我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)布全球高精度長(zhǎng)時(shí)序凍融數(shù)據(jù)集
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人民網(wǎng)北京3月20日電 (記者趙竹青)近日,中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感與數(shù)字地球全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙天杰研究員團(tuán)隊(duì),聯(lián)合北京師范大學(xué)蔣玲梅教授團(tuán)隊(duì)及國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu),在凍土遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)成功研制并發(fā)布了全球高精度長(zhǎng)時(shí)序凍融數(shù)據(jù)集,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球特別是青藏高原地區(qū)凍融過(guò)程的連續(xù)、精細(xì)和長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)。
土壤凍融是指土壤中的水分隨著溫度變化在固態(tài)冰與液態(tài)水之間反復(fù)變化的過(guò)程,在學(xué)術(shù)上被稱為“相變”。這一過(guò)程深刻影響著地球表層的能量平衡、水循環(huán)和碳通量,被形象地稱為地球表層的“呼吸”。凍融過(guò)程還表現(xiàn)出一定的“記憶效應(yīng)”,即前期的凍融狀態(tài)會(huì)通過(guò)改變土壤熱傳導(dǎo)和水文特性,影響后續(xù)的地表能量與水分分配,從而對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)作用。然而,受限于觀測(cè)技術(shù)和算法性能,長(zhǎng)期以來(lái),科研人員一直難以在全球和區(qū)域尺度上精細(xì)監(jiān)測(cè)凍融動(dòng)態(tài)變化。此次發(fā)布的全球高精度長(zhǎng)時(shí)序凍融數(shù)據(jù)集,為深入揭示凍融變化特征及其對(duì)地球系統(tǒng)的影響提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
此次發(fā)布的數(shù)據(jù)集包含兩個(gè)部分。其中,全球近地表土壤凍融數(shù)據(jù)集(FT-HiDFA),時(shí)間跨度為2002年至2023年,空間分辨率約為5公里,可清晰呈現(xiàn)全球陸地土壤凍結(jié)與消融的動(dòng)態(tài)變化。青藏高原近地表土壤凍融數(shù)據(jù)集(TP-DFA-STA),時(shí)間跨度更長(zhǎng),從1979年至2023年,空間分辨率約為25公里,為青藏高原近半個(gè)世紀(jì)的凍融演變提供了高一致性的歷史檔案。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)將持續(xù)進(jìn)行更新迭代,以保障數(shù)據(jù)的時(shí)效性與應(yīng)用價(jià)值。
青藏高原被譽(yù)為“亞洲水塔”,其凍土的穩(wěn)定性直接影響著亞洲多條大江大河的水源涵養(yǎng)與釋放節(jié)奏。在全球變暖背景下,其多年凍土正在發(fā)生變化?;谠摂?shù)據(jù)集的分析表明,自1988年以來(lái),青藏高原地表凍結(jié)日數(shù)呈明顯減少趨勢(shì),平均每年減少0.19天,這一變化主要由秋季凍結(jié)開始日期推遲導(dǎo)致。研究還發(fā)現(xiàn),這種變化并非均勻發(fā)生:高海拔地區(qū)凍結(jié)日數(shù)的減少速率約為低海拔地區(qū)的兩倍;多年凍土區(qū)變化較季節(jié)性凍土區(qū)更為劇烈。這種以“凍結(jié)推遲、凍期縮短”為特征的變化,短期內(nèi)可能增加河流水量,但長(zhǎng)期來(lái)看將削弱土壤的水分調(diào)蓄能力,可能對(duì)區(qū)域未來(lái)的水資源穩(wěn)定供給構(gòu)成潛在挑戰(zhàn)。上述發(fā)現(xiàn)從連續(xù)、長(zhǎng)期的衛(wèi)星遙感視角,刻畫了青藏高原在氣候“暖濕化”背景下的凍融響應(yīng)過(guò)程,為評(píng)估寒區(qū)水資源演變趨勢(shì)、預(yù)警未來(lái)供水風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。
土壤凍融循環(huán)還如同調(diào)控農(nóng)業(yè)與生態(tài)物候的“隱形開關(guān)”,其變化直接影響著春季植被返青、農(nóng)作物播種等關(guān)鍵物候節(jié)點(diǎn)?;谠摂?shù)據(jù)集的分析發(fā)現(xiàn),21世紀(jì)以來(lái),北緯45度以北地區(qū),約14.35%的區(qū)域土壤凍結(jié)持續(xù)時(shí)間明顯縮短,約9.1%的區(qū)域凍結(jié)開始日期明顯推遲。這一變化可能改變作物的適宜播種期,影響自然植被的返青時(shí)序,并重新分配生長(zhǎng)季內(nèi)的水分與養(yǎng)分。這些精細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù),為預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)氣候適宜性、評(píng)估生態(tài)物候變化、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了科學(xué)支撐。
此外,由土壤中水冰反復(fù)相變引發(fā)的凍融侵蝕,已成為我國(guó)高寒地區(qū)不可忽視的生態(tài)威脅。凍融過(guò)程通過(guò)周期性的凍脹(結(jié)冰時(shí)體積膨脹)與融沉(消融時(shí)體積收縮),持續(xù)破壞土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu),使土壤變得松散,更容易被風(fēng)吹走或被水沖走。因此,年凍結(jié)日數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)是衡量?jī)鋈谇治g強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)分析顯示,青藏高原約13.26%的區(qū)域凍結(jié)日數(shù)明顯下降,局部地區(qū)降幅超過(guò)30天,且這種變化主要集中在脆弱的多年凍土區(qū),而東南部季節(jié)性凍土區(qū)變化相對(duì)平穩(wěn)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了不同區(qū)域?qū)夂蜃兣牟町惢憫?yīng),為精準(zhǔn)識(shí)別凍融侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、制定防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。
除了對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的水土流失影響,凍融循環(huán)帶來(lái)的挑戰(zhàn)還延伸至工程建設(shè)領(lǐng)域。在凍土地區(qū)修建道路、鐵路、管道等重大基礎(chǔ)設(shè)施,需應(yīng)對(duì)凍融循環(huán)引發(fā)的周期性凍脹與融沉。每當(dāng)冬季來(lái)臨土壤凍結(jié)抬升,春季來(lái)臨土壤消融沉降,這種反復(fù)的“抬升-沉降”會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)的應(yīng)力作用,威脅其長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全運(yùn)營(yíng)。此次發(fā)布的數(shù)據(jù)集總體精度達(dá)到83.78%,有助于界定多年凍土與季節(jié)性凍土的分布范圍,識(shí)別凍融交替頻繁、狀態(tài)波動(dòng)劇烈的工程敏感地帶,為青藏高原及類似區(qū)域的重大工程選址、設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期運(yùn)維提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
目前,數(shù)據(jù)集已面向全球科研用戶開放共享,助力科研人員持續(xù)觀察和理解土壤凍融這一關(guān)鍵自然過(guò)程,為應(yīng)對(duì)氣候變化、保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。
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