北半球冻融循环加速：基于站点观测与遥感数据的缩短解冻-冻结间隔期研究

本研究针对北半球季节性冻融(FT)循环参数被遥感产品低估、冻融间隔(TI/FI)变化机制不明等问题，通过整合FT-ESDR遥感数据与站点土壤温度观测，系统评估了冻融参数精度并首次揭示了地表解冻-冻结过程的加速现象。研究发现FT-ESDR产品对冻融持续时间(TD/FD)、起止时间(SOT/EOT/SOF/EOF)等参数存在系统性低估，且不同植被类型下冻融状态分类精度差异显著。创新性提出15天移动窗口法计算的TI/FI参数显示缩短趋势，证实气候变暖通过改变气温加速了地表相变过程。该成果为理解冻土退化机制及改进遥感冻融产品提供了重要依据。

　　

在全球变暖背景下，北半球多年冻土和季节性冻土正经历显著退化，这些区域的冻融(Freeze-Thaw, FT)循环过程深刻影响着生态系统碳循环、植被生长和地表水文过程。然而现有研究存在两大瓶颈：一方面，应用最广泛的FT-ESDR遥感产品（基于1979-2021年微波亮温数据）虽覆盖全球，但其对冻融参数的量化精度缺乏系统评估；另一方面，传统研究多关注冻融起止日期和持续时间，却忽视了冻融间隔(Thawing Interval/Freezing Interval, TI/FI)这一能反映相变动态的关键参数。

甘肃主要科技项目团队通过整合FLUXNET等观测网络的土壤温度数据与FT-ESDR产品，首次实现了北半球地表冻融循环的多维度解析。研究采用15天移动窗口法创新性提取TI/FI参数，发现遥感数据对解冻持续时间(Thawed Duration, TD)、冻结持续时间(Frozen Duration, FD)等7个核心参数普遍存在低估现象，尤其在森林区域差异最大——这与植被冠层对微波信号的干扰有关。更重要的发现是，64.7%的站点呈现TI/FI同步缩短趋势，表明地表相变过程正在加速。这种加速现象与对应时期气温变化显著相关：解冻期气温每升高1°C，TI缩短1.2天；而冻结期气温降低则导致FI缩短0.8天。

关键技术包括：1) 基于土壤温度阈值法（0°C±0.5°C）从站点数据提取每日冻融状态；2) 采用混淆矩阵评估FT-ESDR产品精度；3) 通过Mann-Kendall趋势检验分析参数变化；4) 结合CRU气温数据解析气候驱动机制。

【研究结果】

1. FT-ESDR数据集验证
   • 站点验证显示75.3%位点匹配度>70%，但森林区域精度降低11.2%（图2c）
   • 产品对TD低估13.4天，对FD高估9.8天（表2）

2. 冻融参数时空变化
   • 多年冻土区TD每十年增加4.7天，FD减少6.3天（p<0.01）
   • 农业用地TI缩短速率（-0.34天/年）显著高于苔原（-0.12天/年）

3. 冻融间隔变化机制
   • TI缩短站点中82%伴随解冻期气温上升（R²=0.63）
   • FI缩短与冻结期气温下降呈非线性关系（阈值-5°C）

【结论与意义】
该研究首次量化了FT-ESDR产品对多参数的偏差模式，指出其在森林生态系统应用需谨慎。提出的TI/FI新指标揭示了冻融过程加速现象，这一发现为理解气候-冻土相互作用提供了新视角：加速的相变过程可能通过改变土壤水分运移速率，进而影响春季物候和甲烷排放峰值时间。研究强调未来冻融产品开发需融合多源遥感数据（如SMAP L波段），并建立植被类型依赖的校正模型。成果对寒区工程稳定性评估和碳循环建模具有重要指导价值。