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书名：中国学科发展战略·冰冻圈科学
定价：78.0
ISBN：9787030566928
作者：无
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
随着气候变化的兴起，冰冻圈科学应运而生，其是一门新兴的、快速发展的学科，受到人们日益广泛的关注。总结十多年国内外发展态势，中国科学家从冰冻圈科学概念、冰冻圈科学研究构架、冰冻圈科学学科体系等方面提出了系统的学科体系化理念，并构建了将冰冻圈与大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和社会经济与可持续发展等多圈层紧密结合、开展多学科有机融合的新兴交叉学科。
《中国学科发展战略·冰冻圈科学》总结了冰冻圈科学的发展历程，基于冰冻圈科学的基本理念，明晰了学科特点和规律，提出了未来5~10年中国冰冻圈科学应关注的关键科学问题和具体的研究方向，并对未来资助机制和政策提出了建议。
目录：
目录
总序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xiii
第*章 学科特点及科学意义 1
第*节 学科特点 1
一、冰冻圈组成要素、分类和时空尺度 1
二、冰冻圈科学内涵和范畴 3
三、冰冻圈科学发展与学科特点 5
第二节 科学意义 11
一、冰冻圈科学是气候系统科学的前沿领域 11
二、冰冻圈科学是社会经济与可持续发展领域的研究热点 11
三、冰冻圈科学是生态文明建设和维护国家安全的重要支撑 12
第三节 学科研究发展态势 13
一、冰冻圈科学向体系化发展趋势明显 13
二、冰冻圈学科向社会应用学科发展迈进 15
第四节 总体研究和发展思路 16
一、总体思路 17
二、若干重要领域 17
第二章 冰冻圈物理和化学过程 19
第*节 现状与趋势 20
一、研究历史概要 20
二、研究现状 23
三、国际热点及发展趋势 26
四、在我国面临的发展机遇 27
第二节 未来10年发展目标 30
一、未来研究目标 30
二、未来10年目标 30
第三节 关键科学问题 33
一、冰冻圈主要物理过程的定量刻画 33
二、冰冻圈水热与动力过程及其模拟 33
三、冰冻圈现代过程与气候环境记录代用指标发掘 33
第四节 重要研究方向 34
一、冰冻圈主要物理参数和冰冻圈变化的监测 34
二、冰冻圈变化的机理 35
三、冰冻圈变化的动力学模拟预估 36
四、冰冻圈现代过程及其气候环境记录研究 37
第三章 冰冻圈与气候模拟 39
第*节 现状与趋势 39
一、冰冻圈变化对大气的反馈作用 40
二、冰冻圈对亚洲天气、气候的影响 42
三、冰冻圈对全球大洋环流的驱动及响应 44
四、冰冻圈的海平面效应 47
五、冰冻圈分量模式及其在地球系统模式中的耦合 49
第二节 未来10年发展目标 56
一、冰冻圈在气候系统模式中的精细化描述 56
二、冰冻圈要素对气候变化响应的定量化研究 57
第三节 关键科学问题 58
一、不同时空尺度气候系统与冰冻圈的相互作用与反馈 58
二、冰冻圈快速变化对气候系统影响的定量辨识 59
第四节 重要研究方向 59
一、冰冻圈分量模式与地球系统模式的耦合 59
二、冰冻圈同化系统研发 60
三、冰冻圈对全球海平面变化的影响预估 60
四、北半球高纬度冰冻圈快速变化与中低纬度极端天气、气候之间的关联 61
五、北极冰冻圈变化预估及北极放大效应 61
六、青藏高原冰冻圈与季风、降水的关系 61
七、南极冰冻圈对长期气候变化的响应及其归因研究 62
第四章 冰冻圈与生物地球化学循环 63
第*节 现状与趋势 64
一、国内外发展现状 64
二、未来发展趋势 72
第二节 未来10年发展目标 80
第三节 关键科学问题 80
一、冰冻圈变化对生物地球化学循环的作用方式、时空阈值及其驱动机制 80
二、冰冻圈与生物地球化学循环变化的气候及环境反馈影响与识别 81
第四节 重要研究方向 81
一、生态系统响应冰冻圈变化的中长期综合观测与多源数据集成研究 81
二、积雪与冻土变化对陆地生物地球化学过程的影响与驱动机制 82
