《Agricultural and Forest Meteorology》：Evaluating the impact of different freezing-point depression equations on permafrost hydrothermal processes in the Arctic and Qinghai-Tibet Plateau with CLM5.0
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本研究通过CLM5.0模型在北极和青藏高原六个站点测试11种冻融参数化方案，发现土壤温度最优方案因地区异（北极TEST3降低误差7.1-8.3%，青藏高原TEST10），土壤湿度需采用含残余水参数的范-格纹曲线（TEST5），模型结构限制导致冻融期基质势输出失真，主要问题为土壤质地数据偏差、侧向水流未考虑及雪层保温模拟不足，需优化参数化方案提升冻融过程模拟精度。
沈宁王|任莉|吴同华|马俊杰|刘文豪|杨淑华|杜一珍|肖瑶|吴晓东|胡国杰|姚 Jimin|唐胜峰|朱晓凡|史建宗|乔永平
中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室青藏高原冰冻圈研究站，甘肃省兰州市730000
摘要
永久冻土地区的土壤水热过程对陆地-大气交换至关重要，但在模型中准确模拟这些过程具有挑战性，主要原因是未冻结水含量的参数化问题。本研究使用CLM5.0模型，在北极和青藏高原（QTP）的六个站点评估了11种冰点降低方案，这些方案基于三种土壤水分特征曲线（SWCC）和四种土壤基质势能方案的组合。结果表明，最佳方案具有区域依赖性。对于土壤温度，结合有效孔隙度和冻吸效应的方案（TEST3）将北极地区的均方根误差（RMSE）降低了0.51–0.52°C（7.1–8.3%），而在QTP地区，冻吸效应方案（TEST10）的表现最佳，RMSE降低了0.04–0.06°C。对于土壤湿度，Van Genuchten SWCC方案结合有效孔隙度（TEST5）在北极地区将RMSE降低了高达0.018 m3/m3（13.2%），而在QTP地区TEST4/TEST5方案表现最佳。Brooks & Corey和Van Genuchten SWCC中对残余水含量的显式参数化是关键机制，它将默认方案的较大土壤湿度偏差纠正了多达53%。冻吸作用增加了未冻结水量，而有效孔隙度则减少了未冻结水量。然而，模型结构的限制导致冻结过程中的基质势能输出不可靠。某些站点的持续偏差归因于土壤质地数据不准确、未考虑侧向流动以及雪绝缘表示不足。本研究强调了这些方案的区域适用性，并为改进永久冻土模拟提供了重要见解。
引言
永久冻土是冰冻圈的重要组成部分，对气候变化高度敏感，同时也对气候系统有显著反馈作用（Biskaborn等，2019；Smith等，2022）。它主要分布在北半球的高纬度和高海拔地区，覆盖面积约为1.40 ×10?平方公里，占北半球总面积的22%（Obu等，2019；Ran等，2022；Liu等，2023）。近年来，全球平均气温持续上升，2024年的全球平均气温比工业化前水平高出1.5°C以上，持续时间超过一年（Bevacqua等，2025；Cannon，2025；Stroeve等，2025）。特别是在北极和青藏高原（QTP），这些地区是高纬度和高海拔永久冻土的典型代表，其变暖速率是全球平均水平的2到4倍（You等，2021；Rantanen等，2022；Cohen等，2024；Li等，2024；Polyakov等，2024；Hu等，2025；Gong等，2025）。受此影响，永久冻土正在经历不同程度的退化，表现为年平均地表温度升高、活动层增厚、地面冰融化以及永久冻土厚度和面积减少（Biskaborn等，2019；Ding等，2019；Zhao等，2021；Luo等，2024；Nitzbon等，2024；Stroeve等，2025）。永久冻土是地球上最大的陆地生态系统土壤有机碳库（Mishra等，2021；Palmtag等，2022；Wu等，2022），仅环北极地区就储存了约1300 Pg的碳，大约是大气碳库量的两倍（Hugelius等，2014；政府间气候变化专门委员会（IPCC），2023）。据估计，全球气温每升高1°C，环北极永久冻土将释放约4.35×101? kg的碳（Del Vecchio等，2024）。在当前的全球变暖趋势下，永久冻土的加速退化导致土壤有机质快速分解，以二氧化碳和甲烷的形式向大气中释放大量有机碳，进一步加剧全球变暖，对全球气候系统构成严重威胁（政府间气候变化专门委员会（IPCC），2022；Schuur等，2015）。
