【专家视角】南京师范大学PNAS｜北半球湖冰加速消融的关键温度阈值

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（来源：生态修复网）

文章信息

第一作者：周健，王玮佳

通讯作者：黄昌春，施坤，Peter R. Leavitt

通讯单位：南京师范大学，中国科学院南京地理与湖泊研究所，加拿大里贾纳大学

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2610752123

科学问题

• 湖冰消融过程对气温升高的敏感性显著高于湖冰形成过程。

• 湖冰物候存在-13.7至-6.8℃的冬季气温临界阈值，越过阈值后敏感性呈非线性加速，最高增加约22倍。

• 湖冰物候敏感性主要受冬季气温和地表反照率等大尺度热力和辐射条件控制，而非湖泊形态特征。

• 高排放情景下，北半球湖泊冰封期可能缩短约40天，越过临界阈值的高敏感湖泊比例将从23%升至近70%。

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湖冰是全球冰冻圈的重要组成部分，也是监测气候变暖的关键指标。全球超过一半的湖泊每年会形成季节性冰盖。然而近几十年来，湖冰范围和持续时间正普遍且加速减少，主要表现为结冰推迟、融冰提前，部分湖泊已不再每年稳定结冰。由于面积大于10公顷的湖泊中约87%分布在45°N—75°N，而这一纬度带的升温幅度约为全球平均水平的两倍，北半球湖泊面临尤为突出的冰冻圈变化风险。湖冰消退不仅意味着冬季冰封过程的消失，还会改变湖泊热力分层、光照条件、溶解氧、营养盐循环、藻类生长和温室气体交换，并对交通、渔业及依赖湖冰的地方文化和生计产生深远影响。传统湖冰预测通常建立在线性关系之上，但这种方法可能忽略湖泊在接近临界温度时发生的突变性响应。因此，识别湖冰对升温响应的非线性特征及其临界阈值，是评估未来湖泊生态风险的关键科学问题。

本研究整合了2000—2022年北半球724个湖泊的长期地面观测和遥感数据。研究选取初始结冰、完全封冻、初始破冰、完全融冰、完全冰封持续时间和部分冰封持续时间六项物候指标，计算每个湖泊的湖冰物候指标对气温变化的敏感性（即气温每升高1℃时各物候指标的变化天数）。

在此基础上，研究采用分段线性回归识别冬季平均气温与湖冰敏感性关系中的临界阈值，并结合气候、地理位置、湖泊形态、水文、流域环境和人类活动等因素，通过相关分析与随机森林模型识别主要驱动因子。此外，研究结合四种共享社会经济路径（SSPs）与四个高分辨率全球气候模型，对2023—2100年湖冰动态进行多情景预测。

图1 北半球724个湖冰物候对气温变化的敏感性

研究发现，升温使83.0%的湖泊初始结冰推迟、87.8%的湖泊完全封冻推迟，同时使94.2%的湖泊初始破冰提前、98.7%的湖泊完全融冰提前（图1）。气温每升高1℃，完全融冰平均提前4.62天，而初始结冰平均仅推迟2.52天；完全冰封和部分冰封持续时间分别缩短6.92天和7.13天，表明春季消融过程对升温的敏感性显著高于秋季结冰过程（图1）。

更为重要的是，这种响应并非稳定的线性变化。六项物候指标的冬季气温临界阈值介于-13.7℃和-6.8℃之间（图2）。一旦越过这些临界阈值，初始破冰和完全融冰的敏感性分别增加22.2倍和17.7倍，表明湖泊一旦进入较暖的冬季温度区间，即使气温仅小幅上升，也可能引发湖冰物候的剧烈变化（图2）。

图2 湖冰物候敏感性对冬季气温的非线性响应及临界阈值

未来不同排放路径将导致湖冰物候明显分化。低排放和中等排放情景下，湖冰变化可能在本世纪中叶趋于稳定；而在高排放情景下，冰封期将持续加速缩短（图3）。以SSP3-7.0情景为例，到本世纪末，完全冰封和部分冰封持续时间预计均缩短约40天（图3）。温带和南部寒温带湖泊，特别是欧洲波罗的海和芬诺斯坎底亚地区及北美五大湖区域，将成为湖冰消退的高风险区域。

