Page 98 - 《高原气象》2022年第1期

高 原 气 象 41 卷
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STC，超出了实际 STC 的值。由于这些原因，Côté { 1 - θ s k liq， S r > 1 × 10 -5
θ s
k sat = k s （9）
and Konrad（2005a）提出了一种测干热导率的新方 1 - θ s θ s θ s - θ liq -5
k s k liqk ice ， S r ≤ 1 × 10
法，并建立了一种新的 K e - S r 关系来考虑土壤饱
k dry = χ × 10 -ηθ s （10）
和条件下 STC 的值。计算干导热系数 K dry 的式子
κS r
如下： K e = （11）
1 + (κ - 1)S r
K dry = ∑ i χ i (10 -η i θ s ) （6）
f
i Luo 方案中，高原中部各种类型土壤 χ、 η 及 κ
-1
-1
-1
-1
式中： χ i （单位：W·m ·K ）和 η i （单位：W·m ·K ） 的值见表6。
是土壤类型经验参数。新的 K e - S r 关系提出一个 表6 Luo方案中χ、 η及κ的值
参数κ： Table 6 Values of χ、 η and κ in Luo
K e = κS r （7） parameterization scheme
1 + (κ - 1)S r
κ
式中： κ 是一个经验参数，可以表示土壤类型和水 土壤类型 χ η 未冻结 冻结
的状态。Côté and Konrad（2005a）给出了 χ i 、 η i 和 κ
砂土 1. 70 1. 80 4. 60 1. 70
的值（表 4、5）。Côté and Konrad（2005a）的饱和热 壤质砂土、砂质壤土 0. 75 1. 20 3. 55 0. 95
导率计算方法与Johansen方案相同。 粉质壤土、壤土、粉质粘壤土、粉土 0. 75 1. 20 1. 90 0. 85

表4 Côté and Konrad方案中χ及η的值 表中数据引自罗斯琼等（2009）
Table 4 Values of χ and η in Côté and Konrad 3. 3 虚温参数化方案
parameterization scheme
根据之前的研究发现在土壤融化过程中，随着
类型 χ η 温度的增加，浅层的土壤水分都先有缓慢的增加，
碎石和砾石 1. 70 1. 80 当 土 壤 温 度 接 近 0 ℃ 时 ，土 壤 快 速 解 冻 ，而
自然矿物土壤 0. 75 1. 20 CLM4. 5 模式模拟的土壤水分无法捕捉到这一特
纤维土壤（泥炭） 0. 30 0. 81 征；在土壤冻结过程中，当土壤温度降到冰点以下
时，当土壤温度仍在 0 ℃附近时，土壤湿度也迅速
表5 Côté and Konrad方案中κ的值
下降；随着土壤温度持续下降，土壤水分缓慢下
Table 5 Values of κ in Côté and Konrad
降，CLM4. 5 模式可以大致描述冻结过程中土壤温
parameterization scheme
度与水分的关系。也就是说，CLM4. 5 模式对土壤
类型 未冻结 冻结
冻结过程的模拟能力较好，对土壤融化过程的模拟
砾石和粗砂 4. 60 1. 70
能力有待提高。
中砂和细砂 3. 55 0. 95
以前的研究表明，用于确定相变发生的冻结温
粉土和粘土 1. 90 0. 85
度不应该是一个恒定的值，所以 Yang et al（2018）确
纤维土壤（泥炭） 0. 60 0. 25
定式（12）为虚拟土壤温度，用以建立新的相变参数：
3
3. 2. 4 Luo方案 T v = 10 L f T f -B （12）
罗斯琼等（2009）认为之前的热传导率方案都 10 L f - g·ψ sat( )
θ liq
3
有不足，比如 Farouki 方案明显高估了高原中部土 θ sat
壤的基质热传导率。因此，罗斯琼等（2009）在 Jo‐ { T > T v and w ice > 0时融化 （13）
hansen、Côté 方案等基础上改进了热导率参数化方 T > T v and w liq > w liq ，max 时冻结
案。将 Farouki 方案的土壤基质热传导率，干土壤 式中： T f 为冻结温度（273. 15 K）； L f 融化时的潜热
热传导率，及 Kersten 数作出修改。土壤基质热传 （单位：J·kg ）；g 和 B 分别是重力加速度（单位：
-1
导率用 Johansen 方案，干土壤热传导率，及 Kersten m·s ）和 Clapp and Hornberger 指数； ψsat 是基质势
-2
数均采用 Côté 方案。新的土壤热传导率参数化方 （单位：mm）， θ liq 和 θ sat 分别是液态含水量和饱和含
案表示为： 水量（单位：mm·mm ）， w ice 和 w liq 分别是每层土壤
2
-2
{ K e S sat + (1 - K e )k dry ， S r > 1 × 10 -5 中的冰与液态水含量（单位：kg·m ）； w liq ，max 是土
-2
k = k dry ， S r ≤ 1 × 10 -5 （8） 壤温度低于冻结温度时液态水的最大值。