《Atmosphere》：Air Temperature and Thermal Regime Evolution in Livingston and Deception Islands, Maritime Antarctica (2000–2022)
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近地表气温是南极海洋性气候区冻土系统的主要大气强迫因子，但既往研究多强调年均温或季节性趋势，而非热状态演化。该研究分析了2000–2022年间来自南极半岛西北缘南设得兰群岛中利文斯顿岛和欺骗岛8个PERMATHERMAL监测站的逐时气温记录，以评估平均状态、日
近地表气温是南极海洋性气候区冻土系统的主要大气强迫因子，但既往研究多强调年均温或季节性趋势，而非热状态演化。该研究分析了2000–2022年间来自南极半岛西北缘南设得兰群岛中利文斯顿岛和欺骗岛8个PERMATHERMAL监测站的逐时气温记录，以评估平均状态、日热状态、度日强迫及其对冻土的影响变化。逐时数据被聚合为日、月、年和热年尺度，有效日期被划分为六种热状态（F1、F2、IS、FT、T2和T1）。此外，还计算了冻结度日（FDD）、融化度日（TDD）、年度度日平衡（BDD）以及冻结和融化季节的持续时间。近期增温不仅表现为更高的年均气温，还表现为年度热状态的重构：寒冷日数减少、与融化相关的条件增多、大多数站点的BDD值负值减小。这些变化与既往报道的地表温度（GST）演化一致，指示大气强迫正从更强的冻结主导转向更有利于融化的条件。然而，这些变化对活动层厚度和多年冻土稳定性的启示应被理解为气候指示，而非地面热变化的直接证据。
该研究发表于《Atmosphere》期刊，旨在揭示南极海洋性气候区近地表气温变化如何重塑冻土系统的热力边界条件。
**研究背景与问题**
南极半岛及南设得兰群岛是南极洲气候最为动态的区域之一。20世纪后半叶的强烈增温使该地区成为极地环境快速变化的关键参考区，但后续研究表明这一信号既非空间均一，也非时间单调。南设得兰群岛尤为敏感，因其靠近0℃等温线的年际迁移带，且拥有南极洲最温暖、热力边际性最强的多年冻土环境。利文斯顿岛和欺骗岛的冻土广泛分布但常处于气候极限边缘，冻土出现高度异质性，受局地条件强烈控制，低海拔处缺失或边际化，而在较冷的高海拔站点和欺骗岛部分区域则可能存在或已确认。在此类环境中，大气强迫的微小偏移可能对活动层厚度、多年冻土顶板温度及长期冻土稳定性产生不成比例的影响。
既往南极半岛区域的大气研究多聚焦于年或季节性温度趋势，或单个站点及区域的广泛气候学描述，未能充分解析增温在年内的分布特征，即增温主要通过更温和的冬季、更强的夏季 warmth、更频繁的冻融转换，还是冻结与融化条件之间年度平衡的变化来体现。尤其缺乏对南设得兰群岛日近地表气温热状态年内组织的系统记录，包括持续冻结、近零、冻融及融化条件的相对频率。这一空白至关重要，因为这些日热状态的频数、时机和持续时间的变化可能改变季节融化发生及冻土稳定的大气边界条件。不同表达形式的增温从季节融化和多年冻土存在与稳定性的角度看并非热力等效。
在利文斯顿岛和欺骗岛，气温升高已 evident，PERMATHERMAL网络永久冻土监测站的近期地表温度（GST）分析表明，气候变化不仅通过均值偏移体现，还通过日热状态的重构、冻结主导的减弱、度日强迫的改变以及积雪的强烈调制来体现。同时，近期大气分析揭示了该区域尽管空间范围有限，但气温和风场存在显著的局地对比，凸显了局地地形和中尺度效应的重要性，尤其在冬季。因此，该研究结合多个PERMATHERMAL站点的长时逐时近地表气温记录、日热状态分类、度日指数、季节持续时间指标和空气霜冻数（FNa），在一个统一的分析框架内阐释大气增温信号，不仅从年均变化角度，还从其年内功能表达及其作为冻土系统气候强迫的相关性角度进行解读。
**研究方法与数据来源**
研究人员利用PERMATHERMAL监测网络中分布于利文斯顿岛和欺骗岛的8个站点的数据，海拔范围10–274米，涵盖海岸、低海拔和较高内陆或开阔的冰缘地形。研究时段为2000–2022年，采用Gemini TinyTag Plus 2数据记录仪配合PT100温度探头，置于辐射屏蔽罩内，按世界气象组织（WMO）方法安装在离地名义高度160厘米的开敞式桅杆上。数据记录间隔为1小时，未进行缺测插补，按日（≥18有效小时）、月（≥80%有效日）、历年（≥80%有效日）和热年（3月至次年2月，≥80%有效日）四级完整性标准筛选数据。
核心分析方法包括：（1）基于日最低和最高气温相对于±0.5℃阈值的六种日热状态分类（F1：完全冻结；F2：冻结伴波动；IS：近零/等温；FT：冻融；T2：融化伴波动；T1：完全融化），并聚合为冷域（F1+F2）、过渡域（IS+FT）和暖域（T2+T1）三大域；（2）计算冻结度日（FDD）、融化度日（TDD）及年度度日平衡（BDD=FDD+TDD）；（3）计算空气霜冻数（FNa），作为基于气温的多年冻土发生气候适宜性指数；（4）基于连续5天以上日均温低于或高于0℃确定主冻结季和主融化季的持续时间。采用普通最小二乘法估计趋势，以十年为单位表达斜率。
