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土壤热性质控制了热量在土壤中的传递和储存，研究土壤热性质对于理解和模拟陆-气系统中的土壤热量状况与物质-能量交换过程有着重要意义。
为深入了解黄土高原地区的土壤热特性，提高数值模式的模拟准确性，本研究选取黄土高原平凉陆面过程与灾害天气观测研究站（草地，林地）为研究区域，以土壤热性质以及土壤温度、土壤含水量为主要研究对象，首先对2014年7月至2015年1月（草地），和2017年12月至2019年2月（草地和林地）两个时段的土壤热性质及土壤温度和土壤含水量的实测数据进行了分析，探讨了其时间与空间变化特征。然后对典型降雨过程时段（2014年9月6日～12日、2018年8月20日～24日）及冻融过程时段（2018年12月～2019年2月）分析了其降水和冻融过程中土壤热性质的变化规律，最后利用实测土壤参数对CLM5.0模式中的土壤导热率参数化方案进行了改进，并对2012年5～40cm深度的土壤温度进行了模拟分析与验证，主要结论如下:
(1)草地区，土壤体积比热容和土壤导热率与土壤含水量有较好响应，土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加，夏季的浅层土壤温度依次高于深层，秋、冬季深层土壤温度则依次高于浅层，冬季100cm的土壤温度始终为四层中最高，主要原因是深层土壤受地表变化影响最小。5cm层的土壤温度变化最显著。7月、9月和10月的10cm层土壤含水量出现了逆湿现象，这主要是由于降水引起的土壤含水量累积与蒸散作用综合决定的。
(2)草地和林地区，太阳辐射对土壤热性质影响至少到了80cm左右;土壤热扩散率全年的变化波动很小，大部分时间保持着稳定的数值。草地的土壤热性质随深度变化的规律与林地不同，这可能是受人类活动影响，在还草之前耕种导致土壤结构遭到破坏，进而影响到土壤热性质的空间变化。草地的各层土壤温度整体上高于林地，土壤含水量随着土壤深度的增加而减小。林地的土壤含水量变化则相反，随土壤深度增加土壤含水量逐渐增大，10cm处的林地观测点出现一个相对湿层，这与林木的地上层结构（林冠截留）和林木根系深度有关。除80cm外，草地观测点的土壤含水量均值在各层均大于林地观测点，黄土高原人工林地对土壤水分生态环境的影响使得土壤向干化方向演变。
(3)整体上，降水研究时段草地的土壤体积比热容和土壤导热率只在5cm和10cm这两层受降水影响，20cm及以下土壤受影响很小，5cm土壤热扩散率有相应波动;而林地观测点土壤体积比热容与导热率的影响只到20cm，40cm及以下影响很小。降水过程对土壤热性质的影响主要是通过土壤含水量的变化而引起的，由于林地土壤缺水状态比草地严重，因此降水对林地的土壤含水量影响更大。
(4)冻结前阶段，草地和林地区域主要是由于土壤温度的降低使土壤向冻结状态转变，进而导致了土壤导热率的变化。对于冻融阶段，由融化向冻结转变时期的土壤导热率在相同的土壤温湿状态下，要明显高于2月份由冻结向融化转变时期的土壤导热率，草地观测点的土壤导热率主要受土壤含水量的影响。林地观测点土壤含水量的影响要大于土壤温度。完全冻结阶段，草地及林地均是土壤含水量对土壤导热率的影响更大。
(5)CLM5.0模拟的土壤温度比实际观测值偏低，平均偏低约2.7℃，ST+和CLM5.0均对土壤温度有较好的模拟，改进土壤导热率后的土壤温度模拟要优于原本的土壤温度计算方案，夏季土壤温度模拟结果最好，而温度较低时的模拟依然需要进一步改进。CLM5.0原方案和ST+均能准确反映土壤温度日变化中的峰值和谷值，ST+的日变化模拟结果更接近实测土壤温度，改进后的ST+在浅层土壤夜间的模拟有明显提高，深层土壤的日变化模拟结果有所欠缺，但相比CLM5.0模式的原方案有所改善。CLM及ST+均能反映出降水过程对土壤温度的衰减作用，而改进后的ST+接近实测的结果，浅层的土壤温度模拟结果优于深层，降水后阶段的模拟有明显提高。