三、冰冻圈与生物地球化学循环机理模型与未来变化趋势预估 83
四、冰冻圈有机污染物/痕量化学物质变化的环境指示与安全风险 84
五、冰冻圈变化对海洋碳氮磷循环的影响 84
第五章 冰冻圈与水文水资源 86
第*节 现状与趋势 87
一、国内外发展现状 87
二、未来发展趋势 94
第二节 未来10年发展目标 105
一、发展和完善冰冻圈水文学的理论和方法体系 105
二、深化对宏观尺度冰冻圈水循环过程及其影响的科学认识 105
三、精细化流域冰冻圈水文过程及定量评估冰冻圈水资源影响 106
第三节 关键科学问题 107
一、定量认识不同冰冻圈水文要素的水文水资源效应 107
二、准确判断不同冰冻圈水文过程的时空尺度 108
第四节 重要研究方向 108
第六章 冰冻圈与地表环境 111
第*节 现状与趋势 112
一、冰冻圈变化与侵蚀过程 112
二、发展趋势 116
第二节 未来10年发展目标 121
一、冰冻圈灾害的演化机理 121
二、冰冻圈地貌过程的机理研究 121
第三节 关键科学问题 122
一、冰冻圈变化对气候变化的响应机理 122
二、冰冻圈多尺度能量水分循环对地表环境的影响机理 123
第四节 重要研究方向 124
一、寒区地表化学风化 124
二、冰川消融、海平面上升与海岸带过程 125
三、冻土退化与地表环境 125
四、冰冻圈灾害 126
第七章 冰冻圈与重大工程 128
第*节 现状与趋势 129
一、国内外研究现状 129
二、未来发展趋势 137
第二节 未来10年发展目标 141
一、完善重大工程监测网络体系，加强重大工程稳定性技术和安全保障预警系统研发与预测方法研究 141
二、阐明冰冻圈要素与重大工程的互馈关系及其环境、灾害效应 142
三、提出冰冻圈作用区重大工程对气候变化的应对策略，研发适应气候变化重大工程安全保障的关键技术 142
第三节 关键科学问题 142
一、冰冻圈环境变化与重大工程的互馈关系 143
二、冰冻圈重大工程的致灾机理及其环境效应 143
三、冰冻圈重大工程的服役性、可靠性评价与安全保障技术 144
第四节 重要研究方向 144
一、冰冻圈作用区重大工程的灾害和环境效应及风险评估 145
二、冰冻圈环境与重大工程的热力作用机制及其反馈效应 145
三、冰冻圈作用区重大工程建设安全与保障的关键技术 146
四、水热力相互作用机理及其预测方法 147
第八章 冰冻圈与可持续发展 149
第*节 现状与趋势 149
一、国内外发展现状 149
二、未来发展趋势 157
第二节 未来10年发展目标 160
一、构建冰冻圈与社会经济耦合模型，量化冰冻圈变化对社会经济的影响 160
二、冰冻圈变化风险的适应途径与措施 160
三、确定冰冻圈可利用的资源形态，量化冰冻圈服务功能及其价值 161
四、揭示冰冻圈变化与国际地缘关系，开发应对方案与适应战略 161
第三节 关键科学问题 162
一、定量化认识冰冻圈变化的影响 162
二、建立冰冻圈服务功能测评体系 162
三、开发冰冻圈与社会经济适应模型 163
第四节 重要研究方向 163
一、冰冻圈服务功能及其价值评估体系化研究 164
二、冰冻圈与国际地缘关系研究 165
三、冰冻圈灾害风险评估与管控研究 167
四、冰冻圈变化影响的适应研究 167
第九章 资助机制与政策建议 169
第*节 学科建设 170
第二节 人才队伍建设 171
第三节 平台与监测能力建设 172
第四节 资助机制和政策建议 174
参考文献 177
关键词索引 186
在线试读：
第*章 学科特点及科学意义
冰冻圈是地球表层连续分布并具有一定厚度的负温圈层，是气候系统五大圈层之一，与气候系统其他圈层和人类圈相互作用，在全球变化研究中扮演着重要角色，为人类社会经济发展和向可持续发展转型做出了贡献。进入21世纪，冰冻圈科学已发展成为地球与环境科学和社会经济学交叉的新兴学科。在全球变暖的形势下，为促进学科发展，适应和满足社会需求，冰冻圈科学需要系统梳理和总结前期研究成果，把握前进方向，提出未来一段时间内的学科发展思路。
第*节 学科特点
一、冰冻圈组成要素、分类和时空尺度