土壤水热过程是陆地与大气之间能量和水分交换的直接结果，也是描述永久冻土变化的重要指标（Hu等，2019；Li等，2020）。土壤温度和土壤湿度作为决定土壤水热条件的核心物理参数，是地表模型（LSMs）中最基本的变量，直接调节地表蒸散、显热通量和潜热通量等关键过程（Qin等，2017；Yang等，2018；Ma等，2023；Li等，2025）。然而，目前对永久冻土水热条件的监测主要依赖于分布稀疏且不均匀的点观测数据。尽管这些数据已被汇总和分析以获得大范围的永久冻土信息，但由于监测点分布不均以及永久冻土热性质的显著差异，难以直接推广到更大范围，导致大量未监测区域的数据缺失（Cheng，2004；Cao等，2021；Biskaborn等，2019；Zhao等，2022）。因此，为了弥补现场观测成本高昂和永久冻土水热性质空间异质性高的限制，通常使用LSMs进行大规模和长时间序列的永久冻土变化研究。目前，LSMs已成为研究永久冻土能量和水过程及其环境和资源效应的重要手段（Dai等，2019a；Wang和Yang，2018；Yang和Wang，2019）。
然而，由于不同类型永久冻土的冻融循环水热机制存在差异，各种LSMs中的水热参数化方案也存在差异，其适用性也因地区而异。这导致不同模型模拟的永久冻土水热条件存在显著差异（Yang和Wang，2019；Burke等，2020；Zhao等，2022；Peng等，2023；Yang等，2023；Steinert等，2024）。例如，在RCP8.5情景下，不同模型预测的永久冻土变化差异显著：一些研究预测QTP地区的永久冻土将消失（Guo和Wang，2016），而其他研究则表明北半球的永久冻土退化相对缓慢，即使在RCP8.5情景下，到2046年大部分永久冻土仍然存在（Wang等，2019）。也有研究表明，在同一情景下，当前厚度仅为30米的永久冻土到2100年也不会完全消失（Sun等，2019）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告也明确指出，在量化永久冻土范围方面仍存在某些挑战（政府间气候变化专门委员会（IPCC），2023）。因此，改进LSMs中冻融过程水热变化的描述是提高永久冻土水热模拟精度和准确描述永久冻土变化的前提。
目前，LSMs在土壤温度上通常表现出“冷偏差”，在土壤湿度上表现出“湿偏差”，尤其是在高纬度和高海拔地区，这些偏差在冻融过程中尤为明显（Su等，2013；Xiao等，2013；Luo等，2017；Ma等，2023；Wang和Yang，2018；Wang等，2019；Melton等，2019；Yang等，2018，2021，2023）。已经进行了大量研究来改进LSMs中的土壤水热条件模拟。例如，通过改进热导率方案提高了土壤温度模拟的准确性（Yang等，2021），通过优化热粗糙度长度和干燥表层方案改进了地表显热和潜热通量的模拟（Ma等，2023），并通过调整砾石参数化方案减少了土壤温度模拟的冷偏差（You等，2022；Luo等，2023；Yuan等，2023）。与土壤热过程相比，永久冻土地区的土壤水力过程更为复杂（Zhang等，2017；Yang等，2018；Chen等，2018）。土壤含水量不仅控制其水热性质，还决定了冻融过程中吸收或释放的潜热量（Boike等，2018）。此外，由于测量的土壤湿度数据稀缺，目前关于寒冷地区LSMs中水力过程的研究相对不足，各种水力方案在永久冻土地区的性能和差异尚不清楚。