**研究结果**
**年均气温及时间趋势**：年均气温（MAAT）呈现显著空间变异，最低值出现在最高站点SO（274米，-3.69℃），最高值出现在低海拔站点IN（34米，-1.33℃）和NI（19米，-1.37℃）。所有站点MAAT均呈正趋势，范围0.64–1.83℃/十年，其中欺骗岛CL（1.83℃/十年）和SO（1.55℃/十年）增幅最大，仅MO趋势不显著。最暖年份多集中于记录后期，尤其2018年之后。
**日热状态的月分布**：冬季（6–8月）F1在所有站点占主导，高海拔站点频率超90%；夏季（1–2月）低海拔Hurd半岛站点以T1为主（64.6%–73.7%），而其他站点T1频率较低。FT在春末夏初（10–12月）达最高月频率，低海拔站点可达33.7%–53.1%。IS类在气温记录中极为罕见，最大月频率仅0.7%。
**日热状态的年际变化**：冷域日数占比从NI的42.6%到SO的70.1%不等，暖域日数呈反向模式。2020–2021年间，多个站点出现最低冷域百分比和最高暖域百分比，如NI和JC在2021年暖域达45.3%和45.2%。过渡域年际变幅较大且不同步。
**冻结/融化指数及季节持续时间**：平均FDD绝对值以SO最大（-1400.6℃·day），NI最小（-748.9℃·day）；TDD呈反向格局，NI最大（256.9℃·day），SO最小（93.6℃·day）。BDD在所有站点保持负值，但均向负值减小方向变化，CL（+631.6℃·day/十年）和SO（+431.3℃·day/十年）趋势最大。冻结季持续时间从NI的58.7天到SO的179.6天不等，融化季呈相反格局。最短冻结季和最长融化季多出现在近年，尤其2020–2021年。
**空气霜冻数**：平均FNa从NI的0.629到SO的0.812，与海拔呈明显正相关（约0.068/100米）。所有年度FNa值均高于0.5。CL、IN和JC的FNa呈显著下降趋势（分别为-0.142、-0.076和-0.069/十年），指示冻结主导相对融化影响的减弱；MO趋势最弱且不显著。
**讨论与意义**
**热状态重构**：研究揭示近期近地表气温增温不仅体现为MAAT升高，更体现为全年日热状态的重构。增温信号更密切地与冻结条件减弱相关，而非夏季温暖的显著增强。FDD幅度减小、BDD负值减小及TDD适度增加共同支持这一解释。这种基于热状态的分类方法为年均温无法捕捉的大气增温功能表达增添了新维度，与既往该区域的GST演化方向一致。
**局地控制因素**：空间对比表明，网络的热演化不能仅用区域增温解释，还受强烈站点特异性控制。海拔解释了平均热力格局的大部分变异（MAAT垂直梯度约-0.95℃/100米，BDD约-333℃·day/100米），但变化率未呈现稳健的海拔模式。MO和CL在趋势上显著偏离简单海拔倾向，表明风速、距海岸距离、地貌和基质等局地背景因素的重要性。欺骗岛破火山口可能有利于冬季冷空气停滞，而利文斯顿岛站点可经历由地形位置决定的强烈对比风暴露和绝热增温。
**冻土相关性**：大气热状态变化改变了地面系统运行的热力强迫。研究识别的变化——更高MAAT、更少冷日、更多融化相关日、BDD负值减小以及多站点冻结季缩短和融化季延长——均指向冻结主导减弱和融化 favouring 条件增强。在Stefan型框架下，TDD增加有利于活动层加深，但受积雪隔热、土壤水分、质地、地下冰和局地热传输条件的强烈调制。
FNa结果尤为关键：它不仅指示泛化的增温，更显示冻结主导相对融化影响的减弱。JC站点最为典型，其早期值与连续多年冻土适宜性气候范围一致，而记录后期主要落入不连续适宜性范围，某些年份接近零星阈值。这种跨气候场的向下位移对多年冻土维持的气候适宜性具有重要含义，尤其在已经暖而热力边际的南设得兰群岛。与詹姆斯罗斯岛（年均温约-6.6至-6.9℃，活动层约0.6米）的对比表明，相似幅度的大气变化在已经近0℃的海洋性多年冻土区具有更为关键的含义。
**研究结论**
该研究表明，利文斯顿岛和欺骗岛的近期气温变化不仅表现为MAAT增加，还体现为年度热状态的重构：寒冷日减少、融化相关条件增多、年度BDD负值减小，以及多站点冻结季缩短。平均热力条件大致受海拔控制，而变化率与海拔的关系较不一致，表明海拔仅提供一阶框架，局地因素在站点尺度调制大气响应。
研究进一步表明，FNa是表征冻结与融化主导变化的实用气温指标。其与热域组成的一致性表明，较低FNa的站点也是冷状态贡献较小、过渡和暖状态权重较大的站点。多站点观测到的FNa下降趋势指示大气气候适宜性正转向更常与更大多年冻土边际性相关的条件，尽管这不应被解读为多年冻土状态或分布变化的直接证据。从冻土视角看，融化影响增加和冻结主导减弱的结合指示大气强迫的变化，可能在气温信号有效传入地面的站点有利于更深的季节融化。这些含义在低海拔和中海拔站点可能最为相关，其MAAT和FNa值指示相对边际的多年冻土维持大气适宜性。
然而，这一大气信号不应被解读为活动层加深或长期冻土稳定性降低的直接证据。地面响应取决于积雪持续时间和厚度、风驱雪再分布、土壤水分、粒径、基质、表面物质、地下冰含量、暴露程度和局地热传输条件。冻土变化的直接评估需将这些气温结果与GST、活动层厚度、积雪和地面性质观测相结合。
