耦合积雪-冻土参数化方案的陆面模式的开发

积雪和冻土作为冰冻圈的重要组成部分，由于分布广泛，且水热属性特殊，成为陆面过程研究中的重要研究对象。在全球气候变化背景下，积雪和冻土的变化对于全球、区域水循环都具有明显影响。同时，由于积雪和冻土大多分布于高寒区域，地形条件复杂，大范围密集观测困难，因此，开发包含积雪-冻土模块的陆面模式对于开展寒区陆面水文过程的模拟和预测研究十分必要。

鉴于此，中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心王磊研究员及其团队经过长期积累，开发了耦合积雪和冻土耦合物理过程的陆面模式（图1；HydroSiB2-SF）。新的陆面模式耦合了基于能量平衡的三层积雪方案以及冻土参数化方案，并且以焓代替积雪/土壤温度作为新的预测变量，可以避免引入溶解潜热、保证计算的稳定性。在青藏高原的两个典型站点，对积雪和冻土物理过程进行了验证，一个为积雪较多的黑河上游大冬树垭口站（用于验证三层积雪模块）和积雪很少的西藏阿里站（用于验证冻土模块）。通过在垭口站进行模型对比实验（相对于原有的单层积雪参数化），含三层积雪模块的模型能够更好地描述能量在雪层中的衰减，体现雪层对下层土壤的保温作用，能更准确地模拟春季消融期土壤温度曲线及土壤水相态的转化；在阿里站关闭冻土模块进行对比实验，结果显示，含冻土模块的模型能更好地模拟土壤的冻融过程，合理地模拟冻结时土壤水相态的转化。此外，改进的陆面模式还成功模拟了土壤水分的倒吸现象，即在土壤水冻结瞬间、产生的土壤吸力使得下层的未冻水向上（即向冻结锋面）运动。因此，该模型可合理刻画入冬期土壤水分由下层未冻层向上层冻结锋面运移的现象（如图2所示）。

本研究得到了国家重点基础研究发展计划(2013CBA01805)，中国科学院项目（XDB03030302），国家自然科学基金（41322001）等项目的支持。该研究成果近期发表于水文学顶级刊物Water Resources Research。

引用：Wang,L.,, J. Zhou, et al.(2017), Development of a land surface model with coupled snow and frozen soil physics, Water Resources Research, 53, doi:10.1002/2017WR020451.

　　图1. 耦合了积雪-冻土模块的新陆面模式HydroSiB2-SF示意图。

　　图2. 大冬树垭口站的模拟土壤含冰量（上图）以及模拟的向上土壤水分通量（下图）土壤剖面图