Page 21 - 《高原气象》2025年第3期
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3 期                      刘子莎等：不同土壤分层方案对土壤冻融过程的影响研究                                         579
               程， 作为寒区地表的物理特征， 是评估冻土存在                           展的大气-植被相互作用模型 AVIM2进一步演化而
               性、 发育状态以及气候变化响应的关键指标。冻融                           来， 这一模式经过长时间的发展， 已相对成熟， 并
               过程不仅揭示了土壤的物理状态， 更是生态系统功                           且在中国气候预测与模拟业务实践中得到了广泛
               能维持与演变的关键环节（刘帅等， 2009； 杨梅学                        应用。此模式不仅涵括CLM3. 0陆面模式中的土壤
               等， 2006）。在全球气候不断变化的背景下， 深入                        水热模块和陆地碳循环过程， 还融入了 AVIM2 模
               研究冻融过程对我国天气模式、 气候动态的影响机
                                                                 型中的化学生物模块（Farouki， 1981； Fuchs et al，
               制及其演变规律， 不仅具有重大的科学意义， 而且
                                                                 1978； Jordan， 1991； 吴统文等， 2014）。
               有助于提升我们对气候与环境变化的预测与适应
                                                                     BCC_AVIM 陆面过程模式中关于土壤的分层
               能力。目前已经有学者专家利用CLM5. 0陆面模式
                                                                 方案为：
               对青藏高原冻融过程的模拟效果进行了验证， 并对
               青藏高原冻融过程相关参数化方案进行了改进检                                       Z i = f s{exp[0.5(i - 0.5)] - 1}  （1）
                                                                                       )
               验（曾璇等， 2023； 杨凡等， 2023）， 但是模式土壤                             ì 0.5( z 1 + z 2 ，    i = 1
                                                                           ï ï
                                                                           ï ï
                                                                                         )
               分层方案对于土壤冻融过程模拟的敏感性验证还                                  ∆z i = í0.5( z i + 1 - z i - 1 ， i = 2，3…N - 1 （2）
               比较少。                                                        ï ï  z N - z N - 1 ，  i = N
                                                                           ï ï
                                                                           î
                                                                                         )
                   此外， 研究已经表明， 在实际应用中， 若某一区
                                                                              ì0.5( z 1 + z 2 ， i = 1，2…N
               域土壤的上下层饱和导水率存在显著差异， 那么对                                   z h，i  = í                        （3）
               土壤水分进行垂向均匀化处理可能会引发显著的误                                         î  z N + 0.5∆z N ，  i = N
                                                                 式中： Z i 为各层土壤的节点深度； Z 为各层土壤的
               差， 进而对区域土壤水分的准确评估造成严重影响                                                           h，i
              （熊丁晖等， 2018）。在当前的陆面过程模式研究                          界面深度； ∆Z i 为各层土壤的厚度； i 表示土壤层的
               中， 为了模拟水分分布， 部分模式采用了基于土壤                          系数； N 表示总土壤层数， 在此模式中界定为 10
               性质的参数化方案以及层次化处理方法来反映土壤                            层， f s 为标准系数， 在此模式中规定为 0. 025。此方
               的非均一性。然而， 研究发现， 即便针对同一地区                          案在本文中称为原方案。
               的土壤条件， 由于不同陆面模式所采用的参数化方                           2. 2 加密分层方案
               案及土壤层次划分的差异， 模拟结果仍然会呈现出显                              从 BCC_AVIM 陆面模式中的原土壤分层方案
               著的差异（李倩和孙淑芬， 2015）。付春伟等（2022）基                    中， 可以发现该模式在土壤柱的分层上相对简化，
               于 CLM4. 5 陆面模式， 对三种不同的土壤热导率参                      仅划分为 10 个层次。这导致了土壤深度随层次增
               数化方案进行了深入的分析与评估， 为探究最优的                           长迅速， 特别是在土壤浅层和中层， 分层较少且厚
               土壤参数化方案提供了有力的科学支撑和理论依
                                                                 度偏差较大。因此， 本试验主要对 BCC_AVIM 模
               据。然而， 模拟的准确性不仅取决于所选的土壤性
                                                                 式中土壤深度与厚度的快速增加进行调整和优化，
               质参数化方案， 还受到土壤在垂直方向上分层的影
                                                                 使模式在模拟土壤浅中层冻土活动层时具备精细
               响。因此， 为了降低模式模拟中的误差， 对土壤在
                                                                 的层次划分和更细致的厚度分布。
               垂直方向上的分层进行更为科学且精确的划分， 能
                                                                     为此， 我们采用线性插值的方法， 对各层土壤
               有效提升对冻融期土壤温度与湿度变化趋势的模拟
                                                                 的节点深度、 界面深度以及土壤层厚度进行了重新
               效果， 从而进一步提高陆面过程模式的模拟性能。
                                                                 计算， 将 BCC_AVIM 陆面模式原本划分的 10 层土
               2  土壤分层方案简介                                       壤层扩展至 20 层， 这一方案在本文中称为加密

               2. 1 BCC_AVIM模式及其土壤分层方案                           方案。
                   BCC_AVIM 陆面过程模式是基于季劲钧等发                       2. 3 CLM5. 0土壤分层方案


                                       ì               j*0.02，                       j ≤ 4
                                       ï ï     dzsoi( ) 4 + ( j - 4 *0.04，        5 ≤ j ≤ 13
                                                              )
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                                                    13
                             dzsoi ( j ) = í  dzsoi( ) + ( j - 13 *0.1，         14 ≤ j ≤ nlevsoi           （4）
                                       ï ï
                                       ï                           )   ) 1.5
                                       ï
                                       ï dzsoi( nlevsoi +  (( j - nlevsoi *25  ， nlevsoi < j < nlevgrnd
                                                    )
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                                       î
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