由于新地岛群岛（俄罗斯高北极地区）气候变暖，湖泊冰层破裂时间提前：基于MODIS数据（2000-2024年）的证据

《Polar Science》：Earlier Lake Ice Breakup in Response to Warming in the Novaya Zemlya Archipelago, Russian High Arctic: Evidence from MODIS Data (2000-2024)

北极新地岛群湖冰解冻提前趋势及遥感监测研究

　　

迪恩·R·马拉尔多（Dean R. Maraldo）| 温瑟普·崔（Woonsup Choi）| 艾娃·贝耶斯（Ava Beyers）| 乔舒亚·马拉尔多（Joshua Maraldo）| 马修·佐恩（Matthew Zorn）

美国威斯康星大学密尔沃基分校地理系

摘要

北极的变暖速度比全球任何其他地区都要快，这导致陆地生态系统和冰冻圈发生了变化。然而，俄罗斯高北极地区新地岛（Novaya Zemlya Archipelago, NZA）的湖泊冰现象学趋势仍知之甚少。该地区恶劣的气候和有限的可达性阻碍了收集必要的基于实地的数据，这些数据对于测量年度变化和验证遥感观测结果至关重要。为了解决这一空白，我们分析了2000年至2024年间NZA 20个最大湖泊的每日中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）图像，以研究湖泊冰层的季节性融化过程。利用Google Earth Engine平台，通过对湖泊像素应用归一化差异雪指数（Normalized Difference Snow Index）阈值来检测湖泊冰层的融化日期。2000年至2024年的平均融化日期为7月8日，不同纬度的湖泊融化日期范围从6月21日到7月21日不等。研究显示，所有湖泊的冰层融化时间都有提前趋势，25年间平均提前了14天（每十年5.6天），这与春季气温和夏季海表温度的显著升高有关。这些发现突显了变暖对高纬度系统影响的加剧，并强调了持续进行区域监测以预测北极冰冻圈变化的重要性。

引言

湖泊冰现象学，即湖泊结冰和融化的季节性周期以及冰层覆盖的持续时间，是过去和现在气候变化的重要指标（Benson等人，2012年；Magnuson等人，2000年）。北极的快速变暖改变了湖泊开放水域的季节性，预计将进一步导致湖泊冰层的减少（Ballinger等人，2021年；Cohen等人，2014年；Duguay等人，2003年）。湖泊是北方针叶林和苔原地区的主要地貌特征，覆盖了北极近6%的面积，在某些高纬度地区甚至占陆地表面的50%（Duguay等人，2015年；Paltan等人，2015年）。文献显示，包括阿拉斯加（Surdu等人，2014年；Zhang等人，2021年）、加拿大北极（Latifovic和Pouliot，2007年；Lehnherr等人，2018年）以及斯堪的纳维亚（Benson等人，2012年；Lopez等人，2019年；L’Abée-Lund等人，2021年；Hallerb?ck等人，2022年）在内的许多地区的湖泊冰层融化时间都在提前，融化时间延长。多项泛北极研究也表明了类似的趋势，即湖泊冰层提前融化、结冰时间推迟以及开放水域持续时间延长（Dauginis和Brown，2021年；Du等人，2017年；Newton和Mullan，2020年；?mejkalová等人，2016年；Warne等人，2020年）。一些研究（例如Surdu等人，2014年；Su等人，2021年）测量了北美北极湖泊冰层覆盖时间的变化，发现自20世纪末以来季节性冰层覆盖时间减少了10到30天。

与中等纬度地区相比，在北极进行冰冻圈研究面临许多挑战。从后勤角度来看，在北极进行实地调查既困难又昂贵，且受到短暂野外季节的限制。因此，许多地区的湖泊冰现象学实地观测记录仍然有限或缺失。上个世纪末，新型卫星传感器的出现为冰冻圈研究提供了新的途径，使得以前无法到达的极地地区（如俄罗斯高北极）得以被研究。在过去二十年里，大量的湖泊冰现象学研究依赖于光学图像产品，包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的交互式多传感器雪和冰测绘系统（IMS）提供的4公里分辨率每日网格产品，以及美国国家航空航天局（NASA）的250米至1公里分辨率MODIS每日雪产品。然而，这些产品在北极的应用存在局限性，如空间分辨率低、极地黑暗期长、时间分辨率差以及云层覆盖等问题。近年来，Landsat、Sentinel-2和Planetscope等光学传感器的时间和空间分辨率得到了提高，某些产品的光学分辨率已降至30米以下，甚至实现了每日全球覆盖。因此，可以结合各种类型的遥感数据（包括最新的高分辨率图像）来长期研究湖泊冰现象学。

尽管许多北极地区的湖泊冰层融化时间提前、结冰时间推迟，但现有研究的地理覆盖范围仍存在显著差距。包括格陵兰岛、俄罗斯高北极和斯瓦尔巴群岛在内的关键北极地区在湖泊冰现象学研究中的关注度不足。这些地区对于理解气候变化至关重要，最近的报告也强调了这一点（IPCC，2021年；Isaksen等人，2022年）。特别是俄罗斯高北极和斯瓦尔巴群岛被认为是北极变暖的热点地区，1981年至2020年的变暖速度是北极平均水平的2到2.5倍，是全球平均水平的5到7倍（Isaksen等人，2022年）。在某些研究不足的北极地区建立湖泊冰现象学基线也有助于监测气候变化的生态影响。作为北极冰冻圈的重要组成部分，了解近期变暖对湖泊冰现象学的影响以及这些变化如何通过温度和冰面反照率反馈机制加剧北极变暖至关重要（Cohen等人，2014年；Pithan和Mauritsen，2014年）。此外，了解北极湖泊冰现象学的过去和现在变化有助于预测未来变化，因为预计未来北纬度地区的温度将会上升（Collins等人，2013年；IPCC，2021年）。