冰冻圈是指地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层，亦称冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体应处于自然冻结状态。冰冻圈在大气圈内位于0℃线高度以上的对流层和平流层内，在岩石圈内是从地面向下一定深度（数十米至上千米）的负温表层岩土。“冰冻圈”的英文为cryosphere，源自希腊文的kryos，含义是“冰冷”。在中国，由于冰川、冻土和积雪的作用、价值和影响，以及冰川学和冻土学在中国发展过程中相辅相成的历史渊源，学界习惯将cryosphere称为“冰冻圈”。中国科学家根据冰冻圈要素形成发育的动力、热力条件和地理分布，将冰冻圈划分为陆地冰冻圈（continental cryosphere），包括冰川（含冰盖和冰帽）、冻土（包括多年冻土、季节冻土、地下冰）、河冰和湖冰、积雪；海洋冰冻圈（marine cryosphere），包括冰架、冰山、海冰和海底多年冻土；大气冰冻圈（aerial cryosphere），包括大气对流层和平流层内的冻结水体。大气冰冻圈也属于气象学范畴。地球上高海拔或中高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带。
据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告统计，陆地冰冻圈占全球陆地面积的52.0%～55.0%。其中，现代冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地表面的10%；积雪范围为1.3%～30.6%。其中，北半球冬季积雪的面积可达4600万km2；多年冻土区为9%～12%，季节冻土（包含多年冻土活动层）为33%；从多年平均值看，5.3%～7.3%的海洋表面被海冰和冰架覆盖；北冰洋海冰*大范围可达到1500万km2左右，*小约为600万km2；南大洋海冰范围9月*大时约为1800万km2，2月仅为300万km2。南极冰盖外缘的诸多冰架，面积约1617万km2，占海洋面积的0.45%。海底多年冻土约占海洋总面积的0.8%。大气圈内水体含量很低，总量为11.4万t。
冰冻圈各组成要素的空间尺度差别很大。陆地冰冻圈以冻土、南极冰盖、格陵兰冰盖的面积，以及积雪的范围尺度*大，山地冰川、河冰、湖冰为小。海洋冰冻圈内，海冰分布范围*大。大气冰冻圈在空间上为一个连续的椭球体。在时间尺度上，冰冻圈各要素的生存时间即寿命长短不一，从几分钟、数天到数年乃至百万年不等；在表现形式上，冰冻圈千差万别，从雪花、海冰到冰川、冻土等，不一而足（图1-1）。
在陆地冰冻圈，冰体从冰川积累区流动到冰川末端消融，所需时间因地形和气候条件不同而异，从几十年到数千年不等，南极冰盖可能达到百万年之久。冻土的分布范围*广，多年冻土的发育和存活时间与极地冰盖大体相当，在气候变暖条件下，在水平方向上由连续多年冻土向不连续多年冻土或季节冻土转化，在垂直方向上表现为活动层厚度增加，多年冻土层厚度从上下两个方向相向减少，季节冻土在空间面积和厚度上减少。河冰、湖冰随着由冬转夏而消失殆尽。积雪随着春去夏来消融，并可形成春汛。
在海洋冰冻圈，海冰随季节而进退，一般生存不超过12个月，但北冰洋有少量多年冰存在。冰架的存活时间长短不一，从几十年到数千年不等。冰盖和冰架在边缘崩解后形成冰山，随洋流和风向漂移、融化、消失，与大气环流、海温、洋流密切相关，其寿命从数月到数百年不等。
图1-1 地球冰冻圈分类和时空尺度（据IPCC第*工作组第四次评估报告修改）
在大气冰冻圈，冻结状水体的存活时间按日计算，依具体条件而定。
总体上说，地形、洋流和气候条件等决定了冰冻圈各要素的形成、发育、分布和变化，冰冻圈的生存寿命和当前气候变化研究关系密切，是冰冻圈科学的研究内容之一。广义地讲，在地球系统中具有负温且伴有水分发生相变的时空范围内，都是冰冻圈研究的范畴。
二、冰冻圈科学内涵和范畴
冰冻圈科学是研究自然条件下冰冻圈的形成、机理、变化、与其他圈层相互作用及其变化的影响和适应的科学。冰冻圈与大气圈、水圈、岩石圈（表层）、生物圈及人类系统（人类圈）相互作用强烈，通过水分、热量、动量、物质交换，促进气候系统乃至地球系统各圈层之间的相互联系，在人类社会经济发展中扮演着重要角色（秦大河等，2017）。
