DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03059-6
تاريخ النشر: 2025-12-08
المؤلف: Shadi Hatami وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والتربة المتجمدة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير تغير المناخ على عمليات التجمد والذوبان (FT) عبر 47 منطقة إيكولوجية في نصف الكرة الشمالي من 1979 إلى 2021، مع التركيز على العدد السنوي لأيام سطح الأرض المتجمدة (NF). تكشف الدراسة عن انخفاض كبير في NF، حيث شهدت 70% من المناطق الإيكولوجية تخفيضات ناتجة بشكل أساسي عن ارتفاع درجات حرارة الهواء وانخفاض عمق الثلج. تشير التحليلات السببية إلى أنه مع كل زيادة بمقدار 1 درجة مئوية في درجة حرارة الهواء، ينخفض NF بحوالي 6 أيام، بينما يتوافق انخفاض بمقدار 1 سم في عمق الثلج مع انخفاض بحوالي 3 أيام. تشير التوقعات إلى فقدان متوسط يزيد عن 30 يومًا مجمدًا سنويًا بحلول نهاية القرن، لا سيما في ألاسكا وكندا الشمالية وأوروبا الشمالية وروسيا الشرقية.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم لدرجة حرارة الهواء وعمق الثلج في التأثير على ديناميات NF، حيث تعتبر درجة حرارة الهواء العامل السائد. تستخدم الدراسة إطار اكتشاف سببي وإطار كوبولا لتقييم هذه العلاقات، كاشفة عن ارتباط سلبي ثابت بين درجة حرارة الهواء وNF عبر المناطق الإيكولوجية، بينما يختلف تأثير عمق الثلج. تسلط البحث الضوء على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في العمليات المناخية المحلية ودمج مقاييس ثلج إضافية لتعزيز فهم ديناميات FT. إن تداعيات هذه التغييرات عميقة، تؤثر على الهيدرولوجيا الإقليمية والبيئة والأنشطة الاجتماعية والاقتصادية، مما يتطلب نهجًا شاملاً لمواجهة التحديات التي تطرحها التغيرات الناتجة عن المناخ في دورات التجمد والذوبان.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية ديناميات التجمد والذوبان (FT)، التي تحدث في أكثر من ثلث مساحة اليابسة على الأرض، لا سيما في خطوط العرض العليا حيث تكون الانتقالات الموسمية بين الظروف المتجمدة وغير المتجمدة شائعة. تؤثر هذه الديناميات على عمليات هيدرولوجية ومناخية وجيولوجية وإيكولوجية متنوعة، بالإضافة إلى الأنشطة الاجتماعية والاقتصادية مثل الزراعة واستقرار البنية التحتية. تركز الدراسة على عدد الأيام المجمدة (NF)، الذي يُعرف بأنه إجمالي الأيام في السنة التي تبقى فيها سطح الأرض متجمدًا، مما يعد بمثابة مؤشر للتعرض التراكمي لظروف التجمد. NF أمر حيوي لفهم التداعيات البيئية والبنية التحتية لديناميات FT، لا سيما في سياق تغير المناخ، الذي يغير توقيت ومدة وشدة هذه الدورات.
تؤكد الورقة على دور ارتفاع درجات حرارة الهواء وتغير عمق الثلج كعوامل رئيسية لديناميات FT، لا سيما في خطوط العرض الشمالية حيث يتسارع الاحترار. تشير إلى أن تغير المناخ أثر بشكل كبير على درجة حرارة الهواء وعمق الثلج، مما أدى إلى تحولات في دورات FT يمكن أن تؤثر على فينولوجيا النباتات وعمليات التربة وتدفقات الكربون. تستخدم الدراسة ملاحظات الميكروويف السلبية المستندة إلى الأقمار الصناعية وبيانات إعادة تحليل الأرصاد الجوية السطحية لتحليل الاتجاهات والعوامل السببية لـ NF عبر 47 منطقة إيكولوجية شمالية. من خلال استخدام خوارزمية اكتشاف سببي جنبًا إلى جنب مع إطار متعدد المتغيرات الشرطي لكوبولا، تهدف الدراسة إلى معالجة كيفية تغير NF، وتحديد الأسباب الرئيسية لهذه التغييرات، وتوقع التأثيرات المستقبلية لتغيرات درجة الحرارة وعمق الثلج على NF. يسعى هذا النهج الشامل إلى تعزيز فهم ديناميات FT في مناخ دافئ وتداعياتها على النظم البيئية والبنية التحتية البشرية.
