多年冻土是冰冻圈和地球系统的重要组成部分，其变化深刻影响土壤水热过程、碳循环和陆气相互作用。水-冰相变是多年冻土区别于非冻结土壤的核心物理过程，直接控制冻结条件下液态水、冰及相变潜热的变化，也是影响多年冻土水热模拟准确性的关键环节。然而，当前陆面过程模型在多年冻土区仍普遍存在土壤温度和水分模拟偏差，其中既涉及水-冰相变物理过程的简化，也受到数值求解方法的影响。近期，我站科研人员系统梳理了多年冻土陆面模型中水-冰相变的物理参数化、数值求解及其潜在影响。

目前主流陆面模型多采用Clapeyron方程与土壤水分特征曲线（SWCC）相结合的方法描述冻结条件下的未冻水变化。该框架具有较高的计算效率，但通常基于局地热力学平衡、单一路径SWCC和土壤结构不变等假设，难以充分描述冻融滞后、盐分效应、孔隙冰引起的水力性质变化以及非平衡相变等过程。与此同时，水–冰相变的强非线性使传统以温度为状态变量的求解方法面临收敛困难、计算不稳定和能量守恒等问题；焓方法将显热和潜热统一纳入能量状态，在能量守恒和数值稳定性方面具有潜力，但仍需要更加稳健高效的非线性求解方法。此外，孔隙或土柱尺度获得的相变关系在向陆面模式网格尺度转换时，空间异质性和非线性阈值可能被平滑或错误表征。上述偏差还可通过水热耦合进一步影响土壤热传导、水分迁移和地表能量分配，并传递至碳循环和陆气相互作用，从而增加多年冻土气候反馈模拟的不确定性。

该研究系统总结了多年冻土水-冰相变模拟中物理参数化和数值求解的关键问题，梳理了相变描述偏差通过水热耦合影响地表能水交换、碳循环和陆气相互作用的传播路径，为进一步改进多年冻土水热过程模拟、提高其气候效应和地球系统反馈预测的可靠性提供了理论参考。

图1 土壤冻融过程中的水热滞后效应及微观结构变化

图2 陆面模型水-冰相变描述不足引起的水热偏差及其影响示意图

该成果以“A review of phase-transition representation in permafrost land surface models: Mechanisms, algorithms, and impacts”为题发表于地学一区TOP期刊《Earth-Science Reviews》。我站博士研究生王申宁为论文第一作者，李韧研究员为论文通讯作者。

该研究获国家自然科学基金(W2412013;42525105)、科技部重点研发计划(2020YFA0608502&2022YFF0801903)、中国科学院“西部之光”基金（xbzg-zdsys-202304）、甘肃省自然科学基金项目(24JRRA101)和中国科学院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室项目（No. CSFSE-TZ-2402）等联合资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2026.105681

图文：王申宁，李韧；审核：吴通华