加拿大西北部Mackenzie Valley和Delta地区多年冻土对2023–2024年极端暖事件的响应及其与1998年暖事件的比较

《Arctic Science》：Response of permafrost to recent extreme warm conditions (2023–2024) in northwestern Canada

　　

摘要

研究人员在加拿大西北部Mackenzie Valley和Delta地区数十年（multi-decadal）变暖趋势背景下，检验了多年冻土（permafrost）对异常暖年（anomalously warm years）的响应。利用长期地温（ground temperature）、融化穿透（thaw penetration）和地表高程（ground surface elevation）监测记录，比较了1998、2023和2024年暖条件对多年冻土的影响。尽管1997–1998年被认为是一个导致显著多年冻土融化（permafrost thaw）和热岩溶（thermokarst）发育的极端暖年，但2023–2024年加拿大气温更高。2023–2024年加拿大西北部整个区域升高的地表温度（ground surface temperature）叠加约2010年以来八个暖年的累积影响，导致半数研究站点的多年冻土温度达到峰值，并在86%的研究站点出现最深平均累积融化穿透。季节和区域分析表明，2023–2024年暖事件影响在Mackenzie Valley和Delta北部区域比中部和南部区域发生得更晚。1997–1998年的极端暖条件曾被认为异常，但多年冻土景观预计将日益受到暖年影响的塑造。

研究背景方面，北部多年冻土（permafrost）环境变化迅速，加拿大西北部空气温度升高速率高于低纬度地区，并已造成多年冻土多年际升温和融化。既有认识表明，在1970年代以来的长期增暖趋势上叠加异常高气温或异常湿润条件，会显著增加地温（ground temperature）、融化穿透（thaw penetration）、地下冰融化与边坡失稳。1997–1998年暖事件曾导致加拿大西北部融化穿透加深、地表沉降、冰楔（ice wedge）融化及大量后退融冻滑塌（retrogressive thaw slumps）出现。2023和2024年再次出现类似暖年，并伴随Mackenzie River低水位、关键补给驳船取消以及2023年空前野火等环境、生态和社会影响。因此，研究人员需要在1989–2024年长期记录中定位2023–2024年暖条件，评估多年冻土热状态和物理状态响应，并与1997–1998年比较。

研究人员利用加拿大西北部Mackenzie Valley和Delta地区五个气象站气温记录，以及自1990年代初以来的地表温度、地温和融化管监测网络，分析2023和2024年暖事件。结论是：2023–2024水文年为研究区有记录最暖年，区域年平均气温（annual mean air temperature, AMAT）为?3.9 °C，高于1997–1998年的?4.0 °C；2023年夏秋为研究区有记录最暖。2023–2024年升高的地表温度叠加约2010年以来八个暖年的累积影响，使半数站点多年冻土温度达峰，并在86%站点出现最深平均累积融化穿透。北部区域响应晚于中部和南部。该研究意义在于表明，1997–1998年曾被视为异常，但未来多年冻土景观将越来越受暖年影响，进而影响社区、基础设施、生态系统和野生动物。

方法概述：数据来自加拿大环境与气候变化部五个气象站，以及加拿大地质调查局自1984年建立的Mackenzie Valley和Delta监测网络；样本队列来源包括50个监测点，其中26个地表温度站点、19个最深达20 m地温站点、14个融化管站点，分北、中、南三区。缺失气温用ERA5-Land再分析插补（r²=0.97–0.98）。研究人员按水文年计算AMAT、年空气融化度日（annual air thawing degree-days, TDDa）、年空气冻结度日（annual air freezing degree-days, FDDa）、年均地表温度（annual mean ground surface temperature, AMGST）、地表融化度日（annual surface thawing degree-days, TDDs）、地表冻结度日（annual surface freezing degree-days, FDDs）和年均地温（annual mean ground temperature, AMGT）。趋势用Mann–Kendall检验和Theil–Sen回归评估；异常暖年定义为超过区域均值1个标准差；1998、2023和2024季节差异用方差分析（analysis of variance, ANOVA）和Tukey's honest significant difference（Tukey's HSD）比较；融化管数据标准化至首次测量并评估双年变化。

结果中，Air temperature（气温）：通过五个气象站1989–2024年记录分析，2023–2024为最暖水文年，区域AMAT为?3.9 °C；相比1989–2024区域均值，AMAT高1.8 °C，TDDa高194 degree-days，FDDa低456 degree-days，融化季长6天。1997–1998为第二暖年，AMAT为?4.0 °C。2023年夏秋在五站平均为有记录最暖；2024年夏为第四暖；1998年春在五站中四站最暖。区域AMAT长期增加0.6 °C decade^?1，北部三站增加0.7–0.8 °C decade^?1，且FDDa下降211–262 degree-days decade^?1；Fort Simpson增温0.3 °C decade^?1，TDDa增加64 degree-days decade^?1。

