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2022年夏季热浪导致青藏高原中部永久冻土层迅速变暖
研究背景 ▼
永久冻土被定义为温度低于0 °C 且持续至少两年的土壤或岩石体，短期极端事件对永久冻土环境也有重大影响，尤其是在当前极端高温和热浪的频率和强度逐渐增加的趋势下。世界气象组织 （WMO） 将热浪定义为每日最高温度至少连续五天超过平均最高温度 5 °C 以上。
现有关于极端事件对多年冻土环境影响的研究主要集中在以下三个方面，包括对多年冻土变化的影响、致灾机制和生态系统过程。首先，极端高温事件不仅会导致地表温度升高和地冰融化，而且还诱发了雪旱或野火事件，显著改变了缓冲层对永久冻土热状态的影响过程。此外，在温度敏感的富含高山冰的永久冻土区，已经观察到极端高温或热浪会通过融化浅层地冰和削弱边坡稳定性来引发落石、边坡崩塌和山体滑坡等。
2022年夏天，北半球许多地区出现了前所未有的极端高温或超过40 °C的热浪，部分地区气温比过去同期平均水平高2至4 °C，这可以作为理解上述影响过程和机制的典型案例。
本研究以青藏高原中部多年冻土区（QTP）为研究区。使用了来自6个活动层和3个永久冻土的长期监测数据。结合实地调查和再分析数据，重点关注以下目标：（1）研究区域在2022年是否也经历了夏季热浪？（2）如果是这样，活动层和永久冻土是否由于极端条件吸收了更多的热量，导致活动层更厚或永久冻土温度更高？在整个研究区域观察到的响应是否存在显著差异？（3）这些热浪事件对活动层的季节性解冻深度有多大影响？
研究数据和方法 ▼
（1） 数据来源
① ERA5-Land再分析数据集：使用了1961-2022年的ERA5-Land再分析数据集，包括地面温度数据、地表融化深度数据（DDT）用于评估青藏高原地区多年冻土状态和动态。
② 地下温度数据、活动层厚度数据（ALT）、年平均地面温度数据（MAGT）、土壤湿度数据等数据来源于中国科学院青藏高原研究所冻土研究站。
③ 其他数据：植被覆盖度数据、生物量数据、土壤有机质含量数、地形数据等用来分析活动层厚度的影响因素。
（2）研究方法
① 在本研究中，由于某些年份原位土壤温度数据缺失，无法判断一些活动层位点的 ALT。因此，我们使用 Stefan 模型和 ERA5 Land 再分析数据来估计 2000-2022 年期间 6 个活动层站点在缺失数据年份的 ALT。Stefan 模型已被广泛用于估计 QTP 中的 ALT。解冻日数（DDT）是累计正温日数。E是引入的一个土壤因子。
② MAGT的多元线性回归分析：本文以 DDT（解冻日数） 和 DDF （冻结日数）作为自变量，MAGT 作为因变量进行了多元线性回归分析。需要注意的是，植被、积雪、土壤质地和土壤水分也是影响 MAGT 的关键因素。
③ 采用 Pearson 相关分析方法估计相关系数 （R）。使用最小二乘法定量估计线性趋势。Mann-Kendall 检验用于确定变化趋势的显著性水平。均方根误差 （RMSE） 和平均绝对误差 （MAE） 分别用于定量评估现场观测和 ERA5 Land 温度数据、观测 ALT 和模拟 ALT 之间的差异。
重要图表 ▼
研究结论 ▼
1. 青藏高原中部 （QTP） 的永久冻土区在 2022 年经历了夏季热浪。四个活动层位点在 2022 年经历了最大的活动层厚度 （ALT）（平均值：207.7 厘米），比 2000-2021 年的平均 ALT 高出 20%（平均值：175.9 厘米）。2022 年观测到的年平均地温 （MAGT） 也是最高的，比往年的平均水平高出 10%。
2. 通过简化Stefan模型对活动层厚度的模拟显示，模拟值与观测值之间的相关系数为0.9，均方根误差为12.96厘米，平均绝对误差为10.31厘米，表明模型具有足够的可靠性。通过Stefan模型量化了热浪对活动层季节性融化深度的贡献，结果显示热浪对融化深度的贡献比例在6.6%到13.6%之间，其中2022年的贡献比例最大。
3. 多年冻土区域的土壤温度和融化深度受到气候、植被、土壤和地形等多种因素的影响。未来活动层监测需要考虑活动层厚度和地面沉降的综合变化，以更好地理解极端事件对多年冻土环境的影响过程和机制，并改进多年冻土模型。
小编说 ▼
该文章题目为“Summer heat wave in 2022 led to rapid warming of permafrost in the central Qinghai-Tibet Plateau”，于2024年发表在《npj Climate and Atmospheric Science》，IF=8.5。
引用：Zhu, X., Wu, T., Chen, J. et al. Summer heat wave in 2022 led to rapid warming of permafrost in the central Qinghai-Tibet Plateau. npj Clim Atmos Sci 7, 216 (2024).
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本期编辑：邬欣阳
本期文案：邬欣阳