النتائج
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بتحليل تطور ديناميات التجمد والذوبان (FT) عبر 47 منطقة إيكولوجية في نصف الكرة الشمالي من 1979 إلى 2021، مع التركيز على عدد الأيام المجمدة (NF)، ودرجة حرارة الهواء، وعمق الثلج. تشير النتائج إلى وجود تباين مكاني كبير في اتجاهات درجة حرارة الهواء، حيث شهدت حوالي 85% من المناطق الإيكولوجية زيادات ملحوظة، بينما تراوحت متوسطات درجة حرارة الهواء السنوية على المدى الطويل من حوالي -13 درجة مئوية إلى +12 درجة مئوية، بمتوسط حوالي 0 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت أكثر من 85% من المناطق الإيكولوجية انخفاضات كبيرة في متوسط عمق الثلج السنوي، الذي تراوح من 0.5 سم إلى أكثر من 25 سم، بمتوسط 15 سم. كما شهد NF أيضًا انخفاضًا كبيرًا في أكثر من 70% من المناطق الإيكولوجية، مما يبرز تأثير تغير المناخ على ديناميات FT.
باستخدام خوارزمية اكتشاف السببية PCMCI+، أسس المؤلفون علاقات سببية كبيرة بين درجة حرارة الهواء وNF، حيث بلغ متوسط قوة السببية -0.7 عبر المناطق الإيكولوجية. كما أثر عمق الثلج على NF، حيث أظهرت أكثر من 79% من المناطق الإيكولوجية تأثيرات سببية كبيرة. تشير التوقعات المستقبلية، استنادًا إلى الاستقراء الخطي، إلى أن درجات حرارة الهواء قد ترتفع بمقدار يتراوح بين 1 درجة مئوية إلى 7 درجات مئوية، مع احتمال انخفاض NF بأكثر من 30 يومًا في المتوسط بحلول نهاية القرن. تسلط الدراسة الضوء على حساسية NF لتغيرات درجة حرارة الهواء مقارنة بعمق الثلج، مما يشير إلى أنه بينما يتوسط عمق الثلج تأثيرات درجة الحرارة، فإن المحرك الرئيسي للتغيرات في NF هو درجة حرارة الهواء. تؤكد هذه النتائج على أهمية فهم ديناميات FT في سياق تغير المناخ المستمر، لا سيما في خطوط العرض العليا حيث من المتوقع أن تكون التأثيرات أكثر وضوحًا.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التأثيرات الكبيرة لتغير المناخ على العدد السنوي للأيام المجمدة (NF) عبر 47 منطقة إيكولوجية في نصف الكرة الشمالي، مع التأكيد على دور درجة حرارة الهواء وعمق الثلج كعوامل مناخية رئيسية تتحكم في ديناميات التجمد والذوبان. تستخدم الدراسة مجموعة بيانات شاملة مستمدة من ملاحظات الأقمار الصناعية وبيانات إعادة التحليل، تحديدًا ERA5 وFT-ESDR، لتحليل اتجاهات NF من 1979 إلى 2021. تشير النتائج إلى انخفاض ملحوظ في NF، حيث تسهم درجات حرارة الهواء المرتفعة وانخفاض عمق الثلج في هذا الاتجاه. تكشف التحليلات عن علاقة سببية ثابتة بين درجة حرارة الهواء وNF عبر جميع المناطق الإيكولوجية تقريبًا، مع متوسط قوة سببية يبلغ حوالي -0.7، بينما يختلف تأثير عمق الثلج بشكل أكبر، حيث يظهر ارتباطات سببية إيجابية في أكثر من 79% من المناطق المدروسة.
يتوقع المؤلفون أنه، في ظل سيناريوهات المناخ المستقبلية، قد ينخفض NF بمعدل 30 يومًا، لا سيما في المناطق الشمالية مثل ألاسكا وكندا الشمالية. يحذرون من أنه بينما تعتبر درجات الحرارة المرتفعة المحرك الرئيسي لتغيرات NF، يبقى تأثير عمق الثلج مهمًا، لا سيما في بعض المناطق الإيكولوجية حيث يكون دورها في ميزانية الطاقة السطحية حاسمًا. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف خصائص الثلج الإضافية وتأثيراتها على ديناميات NF، بالإضافة إلى دمج توقعات نماذج نظام الأرض المتقدمة لتعزيز فهم ردود الفعل المناخية غير الخطية. بشكل عام، توفر الدراسة رؤى قيمة حول تداعيات تغير دورات التجمد والذوبان على العمليات البيئية والأنشطة الاجتماعية والاقتصادية، مما يبرز ضرورة وجود بيانات رصد قوية ومنهجيات شاملة في التحقيقات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03059-6
Publication Date: 2025-12-08
Author(s): Shadi Hatami et al.
Primary Topic: Climate change and permafrost
Overview
The research investigates the impact of climate change on freeze-thaw (FT) processes across 47 northern hemisphere ecoregions from 1979 to 2021, focusing on the annual count of frozen land-surface days (NF). The study reveals a significant decline in NF, with 70% of ecoregions experiencing reductions primarily due to rising air temperatures and decreasing snow depth. Causal analysis indicates that for every 1°C increase in air temperature, NF decreases by approximately 6 days, while a 1 cm reduction in snow depth corresponds to a ~3-day decrease. Projections suggest an average loss of over 30 frozen days per year by the century’s end, particularly in Alaska, northern Canada, northern Europe, and eastern Russia.
