基于带有Kappa系数的霜数模型的未来全球年际冻结土分布数据集

我们脚下的冻结土为何重要

在北极的雪地与苔原之下深处，以及从喜马拉雅到安第斯的高山之巅，都存在着多年保持冻结的土层。这一隐藏的层位称为冻结土，它锁住水分、塑造地貌、支撑建筑和道路，并储存了大量碳。随着地球变暖，这个被冻结的基础开始融化，进而影响生态系统、基础设施和气候。本文所述研究提供了迄今为止最详尽的预测之一，描绘了本世纪余下时间内地球冻结土的演变，为科学家、规划者和社区提供了更清晰的前景。

更近距离地观察全球冻结土

冻结土并非一致。部分土壤或岩石连续冻土至少两年或更长，而另一些地区则随季节冻融，仍有部分仅短暂冻结。这些冻结土类型目前在北半球陆地表面占有很大比例，包括西伯利亚、阿拉斯加、加拿大北部、青藏高原高地、阿尔卑斯山和安第斯山的部分地区。当这些冻结土发生变化时，会扰动当地水资源、使山坡和建筑失稳，并释放古老的碳，从而可能进一步加剧气候变暖。然而，要准确预测冻结土会在何处持续或消失一直很困难，因为这取决于全年温度的微妙细节，而不仅仅是冬季有多冷。

为地下建立更好的“温度计”

作者通过改进一种相对简单但有效的工具——霜数模型，来应对这一挑战。该模型不是模拟土壤中的所有物理过程，而是利用每年空气持续在冰点以下或以上的时长与强度，来估算地下是否保持冻结。关键要素是一个数值截断值或阈值，用以决定某地是否被归类为永久冻结、季节性冻结或仅短暂冻结。过去的研究常常多少带有随意性地选择这一阈值，限制了准确度。在这项工作中，研究者系统地将多种可能的阈值与由卫星、实地观测及其他数据构建的现代高分辨率冻结土图进行对比检验。他们使用一种称为Kappa系数的统计量来找到最符合现实的阈值，并分别为高纬度区域与高山区域及三类主要冻结土类别进行独立调优。

从气候模型到未来的详细地图

在确定最佳阈值后，研究团队转而采用最新一代全球模型（CMIP6）的气候预测。他们没有直接使用原始模型输出，而是依赖经过精心校正和下尺度化的数据集，该数据集在全球精细网格上提供逐日空气温度，分辨率约为四分之一度。从1950年到2099年，他们在每个网格单元计算年度冻结与解冻指数，将其转换为霜指示器，然后将每个地点分类为永久冻结、季节性冻结、间歇冻结或不冻结。他们在四种不同的未来情景下重复这一过程，这些情景从大幅减排和积极气候行动到减缓有限的高排放路径不等，生成了一整套年度全球地图，并已公开提供。

地图揭示的变暖世界

所得图景令人触目惊心。无论考虑哪个未来路径，本世纪内长期冻结土覆盖的区域均显著收缩，而仅季节性或短暂冻结的地区则扩大。到本世纪中叶，大约五分之一到近三分之一的现有长期冻结地带预计将解冻，具体数值取决于情景。到本世纪末，损失进一步加剧：在最高排放路径下，约三分之二的全球永久冻结土消失。最剧烈的变化出现在今日北极永久冻土带的南缘及青藏高原等高山地区，许多长期冻结的土壤转变为仅季节性冻结。较低排放情景下的损失仍然可观，但退缩速度较慢且剩余的冻结区域更大。

利用新地图为变化做准备

为确保方法可信，作者将其历史重建与俄罗斯、加拿大及更广泛北极地区的若干独立冻结土图进行了比较，发现面积和空间格局均高度一致。由于该数据集以相对高的分辨率覆盖全球并跨越150年，它现在可作为多种研究的共同参考。水文学家可以用它来探讨河流流量与地下水可能的变化；生态学家能研究冻融模式变化对植被与野生动植物的影响；工程师可以识别道路、管线与建筑最易受损的地区；气候科学家则能更好地估算解冻土壤可能释放的碳量。对于非专业读者，主要信息很明确：冻结土并非极地苔原下的遥远奇观。它是一个脆弱且对气候敏感的地球基础，已经在发生变化，我们对未来排放的选择将强烈影响我们能保留多少这样的冻结土。

引用: 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

关键词: 永久冻土, 冻结土, 气候变化, 北极变暖, 青藏高原