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多年冻土区陆面过程模拟的关键参数优化及其对地气相互作用的影响

陆面模式,多年冻土,参数化方案,土地利用

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.12 青藏高原地气相互作用及对天气气候的影响

在气候变暖背景下，青藏高原多年冻土持续退化，改变了地表能量与水分平衡过程，进而影响了区域天气气候。准确模拟多年冻土已成为高原天气气候研究的关键科学问题。陆面过程模式是研究陆气耦合的重要工具，但在高原冻土区的模拟仍存在显著不确定性，主要源于土壤热导率（STC）、土壤饱和导水率（Ksat）和土地利用/覆盖（LULC）等关键参数的适用性不足。为此，本研究基于CLM5陆面模式，系统评估了九种STC方案、五种Ksat方案及五套高分辨率LULC产品在青藏高原多年冻土区的模拟性能。

在土壤热导率方面，我们将九种典型方案与青藏高原原状土壤样品的实验室观测进行对比，并将这些方案逐一引入CLM5，评估其对土壤温度和多年冻土分布的模拟能力。统计结果表明，L2014与N2015方案对原状土壤样品的热导率估算较为准确。单点模拟显示，L2014在土壤温度模拟上显著优于其他方案；但值得注意的是，热导率估算最优的方案未必在土壤温度模拟中取得最优结果，这主要归因于土壤水分模拟存在偏差。

在土壤导水率方面，研究评估了五种典型方案。实验室土样数据评估显示，除Campbell方案外，多数方案对Ksat存在不同程度的高估，CLM5.0默认方案在整体估算精度上表现最佳，但未能充分捕捉观测值的变动范围。12个站点的土壤水分模拟结果表明，Chapuis方案具有最小的均方根误差，而USBR方案具有最高的时间相关性。区域尺度的分析进一步显示，USBR方案整体表现最优，且最优方案的选择依赖于土壤质地与有机质含量。基于XGBoost-SHAP的土壤质地依赖性分析揭示，所有方案模拟的浅层土壤水分均主要受土壤有机质控制，这种影响随深度增加而减弱。

在土地利用数据方面，尽管各产品均能反映高原以草地与裸土为主的宏观格局，但在裸土—草地过渡带及东南部复杂地形区存在显著差异。这些差异通过改变地表净辐射进而影响土壤温度与活动层厚度的模拟。ESA_WC10与MODIS_LC产品在西北部识别出更高比例的裸土，导致净辐射与土壤温度显著偏低；GlobeLand30产品在高原南部识别出更多冰川与积雪覆盖，同样对地表能量平衡产生显著影响。不同LULC产品对多年冻土范围的模拟影响有限，但对活动层厚度的影响显著，这对冻土区工程安全与生态水文过程具有重要指示意义。

综上所述，本研究系统揭示了STC、Ksat与LULC三类关键参数对青藏高原多年冻土区陆–气相互作用模拟的影响机制，并明确了适用于高原冻土区的最优参数化方案组合。研究成果为提升陆面过程模式在高原冻土区的模拟能力提供了科学依据，也为深入理解多年冻土退化对区域天气气候的反馈机制奠定了基础。