The findings underscore the critical role of air temperature and snow depth in influencing NF dynamics, with air temperature being the dominant factor. The study employs a causal discovery and copula framework to assess these relationships, revealing a consistent negative correlation between air temperature and NF across ecoregions, while the influence of snow depth varies. The research highlights the need for further investigation into local climate processes and the integration of additional snow metrics to enhance understanding of FT dynamics. The implications of these changes are profound, affecting regional hydrology, ecology, and socio-economic activities, necessitating comprehensive approaches to address the challenges posed by climate-induced alterations in freeze-thaw cycles.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of freeze-thaw (FT) dynamics, which occur in over one-third of the Earth’s land area, particularly in higher latitudes where seasonal transitions between frozen and non-frozen conditions are prevalent. These dynamics influence various hydrological, climatic, geological, and ecological processes, as well as socioeconomic activities such as agriculture and infrastructure stability. The study focuses on the Number of Frozen Days (NF), defined as the total days per year when the land surface remains frozen, serving as a proxy for cumulative exposure to freezing conditions. NF is crucial for understanding the ecological and infrastructural implications of FT dynamics, particularly in the context of climate change, which is altering the timing, duration, and intensity of these cycles.
The paper emphasizes the role of rising air temperatures and changing snow depth as dominant drivers of FT dynamics, particularly in northern latitudes where warming is accelerating. It notes that climate change has significantly impacted air temperature and snow depth, leading to shifts in FT cycles that can affect vegetation phenology, soil processes, and carbon fluxes. The study utilizes satellite-based passive microwave observations and surface meteorological reanalysis data to analyze trends and causal drivers of NF across 47 northern ecoregions. By employing a causal discovery algorithm alongside a copula conditional multivariate framework, the research aims to address how NF is changing, identify the leading causes of these changes, and project future impacts of temperature and snow depth variations on NF. This comprehensive approach seeks to enhance understanding of FT dynamics in a warming climate and their implications for ecosystems and human infrastructure.
Results
In this study, the authors analyzed the evolution of freeze-thaw (FT) dynamics across 47 northern hemisphere ecoregions from 1979 to 2021, focusing on the number of frozen days (NF), air temperature, and snow depth. The results indicate significant spatial variability in air temperature trends, with nearly 85% of ecoregions experiencing notable increases, while the long-term average annual air temperature ranged from approximately -13°C to +12°C, averaging around 0°C. Additionally, over 85% of ecoregions showed significant decreases in annual average snow depth, which ranged from 0.5 cm to over 25 cm, with an average of 15 cm. The NF also exhibited a significant decline in more than 70% of ecoregions, emphasizing the impact of climate change on FT dynamics.
Using the PCMCI+ causal discovery algorithm, the authors established significant causal relationships between air temperature and NF, with causal strengths averaging -0.7 across ecoregions. Snow depth also influenced NF, with over 79% of ecoregions showing significant causal effects. Future projections, based on linear extrapolation, suggest that air temperatures could rise by approximately 1°C to 7°C, with NF potentially decreasing by more than 30 days on average by the end of the century. The study highlights the sensitivity of NF to air temperature changes compared to snow depth, indicating that while snow depth mediates the effects of temperature, the primary driver of changes in NF is air temperature. These findings underscore the importance of understanding FT dynamics in the context of ongoing climate change, particularly in higher latitudes where the impacts are expected to be most pronounced.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impacts of climate change on the annual count of frozen days (NF) across 47 ecoregions in the northern hemisphere, emphasizing the role of air temperature and snow depth as primary climatic controls on freeze-thaw dynamics. The study employs a comprehensive dataset derived from satellite observations and reanalysis data, specifically the ERA5 and FT-ESDR, to analyze NF trends from 1979 to 2021. The findings indicate a notable decline in NF, with rising air temperatures and diminishing snow depth contributing to this trend. The analysis reveals a consistent causal relationship between air temperature and NF across nearly all ecoregions, with an average causal strength of approximately -0.7, while the influence of snow depth varies more significantly, showing positive causal connections in over 79% of the regions studied.
The authors project that, under future climate scenarios, NF could decrease by an average of 30 days, particularly in northern regions such as Alaska and northern Canada. They caution that while warming temperatures are the dominant driver of NF changes, the influence of snow depth remains important, particularly in certain ecoregions where its role in the surface energy budget is critical. The study underscores the need for further research to explore additional snow properties and their effects on NF dynamics, as well as the integration of advanced Earth System model projections to enhance the understanding of non-linear climate feedbacks. Overall, the research provides valuable insights into the implications of changing freeze-thaw cycles for environmental processes and socio-economic activities, highlighting the necessity for robust observational data and comprehensive methodologies in future investigations.