在这里，我们首次系统地研究了俄罗斯高北极新地岛（NZA）湖泊冰现象学的变化，据我们所知，这是迄今为止最长的一项研究，填补了对该地区因近期变暖而发生的变化的理解空白。具体而言，本研究旨在回答以下研究问题：（1）过去25年中NZA湖泊冰层融化时间的空间模式和时间趋势是什么？（2）这些变化与北极的近期变暖有何关联？（3）哪些地理因素影响了湖泊冰层融化时间的变化？

湖泊选择过程从群岛南部481个面积大于0.25平方公里的湖泊中确定了20个湖泊。使用Google Earth Engine（GEE）平台对每日MODIS图像应用阈值，以检测2000年至2022年间每个湖泊完全无冰的日期（以下简称“融化日期”）。我们利用Landsat和Sentinel-2图像手动确定了2023年和2024年的融化日期，进一步验证了MODIS阈值并确认了季节性融化日期。最后，构建了湖泊冰层融化时间、气温和海表温度（SST）的时间序列，以分析北极近期变暖带来的变化趋势和模式。

NZA包括俄罗斯高北极最大的冰川覆盖区域和最南端的区域。群岛的两个主要岛屿——北部的Severny岛和南部的Yuzhny岛由Matochkin海峡分隔，该海峡将东部的喀拉海与西部的巴伦支海相连（图1）。Yuzhny岛拥有更广泛的冰缘环境，池塘和湖泊分布更密集，因此成为本研究的主要研究对象。

NZA的气候受到巴伦支海北大西洋水体的影响，而该地区的山脉则形成了阻挡北大西洋天气系统向东移动的屏障。沿海Malye Karmakuly气象站（海拔16米；图1）记录的月平均气温（1992–2021年）在7月达到最高值（7.7°C），6月、8月和9月也保持在冰点以上。年平均气温从西南部的-5°C降至东北部的-10°C（Zeeberg和Forman，2001年）。月平均降水量在8月达到峰值，4月最低，冬季积雪量主要集中在10月至1月期间。

研究湖泊选择

研究湖泊选择

湖泊选择过程首先建立了面积大于0.25平方公里的所有湖泊的完整清单。从美国地质调查局（USGS）的Earth Explorer网站获取了NZA的正射校正和地理参考的Landsat卫星图像（https://earthexplorer.usgs.gov/）。该过程包括使用ERDAS Imagine分类工具对NZA的一个测试Landsat 9图像进行无监督分类。

湖泊冰层融化趋势

研究显示湖泊冰层融化时间呈提前趋势（图3）。2000年至2024年间所有研究湖泊的平均融化日期为7月8日（第189天），范围从6月21日（第172天）到7月21日（第202天）。所有研究湖泊的融化时间提前趋势具有统计学意义，25年研究期间平均提前了14天，即每十年5.6天。其中最早融化的湖泊是2023年的Yuzhny岛（湖泊编号20），日期为6月9日（第160天）。

讨论

研究显示湖泊冰层融化时间有显著提前趋势，25年间平均提前了14天，即每十年5.6天。2000年至2024年间所有研究湖泊的平均融化日期为7月8日（第189天），不同纬度的湖泊融化日期范围从6月21日到7月21日不等。作为对比，Liu等人（2021年）发现2019年整个北极地区的湖泊平均融化日期为6月21日（第172天）。这种提前趋势受到多种因素的影响。

结论

研究湖泊冰层融化对于理解气候变化对北极生态系统的广泛影响至关重要。本研究表明NZA的湖泊冰层融化时间显著提前，25年间平均提前了14天。这一趋势与北极整体变暖的趋势一致，强调了针对北极湖泊冰层变化进行区域特定监测的重要性。NZA观察到的相互关联的物理响应进一步证实了这一发现。

CRediT作者贡献声明

艾娃·贝耶斯（Ava Beyers）： 数据收集与分析。 乔舒亚·马拉尔多（Joshua Maraldo）： 数据收集与分析、初稿撰写、可视化处理、验证、方法论研究、数据分析、概念构建。 温瑟普·崔（Woonsup Choi）： 初稿撰写、审稿与编辑、监督工作、正式分析。 马修·佐恩（Matthew Zorn）： 初稿撰写、审稿与编辑。

未引用参考文献

Blenckner等人，2004年；Brown和Duguay，2011年；IPCC等人，2021年；Korhonen，2006年；Weyhenmeyer等人，2004年。

数据可用性

本研究的补充材料和支持数据可在figshare上公开获取，链接为：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.7757843.v1

利益冲突声明

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：签署日期：2025年4月11日，作者：迪恩·马拉尔多（Dean Maraldo）