冰冻圈科学是以冰川（冰盖）、冻土、积雪、河冰、湖冰，以及海冰、冰架、冰山和大气中的固态水体等冰冻圈组成要素为对象，以冰冻圈分支学科和各要素的形成和演化规律为基础，以与其他圈层相互作用和影响为重点，以为社会经济和可持续发展服务为目的的一门新兴交叉科学。其范畴可概括为下列三个方面。
（1）冰冻圈各组成要素的形成、发育、演化过程，以及各要素之间的相互作用，有别于其他圈层的冰冻圈内水热动力过程、生物地球化学循环等。
（2）冰冻圈及其各要素与气候系统其他圈层（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）之间的互作用、转化和影响。
（3）冰冻圈对经济社会的服务功能和对可持续发展的贡献，可分为全球和区域尺度上冰冻圈变化的适应、减缓和对策分析。
冰冻圈科学主要由冰冻圈动力机制和冰冻圈变化、冰冻圈变化的影响、适应研究等层阶组成。其中，形成过程、机理、变化等内容属于基础研究（或基础性工作）；与各圈层相互作用及其影响属于应用基础研究；冰冻圈服务、适应对策和促进社会经济可持续发展属于应用研究（图1-2）。
图1-2 冰冻圈科学的研究构架
冰冻圈科学主要包括四个方面的研究内容。
（1）冰冻圈发育过程和机理。从微观和宏观尺度研究冰冻圈的物理、化学和生物地球化学过程，其中热力、动力机理是重点。通过传统的和现代化的监测手段，如利用地基和遥感监测，获取冰冻圈各要素及其变化的定量数据，通过模型模拟，分析不同时间（日、月、季节、年和年代际）和空间（站点、个体、流域、区域、半球和全球尺度）尺度上的冰冻圈各要素变化过程，揭示其变化机理，为预测未来变化和评估这些变化的影响奠定基础。
（2）冰冻圈变化的影响。冰冻圈组成要素及其变化对自然和人类社会经济系统产生的各种正面和负面作用，可以理解为在气候系统各圈层相互作用过程中冰冻圈所起到的作用，如对气候、生态、水、环境和社会经济的影响。
（3）冰冻圈变化的适应性。通过自然科学和社会科学的交叉融合，分析冰冻圈变化的风险水平、暴露度和脆弱性，结合区域社会经济调查，评价冰冻圈的服务功能及其价值，建立冰冻圈变化适应性的评估方法，提出冰冻圈变化的适应性和相应对策。
（4）地质尺度背景下的冰冻圈演化。通过古冰冻圈地质地貌特征和模型模拟分析，研究冰川、冻土和遗迹等形成、演化、机理及影响；冰冻圈各组成要素的不同介质，不同分辨率的古气候环境记录，如高分辨冰芯记录重建了过去80万年古大气内温室气体浓度和其他有关气候、环境和外太空事件的记录等，是冰冻圈科学研究的重要内容。冰冻圈内的古记录还可以反演和验证冰冻圈动力过程，为建模和评价冰冻圈影响区的人地关系服务。
三、冰冻圈科学发展与学科特点
近年来，随着全球变暖趋势的加快、加强，环境保护、生态保育、应对气候变化成为全社会关注的焦点。其中，冰川、冻土、山区、极地等是社会*关注的科学研究对象。20世纪80年代以来，国内外都实施了一批研究计划，学界也多次将冰冻圈科学研究列入国际科学前沿，如冰冻圈变化影响涉及的水资源短缺、海平面变化、天气气候灾害、极端事件、区域发展和政策等热点问题。
（一）冰冻圈科学国际和国内发展态势
1.国际重大科学计划中的冰冻圈科学
国际地圈-生物圈计划（IGBP）、国际全球环境变化的人文因素计划（IHDP）、世界气候研究计划（WCRP）和国际生物多样性计划（DIVERSITAS）是1988年国际科学理事会（ICSU）协调下的全球变化“四大科学计划”。2002年，“四大科学计划”又合并为“地球系统科学联盟”（Earth System Science Partnership，ESSP）。2014年，ICSU和国际社会科学联合会（ISSU）联袂推出“未来地球”（Future Earth，FE）十年科学计划。同时，“四大科学计划”依次将其部分项目按照FE的思路整合，报经FE科学委员会批准后转为该计划的核心项目。而“四大科学计划”除WCRP作为FE观察员外，其余全部宣告结束。上述国际热点研究计划中，冰冻圈科学研究也是重要内容。
WCRP下设的四大主题研究之一——气候与冰冻圈（CliC）计划，是冰冻圈科学*具代表性的国际计划之一。CliC计划主要针对冰冻圈变化与气候系统的预测，将冰冻圈作为气候重要变量，定量研究冰冻圈各要素的变化过程、冰冻圈与其他圈层相互作用的机理，研究冰冻圈自身和气候系统变化的可预报性。CliC计划以陆地冰冻圈、海洋冰冻圈、冰冻圈与海平面变化等为主要议题开展研究。
