青藏高原上土壤-大气热耦合作用的普遍减弱及其对气候变暖的响应

《Agricultural and Forest Meteorology》：Widespread weakening of soil-atmosphere thermal coupling and its response to climate warming on the Qinghai-Tibetan plateau

青藏高原土壤-大气热耦合系数β的空间异质性和时间演变规律，基于99个站点1980-2020年观测数据及机器学习分析。结果显示永冻土区β（0.42）显著低于季节性冻土区（0.50），且66.7%站点β呈减弱趋势，东部及南部高原为解耦热点区，高海拔永冻土区β增强暗示保温层退化风险。表面绝缘（夏季降水、土壤湿度）主导空间差异，而大气快速增暖与降水变化共同驱动时间趋势。

　　青藏高原（QTP）作为全球最大的非极地冰冻圈区域之一，其地表与地下之间的热耦合关系对冻土稳定性、地表能量平衡以及生态系统过程具有深远影响。然而，随着全球变暖的加速，这种热耦合关系在时间和空间上的动态变化仍缺乏深入理解。本研究利用99个站点（1980–2020年）的实地观测数据和机器学习框架，对0.1米深度的土壤-大气热耦合系数（β）进行了量化分析。研究结果表明，冻土区的热耦合显著弱于季节冻土区，证实了冻土强大的热缓冲能力。更重要的是，我们发现66.7%的站点表现出热耦合减弱的趋势，这种现象在季节冻土区尤为明显。驱动分析显示，β的空间分布主要受到夏季降雨和土壤水分对地表的保温作用影响。然而，时间趋势则由复杂的、非直观的相互作用驱动。出人意料的是，快速的气温上升反而成为热耦合增强的主要驱动因素，这可能与保温性积雪的减少有关。与此同时，趋势向更湿润的条件发展则通过增强地表保温作用，导致热耦合减弱。通过模型生成的空间显式地图，我们识别了青藏高原东部和南部出现加速解耦的热点区域，同时也发现高海拔冻土区的热耦合正在增强，这表明保护性保温作用的丧失和冻土退化的潜在风险。这些发现强调了土地-大气相互作用对气候变化的动态和非均匀响应，对青藏高原的冰冻圈、水文和生态系统具有深远影响。

青藏高原因其独特的地理位置和高海拔环境，长期以来在亚洲气候系统和水资源循环中扮演着重要角色。该地区平均海拔超过4000米，总面积约250万平方公里，其地形复杂，包括广阔的高原、主要山脉和广阔的盆地，形成了显著的地形变化。这种地理特征使得青藏高原对气候变化极为敏感，表现出远高于全球平均水平的升温速率。青藏高原的冰冻圈变化不仅影响区域水文和基础设施稳定性，还对高海拔生态系统的运行以及全球碳循环产生重要影响。因此，理解该地区土壤与大气之间的热耦合关系，对于预测未来地表热状态和参数化地表模型具有重要意义。

地表的热状态是青藏高原土地-大气系统的关键组成部分。它直接影响地表能量的分配，调节冻融过程，并决定冻土的稳定性。在青藏高原的广阔高山草甸和草场中，这些区域构成了区域畜牧业的基础。近地表的0.1米土壤层是本研究关注的重点，其中包含了大部分植物根系，并是微生物活动的主要区域。该层的温度变化直接控制着生长季的长度、养分矿化速率、水的可用性以及种子萌发，从而决定了整个生态系统的生产力和恢复力。大气温度信号向这一关键土壤层传递的效率通常被量化为土壤-大气热耦合系数（β），这一系数反映了多种地表特性的综合影响。β值越接近1，表示热传递越高效；而β值越接近0，则表明热缓冲作用越显著。已知的削弱热耦合的因素包括保温层，如积雪和植被，以及土壤水分和地表冰在相变过程中的高潜热需求。然而，对于这一热耦合强度是否保持稳定，或是否在快速气候变化的背景下发生变化，仍然是一个关键的不确定性。

在其他冰冻圈区域，如北极，已有研究关注了土壤与大气之间的热偏移（即土壤与空气温度的差异）以及近年来热耦合减弱的趋势。尽管在青藏高原已经记录了广泛的土壤升温现象，但控制这种升温过程的动态机制仍缺乏系统研究。对于青藏高原而言，一个全面且长期的β系数评估仍然不足。目前，很少有研究利用青藏高原丰富的实地观测网络，系统地量化β在不同冻土和季节冻土区域的变化情况。更关键的是，β在快速升温背景下的变化趋势以及哪些环境因素驱动这些变化，仍然是未解决的重要问题。回答这些问题对于改进未来地表热状态的预测以及参数化地表模型至关重要，因为许多地表模型通常假设土壤-大气热耦合是静态的。

本研究旨在利用青藏高原99个站点的综合观测数据，填补这一领域的知识空白。研究的具体目标包括：（1）量化0.1米深度的β在时间和空间上的分布模式，比较其在冻土区和季节冻土区的大小及近期变化趋势；（2）利用稳健的机器学习框架，识别影响β平均值空间分布及其时间趋势的关键环境驱动因素；（3）利用这些识别出的关系，绘制青藏高原范围内β的平均值及其变化趋势，提供一个区域层面的土壤-大气热相互作用变化评估。这些目标不仅有助于深入理解青藏高原的热动态，也为应对气候变化带来的影响提供了科学依据。

