《Agricultural and Forest Meteorology》：Improving soil temperature simulation accuracy in Arctic permafrost regions by incorporation surface organic layer in CLM5.0
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在CLM5.0中实现了一种简化的表层有机层（Surface Organic Layer, SOL）热方案。该方案改进了土壤温度和活动层厚度（Active Layer Thickness, ALT）的单点模拟。表层有机层的表征总体上延迟了未来增温情景下模拟的活动
在CLM5.0中实现了一种简化的表层有机层（Surface Organic Layer, SOL）热方案。该方案改进了土壤温度和活动层厚度（Active Layer Thickness, ALT）的单点模拟。表层有机层的表征总体上延迟了未来增温情景下模拟的活动层增厚过程。多年冻土区约占北半球陆地面积的15%（Obu et al., 2019; Treat et al., 2024），储存着1400–1600 Pg有机碳，约为当前大气碳储量的两倍（Hugelius et al., 2014; Schuur et al., 2022）。北半球高纬度地区的气候增温速率通常为全球平均值的3–4倍（Rantanen et al., 2022）。随着多年冻土持续解冻和微生物分解加速，冻结土壤中储存的碳可能逐渐释放到大气中，进一步加剧气候变暖（Schuur et al., 2022）。此外，多年冻土稳定性影响高纬度地区的生态系统结构、水文过程和基础设施稳定性（Heijmans et al., 2022; Jin et al., 2021; Liu et al., 2025; Ran et al., 2022）。因此，准确模拟和预测多年冻土热状态的变化是理解高纬度地区未来碳循环和生态变化的紧迫挑战。多年冻土模拟通常聚焦于土壤温度和活动层厚度，后者通过温度插值计算（Guo et al., 2017; Lawrence et al., 2012）。目前存在多种模拟多年冻土温度和活动层厚度的模型，包括若干基于物理的平衡模型，如Kudryavtsev公式（Kudryavtsev et al., 1977）、Stefan公式（Stefan, 1891）、GIPL（Marchenko and Romanovsky, 2007）和多年冻土顶部温度（Temperature at the Top of the Permafrost, TTOP）模型（Smith and Riseborough, 1998）。此外，机器学习技术包括随机森林（Random Forests, RF）、反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network, BPNN）、支持向量机（Support Vector Machines, SVM）和极端梯度提升（Extreme Gradient Boosting, XGBoost）也被广泛应用（Zhao et al., 2025）。然而，基于物理和机器学习的方法都依赖观测数据和参数信息，而这些在北极地区仍然稀缺（Wu et al., 2023）。此外，尽管这些方法能够模拟多年冻土热状况，但大多数不易集成到地球系统模型中，限制了其表征多年冻土动态与碳循环之间动态反馈的能力。在现有的地球系统模型中，社区陆面模型第五版（Community Land Model version 5, CLM5.0）被广泛用于模拟陆气相互作用和多年冻土动态。IPCC AR6评估中用于估算多年冻土碳排放的两个模型均采用CLM5.0作为其陆面组件（Sch?del et al., 2024; Schuur et al., 2022）。尽管CLM5.0包含了土壤水文、积雪过程和生物地球化学循环的综合表征，但在高纬度多年冻土区的土壤温度和活动层厚度模拟中仍存在显著偏差（Lawrence et al., 2019）。这些偏差源于多种因素，其中表层有机层的表征是关键因素之一。在北方森林和冻原生态系统中，地表通常覆盖由苔藓、地衣和凋落物组成的表层有机层（Baughman et al., 2015; Treat et al., 2013）。除了含有大量碳储量（Baughman et al., 2015; Schuur et al., 2022），表层有机层因其低导热率和高体积热容量而成为高效的隔热材料（Gaillard et al., 2025; Hinzman et al., 1991）。