IGBP中的过去全球变化研究（PAGES）是冰冻圈科学的重要阵地之一，冰芯研究是它的核心子计划。*近出台的国际冰芯研究伙伴计划（IPICS），拟集中攻克几个不同时间尺度上的气候、环境问题，如大于一百万年子计划、四万年子计划、两千年子计划等。中国科学家领衔的 IGBP综合集成研究计划“冰冻圈变化对亚洲干旱区生态与经济社会的影响”项目，在冰冻圈对区域可持续发展的影响和作用做出了贡献。
IUGG下属的国际雪冰委员会（ICSI），是国际水文科学协会之下的二级协会。随着对冰冻圈在气候变化中重要性认识的提升，2007年7月，在意大利佩鲁贾举行的IUGG第24届全会上，ICSI被升格为“国际冰冻圈科学协会”，成为IUGG成立87年里*一增加的一级协会。
2007～2009年第四次国际极地年期间，全世界有5万多名科学家在南极和北极地区完成了228项科学研究项目。之后，世界气象组织（WMO）成立了极地和高山观测、研究与服务专家组（EC-PHORS），并于2015年WMO第十七次世界气象大会上，将其观测、研究和服务纳入WMO未来七大核心计划。这些工作都和冰冻圈科学及服务社会经济相关。
区域冰冻圈和环境变化方面的国际计划主要在极地高纬度地区。由中国科学家发起和主导的“第三极环境（TPE）计划”是区域综合研究计划的代表性工作。以青藏高原为核心的TPE计划，紧扣“第三极”多圈层相互作用，研究青藏高原及周边地区气候与环境变化的机理，预估区域未来气候和环境变化，为青藏高原及周边地区和国家的可持续发展服务。
2.冰冻圈科学在中国的发展
中国冰冻圈科学研究始于20世纪20～40年代初的冰川学研究，成形于20世纪50～60年代，发展于20世纪80～90年代。进入21世纪，为适应气候变化科学和可持续发展之需求，将冰川、冻土、积雪、海冰等要素及其服务功能集成，提出了冰冻圈科学的理念，使之成为一门新兴交叉学科。
20世纪20年代初，地理学家竺可桢在大学教授“地学通论”时，设立专章讲述冰川，首开传授冰冻圈科学知识之先河。50年代，西北干旱区农业发展缺水，60年代修建青藏公路、天山公路和青藏铁路等，国家需求催生了中国冰川学、冻土学和积雪研究。1965年，中国科学院兰州冰川冻土研究所
定价：78.0
ISBN：9787030566928
作者：无
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
随着气候变化的兴起，冰冻圈科学应运而生，其是一门新兴的、快速发展的学科，受到人们日益广泛的关注。总结十多年国内外发展态势，中国科学家从冰冻圈科学概念、冰冻圈科学研究构架、冰冻圈科学学科体系等方面提出了系统的学科体系化理念，并构建了将冰冻圈与大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和社会经济与可持续发展等多圈层紧密结合、开展多学科有机融合的新兴交叉学科。
《中国学科发展战略·冰冻圈科学》总结了冰冻圈科学的发展历程，基于冰冻圈科学的基本理念，明晰了学科特点和规律，提出了未来5~10年中国冰冻圈科学应关注的关键科学问题和具体的研究方向，并对未来资助机制和政策提出了建议。
目录：
目录
总序 i
前言 v
摘要 ix
Abstract xiii
第*章 学科特点及科学意义 1
第*节 学科特点 1
一、冰冻圈组成要素、分类和时空尺度 1
二、冰冻圈科学内涵和范畴 3
三、冰冻圈科学发展与学科特点 5
第二节 科学意义 11
一、冰冻圈科学是气候系统科学的前沿领域 11
二、冰冻圈科学是社会经济与可持续发展领域的研究热点 11
三、冰冻圈科学是生态文明建设和维护国家安全的重要支撑 12
第三节 学科研究发展态势 13
一、冰冻圈科学向体系化发展趋势明显 13
二、冰冻圈学科向社会应用学科发展迈进 15
第四节 总体研究和发展思路 16
一、总体思路 17
二、若干重要领域 17
第二章 冰冻圈物理和化学过程 19
第*节 现状与趋势 20
一、研究历史概要 20
二、研究现状 23
三、国际热点及发展趋势 26
