживает здания и дороги и хранит огромные запасы углерода. По мере потепления планеты эта ледяная основа начинает оттаивать, что влечет за собой последствия для экосистем, инфраструктуры и климата. Исследование, кратко изложенное здесь, представляет один из наиболее подробных прогнозов на сегодняшний день о том, как изменится промерзший грунт Земли в течение остатка этого столетия, давая учёным, планировщикам и сообществам более ясное представление о грядущих переменах.

Более пристальный взгляд на мировой промерзший грунт

Промерзший грунт не однороден. Часть почвы или породы остается замерзшей непрерывно по крайней мере два года и более, в других районах грунт промерзает и оттаивает по сезонам, а где‑то замерзает лишь кратковременно. В совокупности эти типы промерзшего грунта в настоящее время покрывают значительную часть суши Северного полушария, включая Сибирь, Аляску, северную Канаду, высокое Тибетское нагорье, Альпы и части Анд. Когда такой грунт меняется, это может нарушать местные водные ресурсы, дестабилизировать склоны и здания и высвобождать древний углерод, что может дополнительно усиливать потепление. Прогнозировать же, где именно промерзлый грунт сохранится, а где исчезнет, было сложно, потому что это зависит от тонких деталей годового температурного режима, а не только того, насколько холодны зимы.

Создание лучшего «термометра» для подпочвы

Авторы решают эту задачу, уточнив относительно простой, но мощный инструмент, известный как модель Frost Number. Вместо того чтобы моделировать каждый физический процесс в почве, модель использует длительность и интенсивность того, как долго воздух год за годом держится ниже или выше точки замерзания, чтобы оценить, остается ли грунт под поверхностью замерзшим. Ключевой компонент — числовой порог, который определяет, считать ли участок постоянно, сезонно или лишь кратковременно замерзшим. В прошлых работах этот порог часто выбирали несколько произвольно, что ограничивало точность. В этой работе исследователи систематически проверяли множество возможных значений порога по сравнению с современными картами промерзшего грунта высокого разрешения, созданными на основе спутниковых данных, полевых измерений и других источников. Они использовали статистическую меру, называемую коэффициентом Каппа, чтобы найти пороги, которые лучше всего соответствуют реальности, отдельно подбирая их для высоких широт и высокогорных регионов, а также для трёх основных категорий промерзшего грунта.

От климатических моделей к детализированным картам будущего

После определения оптимальных порогов команда обратилась к климатическим проекциям от последнего поколения глобальных моделей (CMIP6). Вместо использования необработанных выходных данных моделей они опирались на тщательно скорректированный и даунскейлинговый набор данных, который обеспечивает ежедневные значения температуры воздуха на точной глобальной сетке примерно с разрешением четверть градуса. С 1950 по 2099 год они вычисляли годовые индексы замерзания и оттаивания в каждой ячейке сетки, преобразовывали их в индикатор промерзания и затем классифицировали каждое место как постоянно промерзшее, сезонно промерзшее, периодически промерзшее или не промерзшее. Этот процесс повторили для четырёх различных будущих сценариев — от резкого сокращения выбросов и климатических мер до сценария с высокими выбросами и ограниченным смягчением — создав полный набор годовых глобальных карт, которые теперь доступны публично.

Что карты показывают о мире, который нагревается

Полученная картина сурова. Независимо от рассматриваемого пути развития, площади, лежащие над долго сохраняющимся промерзшим грунтом, заметно сокращаются в течение столетия, тогда как территории, промерзающие только сезонно или кратковременно, расширяются. К середине столетия прогнозируется от примерно одной пятой до почти одной трети нынешних территорий с длительно замерзлым грунтом, которые оттают, в зависимости от сценария. К концу столетия потери становятся еще более значительными: в условиях наибольших выбросов около трех пятых глобальной площади постоянно промерзшего грунта исчезает. Самые драматические изменения происходят вдоль южных границ современной арктической зоны вечной мерзлоты и в высокогорных регионах, таких как Тибетское нагорье, где большая часть долго замерзшего грунта превращается в сезонно промерзающие почвы. Сценарии с меньшими выбросами по‑прежнему показывают существенные потери, но темпы отступления медленнее, и сохраняющаяся площадь промерзшего грунта больше.

Использование новых карт для подготовки к изменениям

Чтобы убедиться в надежности подхода, авторы сравнили свои исторические реконструкции с несколькими независимыми картами промерзшего грунта для России, Канады и широкой Арктики, найдя сильное согласие как по площади, так и по пространственным закономерностям. Поскольку полученный набор данных охватывает всю планету с относительно высоким разрешением и простирается на 150 лет, он теперь может служить общей отправной точкой для многих типов исследований. Гидрологи могут использовать его, чтобы изучать, как могут измениться стоки рек и подземные воды; экологам он поможет изучить, как изменения циклов замерзания–оттаивания влияют на растительность и фауну; инженеры смогут определить, где дороги, трубопроводы и здания находятся в наибольшем риске; а климатологи — лучше оценить, сколько углерода может быть высвобождено из оттаивающих почв. Для неспециалистов главный вывод ясен: промерзший грунт — это не далёкое любопытство под полярной тундрой. Это хрупкая, чувствительная к климату основа нашей планеты, которая уже меняется, и наши решения по будущим выбросам во многом определят, сколько её нам удастся сохранить.

Цитирование: Pan, X., Li, H. & Nie, X. Future global annual frozen ground distribution datasets based on Frost Number Model with Kappa coefficient. Sci Data 13, 561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06918-9

Ключевые слова: вечная мерзлота, промерзший грунт, изменение климата, потепление Арктики, Тибетское нагорье