在研究方法上，我们采用了一系列先进的技术手段，以确保研究结果的准确性和可靠性。首先，我们利用实地观测数据，对0.1米深度的土壤温度和大气温度进行了长期记录，时间跨度为1980年至2020年。这些数据涵盖了青藏高原的广泛区域，包括不同的气候带和地貌类型，为分析热耦合的时空变化提供了坚实的基础。其次，我们采用机器学习框架，对这些数据进行了建模和分析，以识别β的空间分布模式和时间变化趋势。机器学习技术的应用使得我们能够处理大量复杂数据，并从中提取出关键的环境驱动因素。此外，我们还利用空间显式地图，对青藏高原范围内β的变化趋势进行了可视化分析，从而更直观地展示出不同区域的热耦合变化情况。

在分析过程中，我们发现β的平均值在青藏高原不同区域表现出显著的差异。例如，在冻土区，β的平均值为0.42，而在季节冻土区，β的平均值为0.50，显示出冻土区的热缓冲能力较强。这一发现进一步支持了冻土在维持地表热平衡方面的重要作用。此外，我们还发现β在时间和空间上的变化趋势具有显著的非均匀性。在66.7%的站点上，β呈现出减弱的趋势，这种现象在季节冻土区尤为明显。这表明，尽管整体上青藏高原的气温在上升，但不同区域的热耦合变化情况存在显著差异。这种差异可能与不同区域的气候条件、地表覆盖和土壤特性有关。

在驱动因素分析中，我们发现β的空间分布主要受到夏季降雨和土壤水分的保温作用影响。夏季降雨能够有效减少地表的热损失，从而增强土壤-大气之间的热耦合。而土壤水分则通过其高潜热需求，削弱了大气温度信号向土壤的传递。此外，我们还发现β的时间变化趋势受到复杂的、非直观的相互作用驱动。例如，尽管气温在上升，但这种上升趋势反而导致了热耦合的增强，这可能与积雪覆盖的减少有关。积雪作为重要的保温层，其减少会削弱土壤-大气之间的热缓冲作用，从而增强热耦合。另一方面，趋势向更湿润的条件发展则通过增强地表的保温作用，导致热耦合的减弱。这一发现表明，气候变化对热耦合的影响并非单一的，而是具有复杂的相互作用。

在空间显式地图的绘制中，我们识别了青藏高原东部和南部出现加速解耦的热点区域。这些区域的β值显著下降，表明地表与地下之间的热耦合正在减弱。同时，我们还发现高海拔的冻土区的β值正在增强，这表明保护性保温作用的丧失可能导致冻土的退化风险增加。这些发现不仅揭示了青藏高原热耦合的时空变化模式，也强调了不同区域对气候变化的响应差异。东部和南部的加速解耦可能与这些区域的气候条件和地表特征有关，而高海拔冻土区的增强耦合则可能与这些区域的高海拔环境和较强的保温作用有关。

本研究的发现对于青藏高原的冰冻圈、水文和生态系统具有重要的科学意义。首先，热耦合的减弱可能影响冻土的稳定性，进而影响区域水文循环和基础设施建设。其次，热耦合的变化可能对高海拔生态系统的生产力和恢复力产生重要影响。例如，生长季的长度和养分矿化速率的变化可能影响植被的生长和生态系统的碳循环。此外，热耦合的变化还可能影响水的可用性，进而影响区域农业和水资源管理。因此，理解这些变化对于制定有效的应对策略和政策具有重要意义。

在数据来源方面，本研究的数据主要来自青藏高原的实地观测网络。这些数据包括气象观测和土壤温度数据，由中国的气象局提供，并可用于非商业研究。此外，我们还利用了其他公开可用的数据集，如ERA5-Land、GIMMS NDVI3g.v1和MODIS MOD13C2 v6等，以确保研究结果的全面性和可靠性。这些数据集提供了丰富的气候和生态信息，为分析热耦合的时空变化提供了坚实的基础。

本研究的结论不仅揭示了青藏高原土壤-大气热耦合的动态变化，也强调了不同区域对气候变化的响应差异。这些发现对于理解青藏高原的冰冻圈、水文和生态系统具有重要的科学意义。首先，冻土区的热缓冲能力较强，这可能有助于维持地表的热平衡，但同时也可能导致冻土的退化风险增加。其次，季节冻土区的热耦合变化趋势更为显著，这可能与这些区域的气候条件和地表特征有关。此外，东部和南部的加速解耦可能对区域农业和水资源管理产生重要影响，而高海拔冻土区的增强耦合则可能对冰冻圈的稳定性产生重要影响。

总的来说，本研究通过综合观测数据和机器学习框架，揭示了青藏高原土壤-大气热耦合的动态变化及其驱动因素。这些发现不仅有助于深入理解青藏高原的热动态，也为应对气候变化带来的影响提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨这些变化对生态系统和人类活动的具体影响，以及如何通过有效的管理措施来减缓这些变化。同时，研究结果也为改进地表模型和预测未来地表热状态提供了重要的参考。青藏高原的热耦合变化不仅影响该地区的生态和水文，还可能对全球气候系统产生重要影响，因此，这一研究具有重要的全球意义。