青藏高原广泛覆盖着多年冻土和季节性冻土。冻土中的液态水和固态冰会显著改变土壤的水热特性，从而对陆面过程产生重要的影响。中国科学院青藏高原研究所地气作用与气候效应团队在此前的研究中指出Noah-MP陆面模型不同类型的可选参数化方案中，冻土渗透性方案在多年冻土区土壤水热模拟中敏感性较强，是准确刻画该地区陆面过程的关键参数化方案。
基于此，本研究使用模型中两种不同的冻土渗透性方案：NY06方案假设模型网格单元包括透水和不透水区域，利用土壤总湿度计算土壤水力特性，其中冰对渗透性的影响较小且线性。Koren99方案考虑液态水体积来计算土壤水力特性，其中冰对渗透性的影响较大且非线性。研究指出，在多年冻土区，两种方案在浅层土壤含水量的模拟结果相似，深层土壤的含水量和含冰量存在显著差异。这是因为Koren99方案由于渗透性较低，导致冻结期在浅层累积土壤冰，融化期冰融水补充了土壤含水量，并逐渐增加了深层土壤湿度的模拟结果。NY06方案更多依赖当前季节的降水和融雪水补给。但在季节性冻土区，两种方案的差异较小。以上也表明在多年冻土区Koren99方案的土壤记忆效应更强，能够将前期的土壤水分信号传递到后续季节，NY06方案的记忆效应较短。
研究进一步发现Koren99方案在多年冻土区限制水分向上传输的能力超过了向下传输。此外，两种方案在多年冻土区的蒸散发和地表径流模拟中差异显著。Koren99方案较低的渗透性将导致春季地表径流增加，而NY06方案在夏季的蒸散发模拟值更高。
综上，尽管两种冻土渗透性方案对浅层土壤含水量的模拟结果相似，但其物理机制不同，导致土壤记忆效应的差异。值得注意的是，夏季多年冻土区的蒸散发和径流对冻土渗透性方案敏感性较强。本研究揭示了冻土中冰的双重角色（既是屏障也是水源）对土壤水热过程的影响，为改进冻土参数化方案提供了理论依据，对理解青藏高原土壤水热过程及其气候响应具有重要意义。
上述研究成果近日以“Mechanism analysis of simulation differences with two frozen soil permeability schemes in Noah-MP over the Tibetan Plateau”为题，发表在《Journal of Hydrology》上。我所博士后胡伟为论文第一作者，马伟强研究员和美国德克萨斯大学奥斯汀分校杨宗良教授为共同通讯作者，马耀明研究员、韩存博研究员和谢志鹏副研究员等为合作者。该研究获得国家自然科学基金（U2242208）、国家重点研发（2022YFB4202104）和第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0103）项目的共同资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.133437
图1 不同冻土渗透性方案考虑跨季节土壤记忆效应前后对多年冻土区土壤含水量和含冰量的模拟结果
图2 包含冰的储水及限制渗透作用和仅包含冰的储水作用时不同方案对多年冻土区各层土壤的水分传输的差异
图3 不同冻土渗透性方案对青藏高原蒸散发的模拟差异
