中国—蒙古—俄罗斯地区1975—2024年近地表年冻融循环频次变化及驱动因素

近地表年冻融循环（NSAFTCs）能够直接表征地表在一年内发生冻结与融化的次数。NSAFTCs是气候—陆地相互作用与环境变化的关键指标，对于寒区冻融灾害防治和生态可持续发展具有重要意义。然而，中国—蒙古—俄罗斯地区NSAFTCs的时间演变特征及其驱动因素仍缺乏系统研究。NSAFTCs表现出显著的纬向分异和强烈的地形影响，可划分为低频区（<73次/年）、中频区（73–147次/年）和高频区（>147次/年）。基于2112个气象站日尺度气温数据，研究发现1975—2024年NSAFTCs呈显著上升趋势，增幅为4.04次/10年（p < 0.01）。其中，青藏高原增幅最为显著，达到35–41次/10年（p < 0.05）。气温（temperature，q = 0.4328）、纬度（latitude，q = 0.3844）和海拔（elevation，q = 0.3322）是主要控制因子。在控制气温条件下，海拔仍然是稳定且独立的关键因子。进一步分析表明，NSAFTCs与年平均温差（annual mean temperature range，AMTR）呈显著正相关（p < 0.01），其最优温度变化范围为12–16°C。高海拔地区在该范围内形成温度梯度—冻融耦合带，从而放大冻融活动。上述结果有助于深化对大区域近地表冻融过程的认识，并为推进基于科学的生态保护与工程建设策略提供数据支撑。

该文发表于《Advances in Climate Change Research》，围绕中国—蒙古—俄罗斯跨境区域近地表年冻融循环（NSAFTC）的时空演变及其驱动机制展开研究。研究背景在于，全球变暖背景下，高纬度与高海拔地区升温更为显著，永久冻土退化、冰川消融及地表热状况变化共同改变了近地表冻融循环过程。冻融循环不仅深刻影响寒区生态系统、水文过程与地貌演化，还会加速活动层热状态波动、削弱基础设施稳定性、诱发土体冻胀与融沉等工程灾害。因此，系统揭示大尺度跨区域NSAFTC变化规律及其控制因素，对于寒区生态保护、工程建设适应与跨境基础设施风险防控具有重要意义。现有研究虽分别关注了中国、俄罗斯和蒙古部分区域冻融频次变化，但对中国—蒙古—俄罗斯整体区域的综合比较、纬度—海拔协同作用及其与温度变率关系的认识仍然不足。基于此，研究人员利用长时间序列气象观测资料，对1975—2024年该区域NSAFTC变化进行系统刻画，并解析气温、纬度、海拔、降水等因素的综合作用。

方法上，研究采用1975—2024年中国—蒙古—俄罗斯地区2112个气象站的日气温资料，并结合降水、人口密度、归一化植被指数（NDVI）和海拔等多源数据。冻融循环依据“日最高气温>0°C且日最低气温<0°C”进行判定；趋势分析采用Sen斜率法；变量关系评估采用偏相关分析；空间异质性与驱动因子识别采用地理探测器（GeoDetector），重点考察气温（AT）、降水（PP）、纬度（LAT）、经度（LON）、海拔（ELV）、人口密度（PD）和NDVI对NSAFTC空间分布及其交互作用的解释能力。

在结果部分，论文首先给出了“3.1. Climatic zoning of NSAFTCs”的分析。研究表明，1975—2024年平均NSAFTC在空间上可分为低频、中频和高频三类区域。低频区主要位于中国南部和俄罗斯北部，年频次低于73次；中频区主要分布于俄罗斯南部、蒙古和中国北部，年频次为73–147次；高频区则集中于青藏高原，年频次为147–220次。该结果说明，NSAFTC并非简单由冻土有无决定，而是受纬度、气温和气候条件共同调控。尤其是俄罗斯北部和中国南部虽气候背景迥异，却同属低频区，反映出极寒环境下融化受限及暖热环境下冻结受限均会抑制冻融交替发生。

在“3.2. Spatial and temporal variation of NSAFTC”部分，研究人员发现，中国—蒙古—俄罗斯地区NSAFTC总体呈显著上升趋势，增幅为4.04次/10年（p < 0.01）。分国家看，俄罗斯整体频次相对较低，约为37–73次/年，但增幅最大，为4.96次/10年；蒙古和中国分别增加约3.30次/10年和2.99次/10年。空间上，蒙古高原和西西伯利亚平原表现为中等幅度增加；青藏高原增幅最显著，局部可达约32次/10年；而东西伯利亚、昆仑山、华北平原及中国南方部分区域则出现下降。研究还指出，2005年前后可能是区域冻融活动变化的重要阶段转换点。1975—2005年，多数区域表现为整体增加、低频区范围缩小；2006年后，青藏高原、东北中国和西伯利亚南部的冻融活动变化更加明显，部分地区由较低频等级跃升至更高频等级，尤其青藏高原由110–183次/年上升到147–220次/年区间，反映了高海拔地区对气候变化的敏感响应。