相变过程是区分冻结地面和非冻结地面的最基本物理机制（Dobinski，2011；Smith等，2022）。冰点降低方程是通过在未冻结条件下结合SMP和SWCC构建的，基于Clapeyron方程描述的水-冰相平衡，并简化了孔隙冰压力（Cary和Mayland，1972；Fuchs等，1978；Niu和Yang，2006；Kurylyk和Watanabe，2013；Zhou等，2018；Hu等，2023）。它是当前LSMs描述冰-水相变的主要理论基础。Community Land Model版本5.0（CLM5.0）是Community Earth System Model（CESM）的土地组成部分（Lawrence等，2019；Danabasoglu等，2020），是耦合模型比较项目第6阶段（CMIP6）中最常用的LSMs之一（Burke等，2020；Steinert等，2024），并在北极和青藏高原的永久冻土地区研究中得到广泛应用（Cai等，2020；Ma等，2023；S. Wang等，2023；Luo等，2024；Yang等，2025；Damseaux等，2025）。本研究使用CLM5.0模型模拟了北极和青藏高原永久冻土地区的土壤水热条件，旨在探讨基于不同土壤水分特征曲线（SWCC）和土壤基质势能参数化方案组合的11种不同冰点降低方程对土壤水热模拟结果的影响，并揭示不同方案下土壤水力参数变化如何影响冻融条件下的土壤湿度。这项对物理机制的系统性评估旨在为未来LSMs的发展和永久冻土研究中的参数化方案选择提供参考。本文结构如下：第2节介绍研究区域和方法，第3节展示不同方案下的模拟土壤温度和湿度结果，第4节讨论不同SWCC和基质势能方案对土壤水力性质的影响，第5节总结研究。
研究站点和数据
本研究选择了北极和青藏高原永久冻土地区的六个典型监测站点：Bayelva站（BAY）、Bylot站（BYL）、Umiujaq站（UMI）、Tanggula站（TGL）、Beiluhe站（BLH）和Xidatan站（XDT）（图1）。BAY站点位于斯瓦尔巴群岛的西斯匹次卑尔根岛，属于欧洲高北极地区，植被覆盖率为50–60%，下层为苔原（Boike等，2018）。BYL站点位于...
土壤温度模拟结果
图2显示了三个北极站点（BAY、BYL、UMI）四个深度的观测和模拟日平均土壤温度的比较。在三个北极站点中，BYL的模拟结果优于BAY和UMI，模拟结果充分反映了BYL的土壤温度季节变化。相比之下，BAY和UMI的模拟土壤温度在冻结期间被低估，CLM5.0默认方案的RMSE...
SWCC对水热模拟影响的机制
不同SWCC的数学公式和潜在物理过程从根本上决定了水力参数的模拟及其后续的水热动态。BC方程和VG方程与Campbell方程之间的一个显著区别是它们考虑了残余水含量（θr）（Brooks和Corey，1964；Campbell，1974；van Genuchten，1980）。残余水含量指的是在强烈脱水条件下无法去除的水分...
结论
基于使用CLM5.0对北极和青藏高原6个永久冻土站点的11种冰点降低参数化方案进行的系统评估，主要结论如下：
1.模拟土壤温度的最佳方案因地区而异。在北极地区，TEST3（结合有效孔隙度和冻吸效应的Campbell曲线）表现最佳，与默认方案相比，BAY和UMI站点的平均RMSE降低了0.51–0.52°C（7.1–8.3%）。在QTP地区，TEST10（Brooks...
资助
本研究得到了
国家重点研发计划（2020YFA0608502）、
国家自然科学基金（42471168、W2412013）、
中国科学院西部之光基金（xbzg-zdsys-202304）、
国家自然科学基金（U23A2062）、
国家重点研发计划（2023YFC3206300）、
冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室项目的支持（编号...
CRediT作者贡献声明
沈宁王：撰写——原始草稿、软件、资源、方法论、正式分析、数据管理、概念化。任莉：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。吴同华：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。马俊杰：软件。刘文豪：可视化。杨淑华：软件。杜一珍：可视化、概念化。肖瑶：软件。吴晓东：撰写——审阅与编辑。胡国杰：正式...
