多年冻土中赋存的地下冰，是维持冻土热稳定、水文过程和地表结构的重要组成部分。在气候变暖背景下，地下冰消融不仅会改变多年冻土内部的热量与水分传输，还可能引起地表形变、热融地貌发育及道路、管线和建筑物失稳（图 1）。然而，现有的模型对多年冻土地下冰过程的描述、参数化方案及其耦合机制等方面仍存在较大差异。因此，准确描述地下冰的形成、消融及其引发的地表形变，是提升多年冻土退化及其环境效应模拟精度与预测能力的关键。近日，我站科研人员系统梳理了现有模型中关于地下冰形成、融化及地表形变过程的参数化方案，比较了不同模型的物理机制、适用尺度及主要局限，并提出了地下冰变化过程模拟的未来发展方向。

研究指出，地下冰并非简单的静态含水量参数，而是连接多年冻土水-热-力过程的核心介质。研究将现有考虑地下冰的模型归纳为三类：（1）以热传导为主的经验参数化模型，通常将地下冰含量作为静态初始条件或温度的经验函数，该方案计算效率较高，但难以描述地下冰动态形成及水文反馈；（2）过程驱动的水热耦合模型，通过联立能量和水分运移方程，模拟冰水相变、未冻水迁移及融水再分配，但对冻胀和融沉等力学过程的描述仍相对不足；（3）强调空间异质性和多场耦合的模型，通过次网格、高分辨率地下冰数据和参数反演，体现地下冰空间差异及差异性形变的模拟。

研究进一步梳理了地下冰消融与形成的关键参数化方案。地下冰消融不仅涉及冰水相变，还伴随孔隙结构破坏、土体压缩和渗流固结等过程；地下冰形成则主要受冷生吸力、未冻水特征曲线、冻结锋面迁移及土体应力状态控制。现有简化模型通常能够再现地表融沉的总体趋势，但对富冰区快速、非线性的坍塌过程模拟能力有限。不同模型对地下冰初始含量、潜热效应、水分迁移、过剩冰消融和分凝冰生长的处理差异，是造成冻胀幅度、融沉速率和多年冻土退化预测结果不一致的主要原因。在北半球不同区域的地表融沉速率存在明显差异。站点或小区域尺度研究通常能够识别富冰多年冻土区较强的沉降信号，而北半球大范围的模拟可能平滑或掩盖局地沉降信号。现有模型在低平苔原等相对均一环境中的模拟效果较好，而在丘陵地形、冰楔多边形边缘模拟误差较大。

研究进一步指出，未来可以通过构建具有垂向分层信息的高分辨率地下冰数据集，综合利用钻孔观测、地球物理探测、InSAR和多源遥感资料，加强对模型初始状态和关键参数的约束；发展数据同化与参数反演方法，协同估计地下冰含量、土壤水分和力学参数；强化水-热-力多场耦合，动态刻画地下冰的消融与形成及其引发的融沉、冻胀过程；从而提高数模模型对于多年冻土变化过程的模拟精度。

该研究深化了对地下冰在多年冻土变化中作用的认识，明确了地下冰参数化方案差异对模型模拟结果的重要影响，为提高多年冻土退化、冻胀融沉的模拟能力提供了理论基础，也为多源观测、物理模型与人工智能方法的融合应用提供了新的研究思路。

该成果以 Parameterization of ground ice dynamics in permafrost models: Advances, challenges, and future directions 为题发表在国际地学综述TOP期刊 Earth-Science Reviews（DOI：10.1016/j.earscirev.2026.105637）。我站博士研究生兀艺凡为第一作者，胡国杰研究员为通讯作者。研究得到国家自然科学基金项目（42322608、42430412、U23A2062）、中国科学院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室项目（CSFSE-ZZ-2408）和中国科学院青年创新促进会项目（2022430）联合资助。

文章链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0012825226002485

图1 地下冰对多年冻土变化过程的影响及气候变暖响应

图2 不同模型中地表形变过程意图

图文： 兀艺凡，胡国杰；审核：吴通华