WRR: 考虑冰作用的冻结土壤基质势参数化方案评价

基质势是土壤水文中控制液态水在土壤层中迁移、储存的重要变量，冻结土壤中冰的存在会极大影响土壤基质势，然而现有陆面过程模型的参数化方案中，对土壤冰如何影响冻结土壤基质势的考虑仍然不足，导致模型在寒冷地区的模拟性能不足。

本研究验证4种不同程度考虑冰作用的冻结土壤基质势方案的性能，包括三种已有方法：（1）不考虑冰作用的方案；（2）考虑冰生长导致的有效孔隙度降低作用的方案；（3）考虑冰带来的冰吸力作用的方案；以及本研究提出的新方法：（4）同时考虑有效孔隙度和冰吸力作用方案。4种方案被分别集成进水热耦合模型SHAW模型，在典型多年冻土观测站点唐古拉站进行模拟验证，每种方案均由1000组随机采样的关键参数组合驱动，用于确定方案的整体表现以及参数可识别性。

实验结果显示：

（1）仅考虑有效孔隙度或冰吸力其中一种作用的基质势方案，将严重影响模型对活动层温度和含水量的模拟精度，仅考虑有效孔隙度的方案低估了冬季未冻水含量，仅考虑冰吸力的方案相反的高估了冬季未冻水含量，由于模型水热过程紧密耦合，对未冻水含量的误差也导致了温度模拟的不确定性增加。

（2）由于有效孔隙度作用和冰吸力作用的相反效果，不考虑任何土壤冰作用的方案反而获得了较好的模拟结果，但由于该方案对土壤冰的物理表达不足，对冻结期土壤温度模拟的不确定性较大，且高估了活动层中间深度的冬季未冻水含量。

（3）充分考虑有效孔隙度和冰吸力两种作用的基质势方案获得了最好的模拟精度，与完全不考虑两种作用的方案相比，其通过对孔隙冰两种作用的考虑，减少了冻结期的温度模拟的巨大不确定性，改善了液态水-冰相变过程的模拟，同时其也能有效模拟未冻结土壤层液态水向冻结锋面迁移的过程，能模拟出活动层中间深度较低的冬季未冻水含量。

本研究揭示了在冻结土壤基质势参数化中考虑土壤冰效应对于精确模拟冻土水热过程的重要性。充分考虑孔隙冰作用的基质势方案应被现有模型采用，以提升现有模型在寒冷地区的适用性。

该工作以“Evaluation of parameterization schemes for matric potential in frozen soil in land surface models: A modeling perspective”为题发表在《Water Resources Research》上，第一作者赵奕，通讯作者南卓铜，受到国家自然科学基金资助。/文：赵奕

引用：Zhao Y, Nan Z*, Cao Z, Ji H, Hu J. Evaluation of parameterization schemes for matric potential in frozen soil in land surface models: A modeling perspective. Water Resources Research. 2023, 59, e2023WR034644. doi:10.1029/2023WR034644.

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