为深入了解黄土高原地区的土壤热特性，提高数值模式的模拟准确性，本研究选取黄土高原平凉陆面过程与灾害天气观测研究站（草地，林地）为研究区域，以土壤热性质以及土壤温度、土壤含水量为主要研究对象，首先对2014年7月至2015年1月（草地），和2017年12月至2019年2月（草地和林地）两个时段的土壤热性质及土壤温度和土壤含水量的实测数据进行了分析，探讨了其时间与空间变化特征。然后对典型降雨过程时段（2014年9月6日～12日、2018年8月20日～24日）及冻融过程时段（2018年12月～2019年2月）分析了其降水和冻融过程中土壤热性质的变化规律，最后利用实测土壤参数对CLM5.0模式中的土壤导热率参数化方案进行了改进，并对2012年5～40cm深度的土壤温度进行了模拟分析与验证，主要结论如下:
(1)草地区，土壤体积比热容和土壤导热率与土壤含水量有较好响应，土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加，夏季的浅层土壤温度依次高于深层，秋、冬季深层土壤温度则依次高于浅层，冬季100cm的土壤温度始终为四层中最高，主要原因是深层土壤受地表变化影响最小。5cm层的土壤温度变化最显著。7月、9月和10月的10cm层土壤含水量出现了逆湿现象，这主要是由于降水引起的土壤含水量累积与蒸散作用综合决定的。
(2)草地和林地区，太阳辐射对土壤热性质影响至少到了80cm左右;土壤热扩散率全年的变化波动很小，大部分时间保持着稳定的数值。草地的土壤热性质随深度变化的规律与林地不同，这可能是受人类活动影响，在还草之前耕种导致土壤结构遭到破坏，进而影响到土壤热性质的空间变化。草地的各层土壤温度整体上高于林地，土壤含水量随着土壤深度的增加而减小。林地的土壤含水量变化则相反，随土壤深度增加土壤含水量逐渐增大，10cm处的林地观测点出现一个相对湿层，这与林木的地上层结构（林冠截留）和林木根系深度有关。除80cm外，草地观测点的土壤含水量均值在各层均大于林地观测点，黄土高原人工林地对土壤水分生态环境的影响使得土壤向干化方向演变。
(3)整体上，降水研究时段草地的土壤体积比热容和土壤导热率只在5cm和10cm这两层受降水影响，20cm及以下土壤受影响很小，5cm土壤热扩散率有相应波动;而林地观测点土壤体积比热容与导热率的影响只到20cm，40cm及以下影响很小。降水过程对土壤热性质的影响主要是通过土壤含水量的变化而引起的，由于林地土壤缺水状态比草地严重，因此降水对林地的土壤含水量影响更大。
(4)冻结前阶段，草地和林地区域主要是由于土壤温度的降低使土壤向冻结状态转变，进而导致了土壤导热率的变化。对于冻融阶段，由融化向冻结转变时期的土壤导热率在相同的土壤温湿状态下，要明显高于2月份由冻结向融化转变时期的土壤导热率，草地观测点的土壤导热率主要受土壤含水量的影响。林地观测点土壤含水量的影响要大于土壤温度。完全冻结阶段，草地及林地均是土壤含水量对土壤导热率的影响更大。
(5)CLM5.0模拟的土壤温度比实际观测值偏低，平均偏低约2.7℃，ST+和CLM5.0均对土壤温度有较好的模拟，改进土壤导热率后的土壤温度模拟要优于原本的土壤温度计算方案，夏季土壤温度模拟结果最好，而温度较低时的模拟依然需要进一步改进。CLM5.0原方案和ST+均能准确反映土壤温度日变化中的峰值和谷值，ST+的日变化模拟结果更接近实测土壤温度，改进后的ST+在浅层土壤夜间的模拟有明显提高，深层土壤的日变化模拟结果有所欠缺，但相比CLM5.0模式的原方案有所改善。CLM及ST+均能反映出降水过程对土壤温度的衰减作用，而改进后的ST+接近实测的结果，浅层的土壤温度模拟结果优于深层，降水后阶段的模拟有明显提高。