人民網(wǎng)北京3月20日電 （記者趙竹青）近日，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院遙感與數(shù)字地球全國重點實驗室趙天杰研究員團隊，聯(lián)合北京師范大學蔣玲梅教授團隊及國內(nèi)外多家科研機構(gòu)，在凍土遙感監(jiān)測領(lǐng)域取得重要進展。該團隊成功研制并發(fā)布了全球高精度長時序凍融數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)實現(xiàn)了對全球特別是青藏高原地區(qū)凍融過程的連續(xù)、精細和長時序觀測。

土壤凍融是指土壤中的水分隨著溫度變化在固態(tài)冰與液態(tài)水之間反復變化的過程，在學術(shù)上被稱為“相變”。這一過程深刻影響著地球表層的能量平衡、水循環(huán)和碳通量，被形象地稱為地球表層的“呼吸”。凍融過程還表現(xiàn)出一定的“記憶效應(yīng)”，即前期的凍融狀態(tài)會通過改變土壤熱傳導和水文特性，影響后續(xù)的地表能量與水分分配，從而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)作用。然而，受限于觀測技術(shù)和算法性能，長期以來，科研人員一直難以在全球和區(qū)域尺度上精細監(jiān)測凍融動態(tài)變化。此次發(fā)布的全球高精度長時序凍融數(shù)據(jù)集，為深入揭示凍融變化特征及其對地球系統(tǒng)的影響提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

此次發(fā)布的數(shù)據(jù)集包含兩個部分。其中，全球近地表土壤凍融數(shù)據(jù)集（FT-HiDFA），時間跨度為2002年至2023年，空間分辨率約為5公里，可清晰呈現(xiàn)全球陸地土壤凍結(jié)與消融的動態(tài)變化。青藏高原近地表土壤凍融數(shù)據(jù)集（TP-DFA-STA），時間跨度更長，從1979年至2023年，空間分辨率約為25公里，為青藏高原近半個世紀的凍融演變提供了高一致性的歷史檔案。該團隊后續(xù)將持續(xù)進行更新迭代，以保障數(shù)據(jù)的時效性與應(yīng)用價值。

青藏高原被譽為“亞洲水塔”，其凍土的穩(wěn)定性直接影響著亞洲多條大江大河的水源涵養(yǎng)與釋放節(jié)奏。在全球變暖背景下，其多年凍土正在發(fā)生變化。基于該數(shù)據(jù)集的分析表明，自1988年以來，青藏高原地表凍結(jié)日數(shù)呈明顯減少趨勢，平均每年減少0.19天，這一變化主要由秋季凍結(jié)開始日期推遲導致。研究還發(fā)現(xiàn)，這種變化并非均勻發(fā)生：高海拔地區(qū)凍結(jié)日數(shù)的減少速率約為低海拔地區(qū)的兩倍；多年凍土區(qū)變化較季節(jié)性凍土區(qū)更為劇烈。這種以“凍結(jié)推遲、凍期縮短”為特征的變化，短期內(nèi)可能增加河流水量，但長期來看將削弱土壤的水分調(diào)蓄能力，可能對區(qū)域未來的水資源穩(wěn)定供給構(gòu)成潛在挑戰(zhàn)。上述發(fā)現(xiàn)從連續(xù)、長期的衛(wèi)星遙感視角，刻畫了青藏高原在氣候“暖濕化”背景下的凍融響應(yīng)過程，為評估寒區(qū)水資源演變趨勢、預警未來供水風險提供了科學依據(jù)。

土壤凍融循環(huán)還如同調(diào)控農(nóng)業(yè)與生態(tài)物候的“隱形開關(guān)”，其變化直接影響著春季植被返青、農(nóng)作物播種等關(guān)鍵物候節(jié)點。基于該數(shù)據(jù)集的分析發(fā)現(xiàn)，21世紀以來，北緯45度以北地區(qū)，約14.35%的區(qū)域土壤凍結(jié)持續(xù)時間明顯縮短，約9.1%的區(qū)域凍結(jié)開始日期明顯推遲。這一變化可能改變作物的適宜播種期，影響自然植被的返青時序，并重新分配生長季內(nèi)的水分與養(yǎng)分。這些精細觀測數(shù)據(jù)，為預測農(nóng)業(yè)氣候適宜性、評估生態(tài)物候變化、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了科學支撐。

此外，由土壤中水冰反復相變引發(fā)的凍融侵蝕，已成為我國高寒地區(qū)不可忽視的生態(tài)威脅。凍融過程通過周期性的凍脹（結(jié)冰時體積膨脹）與融沉（消融時體積收縮），持續(xù)破壞土壤的團聚結(jié)構(gòu)，使土壤變得松散，更容易被風吹走或被水沖走。因此，年凍結(jié)日數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)是衡量凍融侵蝕強度的兩個重要指標。數(shù)據(jù)分析顯示，青藏高原約13.26%的區(qū)域凍結(jié)日數(shù)明顯下降，局部地區(qū)降幅超過30天，且這種變化主要集中在脆弱的多年凍土區(qū)，而東南部季節(jié)性凍土區(qū)變化相對平穩(wěn)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了不同區(qū)域?qū)夂蜃兣牟町惢憫?yīng)，為精準識別凍融侵蝕高風險區(qū)、制定防治措施提供了科學依據(jù)。

除了對生態(tài)環(huán)境造成的水土流失影響，凍融循環(huán)帶來的挑戰(zhàn)還延伸至工程建設(shè)領(lǐng)域。在凍土地區(qū)修建道路、鐵路、管道等重大基礎(chǔ)設(shè)施，需應(yīng)對凍融循環(huán)引發(fā)的周期性凍脹與融沉。每當冬季來臨土壤凍結(jié)抬升，春季來臨土壤消融沉降，這種反復的“抬升-沉降”會對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)的應(yīng)力作用，威脅其長期穩(wěn)定與安全運營。此次發(fā)布的數(shù)據(jù)集總體精度達到83.78%，有助于界定多年凍土與季節(jié)性凍土的分布范圍，識別凍融交替頻繁、狀態(tài)波動劇烈的工程敏感地帶，為青藏高原及類似區(qū)域的重大工程選址、設(shè)計和長期運維提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

目前，數(shù)據(jù)集已面向全球科研用戶開放共享，助力科研人員持續(xù)觀察和理解土壤凍融這一關(guān)鍵自然過程，為應(yīng)對氣候變化、保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學數(shù)據(jù)支撐。