四、在我国面临的发展机遇 27
第二节 未来10年发展目标 30
一、未来研究目标 30
二、未来10年目标 30
第三节 关键科学问题 33
一、冰冻圈主要物理过程的定量刻画 33
二、冰冻圈水热与动力过程及其模拟 33
三、冰冻圈现代过程与气候环境记录代用指标发掘 33
第四节 重要研究方向 34
一、冰冻圈主要物理参数和冰冻圈变化的监测 34
二、冰冻圈变化的机理 35
三、冰冻圈变化的动力学模拟预估 36
四、冰冻圈现代过程及其气候环境记录研究 37
第三章 冰冻圈与气候模拟 39
第*节 现状与趋势 39
一、冰冻圈变化对大气的反馈作用 40
二、冰冻圈对亚洲天气、气候的影响 42
三、冰冻圈对全球大洋环流的驱动及响应 44
四、冰冻圈的海平面效应 47
五、冰冻圈分量模式及其在地球系统模式中的耦合 49
第二节 未来10年发展目标 56
一、冰冻圈在气候系统模式中的精细化描述 56
二、冰冻圈要素对气候变化响应的定量化研究 57
第三节 关键科学问题 58
一、不同时空尺度气候系统与冰冻圈的相互作用与反馈 58
二、冰冻圈快速变化对气候系统影响的定量辨识 59
第四节 重要研究方向 59
一、冰冻圈分量模式与地球系统模式的耦合 59
二、冰冻圈同化系统研发 60
三、冰冻圈对全球海平面变化的影响预估 60
四、北半球高纬度冰冻圈快速变化与中低纬度极端天气、气候之间的关联 61
五、北极冰冻圈变化预估及北极放大效应 61
六、青藏高原冰冻圈与季风、降水的关系 61
七、南极冰冻圈对长期气候变化的响应及其归因研究 62
第四章 冰冻圈与生物地球化学循环 63
第*节 现状与趋势 64
一、国内外发展现状 64
二、未来发展趋势 72
第二节 未来10年发展目标 80
第三节 关键科学问题 80
一、冰冻圈变化对生物地球化学循环的作用方式、时空阈值及其驱动机制 80
二、冰冻圈与生物地球化学循环变化的气候及环境反馈影响与识别 81
第四节 重要研究方向 81
一、生态系统响应冰冻圈变化的中长期综合观测与多源数据集成研究 81
二、积雪与冻土变化对陆地生物地球化学过程的影响与驱动机制 82
三、冰冻圈与生物地球化学循环机理模型与未来变化趋势预估 83
四、冰冻圈有机污染物/痕量化学物质变化的环境指示与安全风险 84
五、冰冻圈变化对海洋碳氮磷循环的影响 84
第五章 冰冻圈与水文水资源 86
第*节 现状与趋势 87
一、国内外发展现状 87
二、未来发展趋势 94
第二节 未来10年发展目标 105
一、发展和完善冰冻圈水文学的理论和方法体系 105
二、深化对宏观尺度冰冻圈水循环过程及其影响的科学认识 105
三、精细化流域冰冻圈水文过程及定量评估冰冻圈水资源影响 106
第三节 关键科学问题 107
一、定量认识不同冰冻圈水文要素的水文水资源效应 107
二、准确判断不同冰冻圈水文过程的时空尺度 108
第四节 重要研究方向 108
第六章 冰冻圈与地表环境 111
第*节 现状与趋势 112
一、冰冻圈变化与侵蚀过程 112
二、发展趋势 116
第二节 未来10年发展目标 121
一、冰冻圈灾害的演化机理 121
二、冰冻圈地貌过程的机理研究 121
第三节 关键科学问题 122
一、冰冻圈变化对气候变化的响应机理 122
二、冰冻圈多尺度能量水分循环对地表环境的影响机理 123
第四节 重要研究方向 124
一、寒区地表化学风化 124
二、冰川消融、海平面上升与海岸带过程 125
三、冻土退化与地表环境 125
四、冰冻圈灾害 126
第七章 冰冻圈与重大工程 128
第*节 现状与趋势 129
一、国内外研究现状 129
二、未来发展趋势 137
第二节 未来10年发展目标 141
一、完善重大工程监测网络体系，加强重大工程稳定性技术和安全保障预警系统研发与预测方法研究 141
二、阐明冰冻圈要素与重大工程的互馈关系及其环境、灾害效应 142
三、提出冰冻圈作用区重大工程对气候变化的应对策略，研发适应气候变化重大工程安全保障的关键技术 142
第三节 关键科学问题 142
一、冰冻圈环境变化与重大工程的互馈关系 143
二、冰冻圈重大工程的致灾机理及其环境效应 143
三、冰冻圈重大工程的服役性、可靠性评价与安全保障技术 144
