在气候变暖的北极放大和冬季放大效应下，土壤冻结深度是反映泛北极冻土变化的灵敏指标。然而，由于现有土壤冻结深度制图方案不兼具对土壤冻结深度高时空异质性和物理约束的刻画能力且主要面向年最大冻结深度，目前在泛北极地区仍缺乏高精度、月度时间分辨率的土壤冻结深度分布数据。我们耦合简化的Stefan方程和随机森林回归模型，构建了一种兼顾物理约束和时空异质性的月度土壤冻结深度制图新方案（MSFDmap）。利用泛北极地区20年间（2004–2023水文年）60个站点处的2123条站点-月度观测数据实现了MSFDmap，生产了2004–2023水文年泛北极冷季（10月–5月）的月度土壤冻结深度分布数据。在下伏多年冻土的地区，数据值表示土壤释放热量全部消耗于土壤冻结所达到的潜在土壤冻结深度（一般大于活动层厚度）。基于站点-月度土壤冻结深度的精度验证结果显示，数据的均方根误差（RMSE）为19.21 cm，决定系数（ R2）为0.91；与现有方案生产的数据相比，RMSE降低了24–55 %，R2提高了8–65 %。站点-月度土壤冻结深度的数据值时序与观测值时序具有高度的趋势一致性：在站点平均水平上，两时序的Pearson相关系数r = 0.99, RMSE = 9.13 cm；在83%的站点中，两时序的趋势一致性处于高水平（r ≥ 0.8）。数据展现了月度土壤冻结深度应有的纬度和海拔梯度，与基于ERA5-Land土壤温度插值所得土壤冻结深度分布的空间格局一致性r = 0.60。该数据有效地刻画了泛北极月度土壤冻结深度的时空动态，精度优于现有方案结果，可为泛北极地区的冻土研究提供基础数据支持。
站点多层土壤温度和近地表2 m气温观测源于：（1）俄罗斯水文气象信息研究所世界数据中心（https://meteo.ru/data/）；（2）美国自然资源保护局公开的土壤气候分析网络（Soil Climate Analysis Network）和积雪遥测网络（Snow Telemetry Network）中站点数据 （https://nwcc-apps.sc.egov.usda.gov/imap/）；（3）芬兰气象研究所的气象站数据（https://litdb.fmi.fi/）以及（4）全球多年冻土陆地网络（Global Terrestrial Network for Permafrost）数据库（https://gtnpdatabase.org/boreholes）。这些数据时间分辨率为逐日甚至更高（小时或10分钟），站点主要分布于欧亚北极地区和美国阿拉斯加地区，但不同来源数据的时间范围不一（最多包含1963–2024年）、所记录土壤温度的深度不一（多为1.6 m及更浅处）。
环境栅格数据包括：（1）ERA5-Land全球陆地再分析产品，以0.1°分辨率提供月度2 m气温、降水、雪深、多层土壤温度和体积含水量等数据（https://doi.org/10.24381/cds.68d2bb30）；（2）MCD15A3H v061，500 m分辨率的4天合成叶面积指数，源于Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪观测（https://doi.org/10.5067/MODIS/MCD15A3H.061）；（3）SoilGrids 2.0和HiHydroSoil v2.0，全球土壤属性数据，二者的分辨率为250 m、包含最深达2 m的6个土壤深度处的数据（https://doi.org/10.5194/soil-7–217-2021，https://www.futurewater.eu/projects/hihydrosoil/）以及（4）Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010，为7.5″分辨率的全球高程数据（https://doi.org/10.3133/ofr20111073）。
（1）将多层土壤温度观测确定的土壤冻结深度和气温观测确定的空气冻结指数输入简化的Stefan方程，计算站点-月度的热传递因子。
（2）基于环境栅格数据，生产冻结期内月度累计平均的环境变量分布，并提取站点值。
（3）以站点-月度的环境变量为自变量，构建月度热传递因子的随机森林回归模型。
（4）采用月度累计平均的环境变量分布驱动月度热传递因子的随机森林回归模型，生产月度热传递因子的分布。
（5）根据简化的Stefan方程，利用月度热传递因子和空气冻结指数的分布实现月度土壤冻结深度制图。
采用10折交叉检验法对MSFDmap生产的站点-月度土壤冻结深度数据值进行精度验证的结果显示，均方根误差（RMSE）为19.21 cm，决定系数（R2）为0.91；与现有方案生产的数据相比，RMSE降低了24–55 %，R2提高了8–65 %。采用Pearson相关系数（r）和RMSE验证站点-月度土壤冻结深度数据值时序与观测值时序的趋势一致性：在站点平均水平上，两时序的Pearson相关系数r = 0.99, RMSE = 9.13 cm；在83%的站点中，两时序的趋势一致性处于高水平（r ≥ 0.8）。数据展现了月度土壤冻结深度应有的纬度和海拔梯度，与基于ERA5-Land土壤温度插值所得土壤冻结深度分布的空间格局一致性r = 0.60。以上验证结果表明，该数据有效地刻画了泛北极月度土壤冻结深度的时空动态，精度优于现有方案，可为泛北极地区的冻土研究提供基础数据支持。
| # | 编号 | 名称 | 类型 |
| 1 | 2020YFA0608504 | 北极陆地环境变化对人类社会致利致害效应评估 | 国家重点研发计划 |
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CSTR:11738.11.NCDC.ARCTIC-CHANGE.DB7144.2026
10.12072/ncdc.arctic-change.db7144.2026