这种隔热效应显著抑制了下伏土壤的热波动，可显著延缓多年冻土退化（Porada et al., 2016; Yi et al., 2007; Fisher et al., 2016）。因此，多项研究已将苔藓层和表层有机层的隔热效应纳入JULES、JSBACH、CryoGrid和ORCHIDEE等模型的土壤热方案中（Ekici et al., 2014; Chadburn et al., 2015; Zweigel et al., 2024; Gaillard et al., 2025）。然而，CLM5.0目前在其默认土壤热框架中缺乏对表层有机层热效应的显式表征。在当前模型结构中，表层有机层主要作为生物地球化学碳库参与生态系统碳氮循环，而其独特的热性质未在土壤热传导或地表能量交换过程中得到显式表征。这一局限性可能导致多年冻土区模拟土壤温度和活动层厚度的系统性偏差。为解决这一局限性，研究人员基于等效热阻和热容原理，在CLM5.0中开发了一种简化的表层有机层参数化方案。该方案将表层有机层与最上层土壤层耦合形成虚拟复合层，从而在不引入额外物理层的情况下表征表层有机层的热效应。研究人员在北极多年冻土站点评估了该方案对模拟土壤温度和活动层厚度的影响。利用改进后的模型，研究人员进一步考察了1995–2100年土壤温度和活动层厚度的变化趋势，并探讨了其潜在影响因素。该研究为在CLM5.0中表征表层有机层热效应提供了简化框架，并增进了对表层有机层如何调控土壤温度和活动层动态的理解。然而，该方案的区域尺度应用需要表层有机层厚度及相关热性质的空间显式数据，而这些数据在泛北极地区仍然稀缺。
论文解读
一、研究背景与科学问题
多年冻土区约占北半球陆地面积的15%，储存着1400–1600 Pg有机碳，约为当前大气碳储量的两倍。北半球高纬度地区的气候增温速率通常为全球平均值的3–4倍。随着多年冻土持续解冻和微生物分解加速，冻结土壤中储存的碳可能逐渐释放到大气中，进一步加剧气候变暖。此外，多年冻土稳定性还影响高纬度地区的生态系统结构、水文过程和基础设施稳定性。因此，准确模拟和预测多年冻土热状态的变化，是理解高纬度地区未来碳循环和生态变化的重要科学挑战。
目前存在多种模拟多年冻土温度和活动层厚度（Active Layer Thickness, ALT）的方法，包括基于物理的平衡模型（如Kudryavtsev公式、Stefan公式、GIPL和TTOP模型）以及机器学习方法（如随机森林、反向传播神经网络、支持向量机和极端梯度提升）。然而，这些方法均依赖观测数据和参数信息，而北极地区的观测数据仍然稀缺。更重要的是，大多数方法不易集成到地球系统模型中，难以表征多年冻土动态与碳循环之间的动态反馈。
在现有地球系统模型中，CLM5.0被广泛用于模拟陆气相互作用和多年冻土动态，IPCC AR6评估中用于估算多年冻土碳排放的两个模型均采用CLM5.0作为其陆面组件。尽管CLM5.0已包含土壤水文、积雪过程和生物地球化学循环的综合表征，但在高纬度多年冻土区的土壤温度和ALT模拟中仍存在显著偏差。其中，表层有机层（Surface Organic Layer, SOL）的表示不足是造成偏差的关键因素之一。
在北方森林和冻原生态系统中，地表通常覆盖由苔藓、地衣和凋落物组成的SOL。SOL不仅含有大量碳储量，还因其低导热率和高体积热容量而成为高效的隔热材料，可显著抑制下伏土壤的热波动并延缓多年冻土退化。多项研究已在JULES、JSBACH、CryoGrid和ORCHIDEE等模型中纳入SOL的隔热效应，但CLM5.0目前在其默认土壤热框架中缺乏对SOL热效应的显式表征。在当前模型结构中，SOL主要作为生物地球化学碳库参与碳氮循环，其独特的热性质未在土壤热传导或地表能量交换过程中得到显式表征。这一局限性可能导致多年冻土区模拟土壤温度和ALT的系统性偏差。为此，研究人员开展了本研究。
二、研究内容与主要结论
研究人员基于等效热阻和热容原理，在CLM5.0中开发了一种简化的SOL参数化方案。该方案将SOL与最上层土壤层耦合形成虚拟复合层，在不引入额外物理层的情况下表征SOL的热效应。研究在北极多年冻土区的9个站点（AK1、AK3、AK4、AK6、AKR、BYL、LRD、UMI和VAS）进行了单点模拟评估，并利用改进后的模型考察了1995–2100年土壤温度和ALT的变化趋势及其潜在影响因素。
研究结果表明，该方案能够改善北极多年冻土站点土壤温度和ALT的模拟精度，并且SOL的表征总体上延迟了未来增温情景下模拟的ALT增厚过程。该研究为在CLM5.0中表征SOL热效应提供了简化框架，增进了对SOL如何调控土壤温度和活动层动态的理解。然而，方案的区域尺度应用需要SOL厚度及相关热性质的空间显式数据，而这些数据在泛北极地区仍然稀缺。
