中国东北地区永久冻土热状态演化的阶段性转换与多路径空间重组特征

《Scientific Reports》：Thermal-state transition pathways and spatial differentiation of permafrost in Northeast China

　　

摘要

中国东北地区永久冻土的冻土热状态演化表现出显著的阶段性转换和多路径特征。区域主导方向由早期的向低热等级调整转变为后期的向高热等级调整，并伴随等级持久、渐变、方向逆转及局部空间重组等特征。本文基于2003年至2021年四个时段的30 m冻土温度产品，在四个时段共同有效像元范围内，构建了PTC-2至PTC-15的等级序列。通过结合相邻时段间的转移矩阵、四时段轨迹分类、10 km面积占比场以及空间误差模型，分析了冻土热状态转变路径、PTC-13等级的空间重组及其与环境因素的关联。结果表明，从2003–2007年到2008–2012年，维持原等级或向相邻低等级转变的像元比例分别为57.7%和38.9%；随后两个阶段中，向相邻高等级转变的比例分别为52.8%和25.3%，跨越两个或以上等级的转变未超过1.72%。PTC–13等级的面积先增加32.1%，随后分别减少29.3%和20.2%。在30%参考阈值下，其高占比PTC–13面积从4.208×10⁴ km²扩展至1.151×10⁵ km²，随后缩减至2.378×10⁴ km²和3.506×10³ km²。进出分解分析表明，初期阶段以高留存率下的扩张为主，随后两个阶段转为退出主导的快速收缩。Jaccard指数分别降至0.20和0.12，而周转强度分别增至0.67和0.79。质心方向随面积占比阈值变化，表明变化主要表现为空间重组而非稳定迁移。基于冻土热状态变化幅度与频率的轨迹划分结果显示，持久型、过渡型和高动态型冻土热状态轨迹区的占比分别为57.20%、40.18%和2.62%。长期气候均值与冻土热状态轨迹差异的关联性强于与年际气候波动的关联性。经环境校正后，不同冻土热状态轨迹区的平均NDVI未见稳定差异，但NDVI的年际变异性随轨迹动态程度增加而增大。研究揭示了东北地区共同有效永久冻土区内冻土热状态变化的格局，其特征为阶段性转换、多路径演化及异质性空间重组，为区域冻土热状态比较及后续监测目标的识别提供了可重复的分析框架。