Ground surface temperature（地表温度）：通过26个站点分析，AMGST在2022–2023排名第8暖、2023–2024排名第4暖，六个站点在两者之一达到最大。中部和南部站点AMGST在2022–2023高于2023–2024；北部因2023年秋季暖，2023–2024为第二高。1998年北部TDDs达有记录最高1244 degree-days，但2023–2024北部AMGST更高，主要因冬季更暖、FDDs更低。中部和南部1998年影响不突出。AMGST从1990年代中期至2024年增加0.6 °C decade^?1，TDDs增加169 degree-days decade^?1，FDDs下降117 degree-days decade^?1；南部增温最强，融化季长度增加6 days decade^?1。

Ground temperature（地温）：通过19个站点不同深度记录分析，2022–2023和2023–2024多数站点年均和最低地温高于其他时期。浅层AMGT在三个中部站点2022–2023创纪录，在两个北部站点2023–2024创纪录；北部2023–2024高于2022–2023，中部相反，南部两站2023–2024更高。所有深度AMGT增率可达1.21 °C decade^?1，一站在2022–2023、八站在2023–2024创纪录。最深处3.4–20 m的AMGT增率可达0.77 °C decade^?1，北部为0.33–0.51 °C decade^?1，中部变化为0.03–0.77 °C decade^?1，南部为0.10 °C decade^?1。2023–2024最深层地温在南部为有记录最高、中部第二、北部第四。

Thaw penetration and ground subsidence（融化穿透与地表沉降）：通过14个融化管分析，2024年平均累积融化穿透最深，为22.1 cm，1998年为21.0 cm，2023年为19.3 cm。2023和2024比2021和2022分别平均深3.7 cm和11.6 cm，但双年增幅低于1998。2024和2023平均地表高程低于1998，排名分别为第1、第2和第11低；2024有四个站点、2023有两个站点地表高程为有记录最低，而1998仅一个。双年沉降在2024最大，平均5.0 cm；1998第二，平均4.7 cm；2023第三，平均2.7 cm。2013–2018部分站点出现地表抬升，但2021–2024累计沉降5.4 cm。

讨论部分认为，区域持续增暖导致地表温度、地温、融化穿透和地表沉降增加；北部增温最强，与冬季FDDa下降有关，南部则更多表现为夏季TDDa增加。深层地温在多数站点显著上升，北部和中部高于南部，可能与不连续多年冻土（discontinuous permafrost）潜热效应（latent heat effects）有关。极端暖年方面，2023–2024气温高于1997–1998，其影响受2016–2019等前期暖冬和长期增暖趋势累积控制；研究期内11个异常暖年，按AMAT识别的异常暖年中六个出现在2010年后。超过40%的融化管站点在2023或2024出现最大累积沉降，深层20 m地温在2017–2024达到峰值。多数融化管站点最大融化穿透出现在2023或2024。鉴于1998年后深融可导致活动层（active layer）滑塌和后退融冻滑塌，2023年暖条件及野火可能已造成显著影响；2023年野火过火面积超过四百万公顷，火烧与气温强迫可进一步增强融化穿透和沉降。Taiga Plains近期野火与活动层增厚、多年冻土上融区（supra-permafrost talik）发育和热岩溶沼泽扩张有关，冰楔退化也可能继续并释放水量。局限包括长期监测维护成本高、站点分布偏开发项目和交通走廊、区域分布不均和缺测；局部植被、地表物质、多年冻土厚度、地下冰含量和火历史会影响响应；异常暖年采用全研究期均值1个标准差阈值；研究未直接考虑异常湿年或干年，因缺乏可靠长期降水、积雪和土壤水分数据。

结论翻译：对Mackenzie Valley和Delta地区场地气温、地表温度和地温、融化穿透及地表高程记录的分析表明，加拿大西北部多年冻土在长期增暖趋势背景下正对极端暖事件发生持续升温和融化响应。在1989–2024研究期内，1997–1998和2023–2024均为极端暖年，但2023–2024研究区AMAT（?3.9 °C）高于1997–1998（?4.0 °C），且2023年夏秋为加拿大西北部有记录最暖。约2010年以来的累积暖条件使19个站点中一半在2022–2024年深层3.4–20 m地温达峰，使14个站点中六个在2023和2024年累计沉降最大，并使14个站点中12个至2024年平均累积融化穿透最深。高AMAT使26个站点中约25%在2022–2024年AMGST最高；峰值AMGST区域不同，南部和中部2022–2023高于2023–2024，北部相反。这些区域差异反映中部和南部融化季增温更强，北部冻结季增温更强。随着气候变暖持续和异常暖事件更频繁，依赖多年冻土景观的社区、基础设施、生态系统和野生动物预计将因融化穿透增强、地表沉降和富冰多年冻土失稳而受到进一步影响。