Page 6 - 《高原气象》2025年第3期
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高     原      气     象                                 44 卷
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             2006； 吴青柏等， 2003； Cheng and Wu， 2007； Li et        原有的土壤垂直离散化方案进行加密， 使得模式对
             al， 2002）。此外， 青藏高原的冻土冻融过程同样对                       于土壤水热过程的模拟更为准确。刘子莎等使用
             整个东亚的大气环流有着重要影响（王澄海和尚大                             BCC_AVIM 陆面模式（Beijing Climate Center Atmo‐
             成， 2007； 王澄海等， 2021）。目前通过对CMIP6计                   sphere-Vegetation Interaction Model）探讨不同土壤
             划之中各模式数据分析研究， 可以得出各模式对青                            垂直离散化方案对土壤水热输送的影响， 研究表
             藏高原冻土相关变量的模拟效果还有待提升。例                              明： 在相同土壤深度下， 使用更密集的土壤分层方
             如对土壤冻融日期， 冻土深度分布等模拟不够准确                            案， 对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一
             （孟雅丽等， 2022； 胡桃等， 2022）。因此， 需要进                    定的积极作用， 模拟结果更加贴近实测值（刘子莎
             一步改进高原冻土参数化方案， 从而提升模式对高                            等， 2024）。
             原水热过程的模拟效果。除了考虑冻融过程外， 土                                土壤水热状况是气候系统中的一个重要组成部
             壤的水热过程还与土壤成分密切相关。砾石的孔                              分， 与气候变化密切相关。通过研究土壤水热的变

             隙度、 密度与细土有所不同， 砾石的存在对土壤含                           化， 可以更好地理解土壤水热对气候变化的影响，
             水量的导水率有较大影响（Brouwer and Anderson，                  从而为应对气候变化提供科学依据和技术支持
             2000）。砾石对土壤的热性质同样具有显著影响。                          （Yang et al， 2012； Onwuka and Mang， 2018）。本文
             研究表明， 土壤中的砾石含量会作用于土壤温度等                            的主要工作是将改进后的土壤冻融参数化方案， 土
             物理特性（Mehuys et al， 1975）。砾石的存在显著影                  壤砾石参数化方案与土壤垂直离散化方案进行结
             响了土壤的水热特性， 进而导致土壤内部热量和能                            合， 形成一套土壤分层及其冻融砾石参数化集成方
             量传输的变化。这些变化进一步作用于陆地表面                              案， 与国家地球系统模式中心的 BCC-CSM 大气环
             的整体过程， 并最终通过感热和潜热通量的调整，                            流模式（Beijing Climate Center Climate System Mod‐
             对 大 气 过 程 产 生 影 响（栾 澜 等 ， 2018； 解 晋 等 ，            el）进行耦合， 分析该参数化集成方案对土壤水热过
             2018； 马英塞等， 2019； 程攀等， 2023）。青藏高原                  程模拟的影响， 以达到提升模式模拟效果的目的。
             的土壤形成过程较为缓慢， 导致土壤中砾石含量相
                                                                2  模式参数化集成方案介绍
             对较高。此外， 随着土壤深度的增加， 砾石含量呈
             现逐渐上升的趋势（Ohtsuka et al， 2008）。因此在                      BCC-CSM 大气环流模式原始的土壤冻融方案
             研究青藏高原土壤水热时， 砾石的作用不可忽略，                            对高原地区的土壤冻融过程刻画效果较差， 为了更准
             模式中引入砾石参数化方案是必要的。                                  确地模拟青藏高原地区的水热过程， 之前的研究者们
                  使用模式研究土壤水热变化时， 应该考虑到土                         对土壤冻融参数化方案进行了优化。虽然这些优化
             壤质地剖面的非均匀性， 土壤水热过程模拟的准确                            过程提高了模式对冻融过程的模拟精度， 但仍存在一
             性与土壤垂直离散化方案有很大的关系， 当土壤分                            定偏差（Niu and Yang， 2006； Zhang et al， 2007； Ole‐
             层过少过稀疏时， 模拟的误差会随之加大。在当前                            son et al， 2008； Kozlowski， 2009； Kurylyk and Wata‐
             陆面过程模式中， 对土壤水分的定量表征通常通过                            nabe， 2013； Yang et al， 2018）。后续， 胥朋飞等人进
             两个主要方面实现： 首先， 在假设土壤垂向分布均                           一步改进了冻融参数化方案， 使其耦合到 BCC_

             匀的条件下， 利用 Richards 方程来模拟土壤水分的                      AVIM模式中， 并利用青藏高原玛曲站的观测数据验
             动态流动； 其次， 为地表土壤赋予不同的水文和热                           证了改进的有效性。结果表明， 这一改进明显提高了
             力学特性。尽管如此， 现实中的土壤质地往往呈现                            模式的土壤水热模拟性能（胥朋飞等， 2022）。杨凡等
             出垂向非均匀分布的特征。然而， 大多数陆面过程                           （2023）将改进后的冻融参数化方案耦合到 BCC_
             模式普遍采用简化的假设， 即认为土壤质地垂向均                            CSM模式中， 模式的模拟效果也提升明显。本试验
             匀分布， 并仅用表层土壤的质地来代表整个土壤剖                            将使用杨凡等（2023）改进的土壤冻融参数化方案， 将
             面的质地。这种简化处理可能无法准确捕捉土壤                              其耦合到BCC-CSM大气环流模式中进行模拟分析，
             水分和热量传输的真实过程， 从而影响模式的模拟                            改进后的土壤冻融参数化方案如下所示：
             精度（熊丁辉等， 2018）。青藏高原土壤质地在不同                            （1） 在原模式土壤冻融判断标准中加入过冷水
             深度差异较大， 土壤砾石含量也随深度而增加， 土                           的概念， 改进土壤冻结判断条件与含冰量更新标准，
             壤有机质的含量也随深度差异较大。因此需要对                              并用平衡温度概念替换模式原恒定的冻结温度：
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