第四节 重要研究方向 144
一、冰冻圈作用区重大工程的灾害和环境效应及风险评估 145
二、冰冻圈环境与重大工程的热力作用机制及其反馈效应 145
三、冰冻圈作用区重大工程建设安全与保障的关键技术 146
四、水热力相互作用机理及其预测方法 147
第八章 冰冻圈与可持续发展 149
第*节 现状与趋势 149
一、国内外发展现状 149
二、未来发展趋势 157
第二节 未来10年发展目标 160
一、构建冰冻圈与社会经济耦合模型，量化冰冻圈变化对社会经济的影响 160
二、冰冻圈变化风险的适应途径与措施 160
三、确定冰冻圈可利用的资源形态，量化冰冻圈服务功能及其价值 161
四、揭示冰冻圈变化与国际地缘关系，开发应对方案与适应战略 161
第三节 关键科学问题 162
一、定量化认识冰冻圈变化的影响 162
二、建立冰冻圈服务功能测评体系 162
三、开发冰冻圈与社会经济适应模型 163
第四节 重要研究方向 163
一、冰冻圈服务功能及其价值评估体系化研究 164
二、冰冻圈与国际地缘关系研究 165
三、冰冻圈灾害风险评估与管控研究 167
四、冰冻圈变化影响的适应研究 167
第九章 资助机制与政策建议 169
第*节 学科建设 170
第二节 人才队伍建设 171
第三节 平台与监测能力建设 172
第四节 资助机制和政策建议 174
参考文献 177
关键词索引 186
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第*章 学科特点及科学意义
冰冻圈是地球表层连续分布并具有一定厚度的负温圈层，是气候系统五大圈层之一，与气候系统其他圈层和人类圈相互作用，在全球变化研究中扮演着重要角色，为人类社会经济发展和向可持续发展转型做出了贡献。进入21世纪，冰冻圈科学已发展成为地球与环境科学和社会经济学交叉的新兴学科。在全球变暖的形势下，为促进学科发展，适应和满足社会需求，冰冻圈科学需要系统梳理和总结前期研究成果，把握前进方向，提出未来一段时间内的学科发展思路。
第*节 学科特点
一、冰冻圈组成要素、分类和时空尺度
冰冻圈是指地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层，亦称冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体应处于自然冻结状态。冰冻圈在大气圈内位于0℃线高度以上的对流层和平流层内，在岩石圈内是从地面向下一定深度（数十米至上千米）的负温表层岩土。“冰冻圈”的英文为cryosphere，源自希腊文的kryos，含义是“冰冷”。在中国，由于冰川、冻土和积雪的作用、价值和影响，以及冰川学和冻土学在中国发展过程中相辅相成的历史渊源，学界习惯将cryosphere称为“冰冻圈”。中国科学家根据冰冻圈要素形成发育的动力、热力条件和地理分布，将冰冻圈划分为陆地冰冻圈（continental cryosphere），包括冰川（含冰盖和冰帽）、冻土（包括多年冻土、季节冻土、地下冰）、河冰和湖冰、积雪；海洋冰冻圈（marine cryosphere），包括冰架、冰山、海冰和海底多年冻土；大气冰冻圈（aerial cryosphere），包括大气对流层和平流层内的冻结水体。大气冰冻圈也属于气象学范畴。地球上高海拔或中高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带。
据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告统计，陆地冰冻圈占全球陆地面积的52.0%～55.0%。其中，现代冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地表面的10%；积雪范围为1.3%～30.6%。其中，北半球冬季积雪的面积可达4600万km2；多年冻土区为9%～12%，季节冻土（包含多年冻土活动层）为33%；从多年平均值看，5.3%～7.3%的海洋表面被海冰和冰架覆盖；北冰洋海冰*大范围可达到1500万km2左右，*小约为600万km2；南大洋海冰范围9月*大时约为1800万km2，2月仅为300万km2。南极冰盖外缘的诸多冰架，面积约1617万km2，占海洋面积的0.45%。海底多年冻土约占海洋总面积的0.8%。大气圈内水体含量很低，总量为11.4万t。
