青藏高原作为全球最大的高海拔冻土分布区域，其冻土特性对区域生态环境和气候系统具有重要作用。砾石作为该区域土壤的主要组成成分，对土壤的水热属性会产生一定影响，然而，在现有陆面模型中未被充分考虑，导致水热过程模拟存在较大偏差。
我所地气作用与气候效应团队通过改进社区陆面模型（CLM4.5）参数化方案，系统评估了砾石对土壤水热特性的影响，并优化了冻土区域的活动层模拟。结合实测数据与模型敏感性实验，模拟了碎石含量变化对土壤热导率、土壤水分含量以及冻结-融化过程的影响。结果表明：随着碎石含量增加，土壤的导热系数显著提高，导致土壤温度分布在不同深度间的传递效率增强。碎石含量较高的土壤在冬季表现为较低的地表温度，在夏季表现为较高的深层土壤温度。在水分特性方面，碎石提高了土壤的渗透能力，增加了深层水分储存，减少了浅层土壤的蒸发量。此外，研究还比较了不同参数化方案的模拟效果，发现同时引入砾石参数化和冻结-融化过程的改进方案（SP3）在青藏高原典型站点（如那曲、玛多）的土壤温度和水分模拟中表现最佳。
本研究系统揭示了青藏高原砾石对冻土区域水热传输过程的调控机制，为提高陆面模型在高海拔区域的适用性提供了重要参考。研究指出，准确表征砾石的热力和水力特性，是提升冻土模拟精度和改善气候模型预测能力的关键。
上述成果近日以《Optimizing CLM4.5 Simulations of the Active Layer: The Role of Gravel in Tibetan Plateau Permafrost》为题，发表在国际期刊《Science of the Total Environment》，兰州大学与我所联培博士生徐悦为论文第一作者，马耀明研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（42230610, 42330601）、第二次青藏高原综合科学考察研究任务（2019QZKK0103）的共同资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.177232
图1 砾石含量的全球分布图及砾石对土壤水热性质的影响
图2 那曲和玛多站点土壤温度与土壤含水量的观测值与不同方案模拟结果对比