在高排放情景SSP5-8.5下，越过临界温度阈值的高敏感湖泊比例预计将从历史基准期的23.3%上升至69.6%。这表明大量北半球湖泊正逐步进入“微小升温即可引发剧烈冰损失”的状态，并可能逐渐向间歇性结冰甚至无冰冬季转变。

图3 北半球湖冰物候在不同气候情景下的未来变化

作者介绍

周健，博士，副教授，硕士生导师，南京师范大学。主要研究方向为湖泊对气候变化的响应与风险评估。获2016年度中国科学院院长特别奖、2022年度江苏省科学技术奖二等奖（8/11）和2020年度中国海洋与湖沼十大科技进展（2/5）等荣誉，主持国家自然科学基金青年项目和2项面上项目。目前，已发表论文40余篇，其中以第一或通讯作者在PNAS、Nature Communications和Water Research等发表SCI论文16篇及EI论文3篇。

王玮佳，博士，现为英国班戈大学海洋学院博士后。主要从事极端气候对湖泊生态系统影响的研究，重点关注湖泊热极端、湖冰变化及其生态与社会风险。已发表SCI论文17篇，其中以第一作者在PNAS、Nature Communications和Science Bulletin等期刊发表论文5篇。获2024年度中国科学院院长特别奖、2024年度中国海洋与湖沼十大科技进展（5/5）、中国科学院大学朱李月华奖学金和2023年度博士研究生国家奖学金等荣誉。目前参与英国环境研究委员会（NERC）和国际科学合作基金（ISPF）等科研项目。

黄昌春，博士，教授，博士生导师，现任职于南京师范大学地理科学学院。主要的研究领域和方向为：湖泊水环境遥感、流域生态环境演变、湖泊碳循环等。近年分别在Science Advance、PNAS和Remote Sensing of Environment等国内外期刊发表论文150余篇，第一或通讯作者SCI论文80余篇。主持国家自然科学基金（重点类1项，面上3项、青年1项）、江苏省重点研发项目课题，国家社科重大项目课题等项目10余项，获江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师、科学技术部（国家遥感中心）“遥感青年科技人才”、江苏省“青年遥感与地理信息科技奖”、南京师范大学“百名领军人才计划”等。

施坤，主要从事物理湖泊学研究，现为中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员。目前担任中国自然资源学会气候资源专业委员会副主任委员、地理学会人类世与湖泊生态工作组副组长、Science Advances副主编等职务。先后主持国家自然科学基金青年科学项目A类和B类等国家自然科学基金项目。在Nature Reviews Earth & Environment、Nature Climate Change、PNAS、Science Advances等共发表SCI论文170篇，授权国家发明专利15项。获中国生态环境2025年十大科技进展、中国地理学会青年科技奖（2022）、吉林省科学技术一等奖、生态环境部环境保护科学技术奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖等学术荣誉和奖励。

Prof. Peter R. Leavitt, University of Regina (Canada). Peter is the Canada Research Chair in Environmental Change and Society, Professor of Biology, and founding Director of IECS and its predecessor EOAL. He has experience in national leadership (Executive of Society of Canadian Limnologists (SCL); Director Canadian Institute of Ecology and Evolution (CIEE), science communication (SCL media officer; > 400 media interviews), societal governance (Board of Association for the Sciences of Limnology and Oceanography, ASLO), scientific conferences (SCL, ASLO, International Association for Limnology, SIL), grant evaluation (US National Science Foundation, NSF), revenue generation (>$30M in arants), publication (>215 papers), and science adjudication (editorial boards of Limnology and Oceanography Letters, Ecology, and 4 others). Research in Leavitt's University of Regina Limnology Laboratory combines ecosystem experiments, modeling, paleolimnology, mass balances and long-term (30 yr) ecological research to quantify the factors that regulate the structure and function of lakes, and improve strategies for their protection. This work was recognized with fellowships in the Roval Society of Canada, Royal Society of Biology (UK), and ASLO.

文章来源：生态环境科学

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