三、主要技术方法
研究采用了以下关键技术方法：第一，基于等效热阻和热容原理的SOL参数化方案，通过串联电阻方法计算复合表层的有效导热率，并将SOL与最上层土壤层耦合形成虚拟复合层；第二，单点模拟实验设计，设置了控制实验（CTL，标准CLM5.0配置）和敏感性实验（EXP，包含SOL参数化）两组实验进行对比；第三，采用CLM5.0的卫星物候模型（CLMSP）进行单点模式模拟，所有站点先进行30年spin-up，从冷启动初始化土壤热和水文状态；第四，大气强迫数据方面，AK1、AK3、AK4、AK6、VAS、AKR和LRD站点使用GSWP3v1标准大气强迫数据集，UMI和BYL站点使用原位气象观测数据，长期模拟（1995–2100）的未来强迫数据来自CESM2在SSP1–2.6、SSP3–7.0和SSP5–8.5情景下的数据；第五，利用欧洲空间局（ESA）气候变化倡议（CCI）多年冻土项目的ALT产品和寒区旱区科学数据中心（NCDDC）的ALT数据对1995–2014年的模拟结果进行独立评估。
四、研究结果
4.1 站点概况与数据
研究选取了9个位于北极多年冻土区的站点，基于SOL厚度信息以及土壤温度或ALT观测数据的可用性进行选择。站点植被类型包括灌木、禾草、苔藓、地衣和森林等，所有站点地表均覆盖厚度为2–20 cm的SOL，主要由苔藓、地衣和凋落物组成。其中AK1、AK3、AK4、AK6、BYL和LRD站点提供多年平均ALT记录，AKR、BYL、UMI和VAS站点提供多个深度的土壤温度观测数据，BYL和UMI站点还提供与观测时段对应的气象数据。
4.2 试验设计与方案实施
研究在CLM5.0中实施了SOL参数化方案。在EXP试验中，SOL与最上层土壤层耦合形成虚拟复合表面层，通过修改该复合层的有效热性质来表征SOL的热效应。方案保留了原有的土壤分层结构，不引入单独的物理SOL层，也不修改CLM5.0中现有的冻融潜热显式处理。SOL厚度在各站点根据观测或已发表记录设定为常数值，不随模拟动态变化。SOL的热性质根据干湿两种状态动态变化：湿态参数直接采用Gaillard et al. (2025)报道的湿态值（导热率0.56 W m?1 K?1，体积热容4.29×10? J m?3 K?1），干态参数取完全干燥与湿态值的算术平均值（导热率0.305 W m?1 K?1，体积热容2.29×10? J m?3 K?1）。当存在向下地表水通量且最上层土壤的体积含水量与饱和含水量之比超过0.8时判定为湿态，否则为相对干燥状态。
4.3 土壤温度模拟评估
通过将EXP和CTL试验的模拟结果与站点观测数据进行比较，研究人员评估了SOL参数化方案对土壤温度模拟的影响。模拟土壤温度在观测深度与模型土壤节点一致时直接提取，否则通过相邻两个模型土壤节点之间的线性插值获得。结果表明，加入SOL参数化后，各站点不同深度的土壤温度模拟精度得到改善，特别是对表层土壤温度的模拟改进更为明显。
4.4 活动层厚度模拟评估
研究人员利用站点多年平均ALT观测数据以及ESA CCI和NCDDC两个独立ALT数据集对模拟结果进行了评估。结果表明，SOL参数化方案改善了ALT的模拟精度，EXP试验模拟的ALT与观测值更为接近。
4.5 长期趋势分析（1995–2100）
利用改进后的模型，研究人员进一步考察了1995–2100年土壤温度和ALT的变化趋势。在SSP1–2.6、SSP3–7.0和SSP5–8.5三种未来气候情景下，SOL的表征总体上延迟了模拟的ALT增厚过程。这表明SOL的隔热效应在长期气候增温背景下对多年冻土退化具有延缓作用。
五、讨论与结论
讨论部分指出，SOL参数化方案通过改变虚拟复合表面层的导热率和热容，影响土壤温度和冻融相变可用的能量，从而间接影响冻融过程中潜热的作用。方案仅表征SOL的热效应，未显式考虑SOL相关的其他过程，包括反照率变化、蒸发、入渗、积雪和湍流交换等。方案也未考虑SOL组成或类型的差异，如苔藓、地衣和凋落物之间的差异及其分解程度的差异。研究还指出，区域尺度应用该方案需要SOL厚度及相关热性质的空间显式数据，而这类数据在泛北极地区仍然稀缺，这是当前方案应用的主要限制。
研究结论可概括为：在CLM5.0中实现了一种基于等效热阻和热容原理的简化SOL参数化方案，通过将SOL与最上层土壤层耦合形成虚拟复合层，在不引入额外物理层的情况下表征了SOL的热效应。该方案改善了北极多年冻土站点土壤温度和ALT的模拟精度，且SOL的表征总体上延迟了未来增温情景下模拟的ALT增厚过程。该研究为在CLM5.0中表征SOL热效应提供了简化框架，增进了对SOL如何调控土壤温度和活动层动态的理解。
