高原气象

作者：侯雅,李伟平,左金清

单位：1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081 ","2. 中国气象局地球系统数值预报中心，北京 100081 ","3. 中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心，北京 100081

关键词：土壤冻融过程,参数化方案,土壤导热率,土壤水文参数,冻融锋,水热耦合

基金：国家重点研发计划项目(2023YFC3007503),中国气象局气候预测创新团队项目(CMA2023ZD03)

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分， 其冻融循环变化能够影响土壤结构、 土壤水热传输以及土壤生物化学等过程， 并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此， 研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、 有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制， 总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果， 包括土壤导热率和水力学参数的计算、 水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言， 砾石具有高导热率和低热容， 有机质具有低导热率和高热容， 他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外， 砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、 土壤基质毛细作用与吸附作用， 进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明： （1）当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算， 其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响， 该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性； 综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用， 对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。（2）过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0 ℃以下存在的事实； 相变温度方案描述了土壤相变温度低于0 ℃且不固定的事实； 导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用， 改善了对冻土区水文过程的模拟效果。（3）土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化， 水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征， 细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。（4）等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征， 导致对冻融深度的严重高估或低估， 尤其是对厚度较大的模式深层土壤， 冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括： 绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实； 虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、 热传输的影响， 但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节； 模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、 刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、 考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件， 这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

来源：2025年第1期

《高原气象》期刊编辑部

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