在“3.3. NSAFTC with latitude and elevation”中，研究通过两条典型纬向剖面分析NSAFTC与纬度、海拔之间的关系。结果显示，NSAFTC总体上随纬度升高而降低，但随海拔升高而增加。低海拔高纬地区冻融频次约为40–60次/年，蒙古高原和中国北方1000–1800 m区域可达80–120次/年，而青藏高原>4000 m地区则超过160次/年。另一纬向剖面进一步显示，NSAFTC自北向南呈现“低—高—低”的带状格局：俄罗斯北部为10–73次/年，蒙古高原和中国东北升至100–120次/年，中国南方则低于40次/年。研究据此指出，该区域NSAFTC空间分布表现出显著的纬向差异和海拔放大效应，且NSAFTC与海拔呈显著正相关（p < 0.01）。

在“3.4. Driving factors”部分，研究利用地理探测器定量识别驱动因素。结果表明，所有解释变量对NSAFTC变化均具有显著影响（p < 0.01），其中气温、纬度和海拔的解释力最强，分别是主导控制因子；降水作用较弱，经度、人口密度和NDVI的影响也相对有限。交互探测结果进一步显示，任意两个因子的联合解释力均高于单一因子，尤其是纬度∩气温、海拔∩气温和海拔∩降水的解释力最强（q > 0.70）。这说明区域冻融活动并非由单一气候或地理因子决定，而是体现为地形—气候耦合控制。纬度通过影响太阳辐射调节温度梯度，而温度波动又在中纬度区域增强冻融转换；高海拔条件则通过降低气温并增大昼夜温差，提升0°C附近温度穿越频率，从而增强冻融循环。

讨论部分首先通过偏相关分析进一步检验控制关系。控制气温后，纬度与NSAFTC的相关性由正转为显著负值，说明气温在纬度作用中具有明显调节效应；经度的独立解释力始终较弱；NDVI和人口密度在控制气温后与NSAFTC的关系不再显著，提示其更多通过温度间接影响冻融活动。相比之下，海拔在控制气温前后均与NSAFTC保持显著正相关，且控制后相关性进一步增强，表明海拔是超越气温影响之外最稳定、最关键的独立因子。降水在控制气温后仍保持显著负相关，但其解释能力有所减弱，说明降水作用也受到温度背景制约。

随后，论文重点讨论了NSAFTC与年平均温差（AMTR）的关系。结果显示，NSAFTC与AMTR之间存在显著正相关关系（p < 0.01）。随着海拔升高，气温下降、日温差增大，0°C附近温度跨越更为频繁，从而加强地表冻融活动。研究进一步指出，当AMTR处于12–16°C范围内时，冻融循环最为活跃，通常超过100次/年。这一温差范围构成了NSAFTC最敏感的热力条件窗口。若该温差条件与高海拔叠加，便形成“温度梯度—冻融耦合带”，显著增强冻融活动。该耦合带主要分布于青藏高原东缘以及蒙古高原中南部，在这些地区，冻融频次通常超过73次/年，局地超过147次/年。这一发现对于寒区交通基础设施规划与长期稳定运行具有直接意义，因为频繁冻融将加剧道路、铁路等工程的材料劣化与结构损伤风险。

论文也指出研究存在一定局限，例如气象站分布不均可能影响偏远高原和高纬区域空间插值精度，且本文主要采用气温阈值法识别冻融循环。未来研究可进一步结合遥感观测、土壤实测和数值模拟，提高冻融估算精度，并从生态与工程双重视角深化对气候变化背景下表层冻融响应的认识。尽管如此，该研究仍为气候变化影响下冻融过程的区域演变提供了定量证据，并为跨境寒区生态保护和工程建设适应提供了重要依据。

结论部分可概括并翻译如下：第一，中国—蒙古—俄罗斯地区NSAFTC在1975—2024年呈显著上升趋势（p < 0.01），增幅约为4.04次/10年，约在2005年前后出现阶段性转折，表现为低频区收缩、中高频区显著扩张。第二，气温、纬度和海拔是主要控制因子，其中气温解释力最强；在控制气温后，海拔仍保持稳定且独立的关键作用，表明存在明显的地形—气候协同控制机制，且任意两个因子的交互解释力均高于单因子。第三，NSAFTC与年平均温差（AMTR）呈显著正相关，最优临界范围为12–16°C，在该范围内冻融频次通常超过100次/年；当高海拔与这一温度变率相耦合时，会形成温度梯度—冻融耦合带，并显著放大冻融活动。