冰冻圈各组成要素的空间尺度差别很大。陆地冰冻圈以冻土、南极冰盖、格陵兰冰盖的面积，以及积雪的范围尺度*大，山地冰川、河冰、湖冰为小。海洋冰冻圈内，海冰分布范围*大。大气冰冻圈在空间上为一个连续的椭球体。在时间尺度上，冰冻圈各要素的生存时间即寿命长短不一，从几分钟、数天到数年乃至百万年不等；在表现形式上，冰冻圈千差万别，从雪花、海冰到冰川、冻土等，不一而足（图1-1）。
在陆地冰冻圈，冰体从冰川积累区流动到冰川末端消融，所需时间因地形和气候条件不同而异，从几十年到数千年不等，南极冰盖可能达到百万年之久。冻土的分布范围*广，多年冻土的发育和存活时间与极地冰盖大体相当，在气候变暖条件下，在水平方向上由连续多年冻土向不连续多年冻土或季节冻土转化，在垂直方向上表现为活动层厚度增加，多年冻土层厚度从上下两个方向相向减少，季节冻土在空间面积和厚度上减少。河冰、湖冰随着由冬转夏而消失殆尽。积雪随着春去夏来消融，并可形成春汛。
在海洋冰冻圈，海冰随季节而进退，一般生存不超过12个月，但北冰洋有少量多年冰存在。冰架的存活时间长短不一，从几十年到数千年不等。冰盖和冰架在边缘崩解后形成冰山，随洋流和风向漂移、融化、消失，与大气环流、海温、洋流密切相关，其寿命从数月到数百年不等。
图1-1 地球冰冻圈分类和时空尺度（据IPCC第*工作组第四次评估报告修改）
在大气冰冻圈，冻结状水体的存活时间按日计算，依具体条件而定。
总体上说，地形、洋流和气候条件等决定了冰冻圈各要素的形成、发育、分布和变化，冰冻圈的生存寿命和当前气候变化研究关系密切，是冰冻圈科学的研究内容之一。广义地讲，在地球系统中具有负温且伴有水分发生相变的时空范围内，都是冰冻圈研究的范畴。
二、冰冻圈科学内涵和范畴
冰冻圈科学是研究自然条件下冰冻圈的形成、机理、变化、与其他圈层相互作用及其变化的影响和适应的科学。冰冻圈与大气圈、水圈、岩石圈（表层）、生物圈及人类系统（人类圈）相互作用强烈，通过水分、热量、动量、物质交换，促进气候系统乃至地球系统各圈层之间的相互联系，在人类社会经济发展中扮演着重要角色（秦大河等，2017）。
冰冻圈科学是以冰川（冰盖）、冻土、积雪、河冰、湖冰，以及海冰、冰架、冰山和大气中的固态水体等冰冻圈组成要素为对象，以冰冻圈分支学科和各要素的形成和演化规律为基础，以与其他圈层相互作用和影响为重点，以为社会经济和可持续发展服务为目的的一门新兴交叉科学。其范畴可概括为下列三个方面。
（1）冰冻圈各组成要素的形成、发育、演化过程，以及各要素之间的相互作用，有别于其他圈层的冰冻圈内水热动力过程、生物地球化学循环等。
（2）冰冻圈及其各要素与气候系统其他圈层（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）之间的互作用、转化和影响。
（3）冰冻圈对经济社会的服务功能和对可持续发展的贡献，可分为全球和区域尺度上冰冻圈变化的适应、减缓和对策分析。
冰冻圈科学主要由冰冻圈动力机制和冰冻圈变化、冰冻圈变化的影响、适应研究等层阶组成。其中，形成过程、机理、变化等内容属于基础研究（或基础性工作）；与各圈层相互作用及其影响属于应用基础研究；冰冻圈服务、适应对策和促进社会经济可持续发展属于应用研究（图1-2）。
图1-2 冰冻圈科学的研究构架
冰冻圈科学主要包括四个方面的研究内容。
（1）冰冻圈发育过程和机理。从微观和宏观尺度研究冰冻圈的物理、化学和生物地球化学过程，其中热力、动力机理是重点。通过传统的和现代化的监测手段，如利用地基和遥感监测，获取冰冻圈各要素及其变化的定量数据，通过模型模拟，分析不同时间（日、月、季节、年和年代际）和空间（站点、个体、流域、区域、半球和全球尺度）尺度上的冰冻圈各要素变化过程，揭示其变化机理，为预测未来变化和评估这些变化的影响奠定基础。
（2）冰冻圈变化的影响。冰冻圈组成要素及其变化对自然和人类社会经济系统产生的各种正面和负面作用，可以理解为在气候系统各圈层相互作用过程中冰冻圈所起到的作用，如对气候、生态、水、环境和社会经济的影响。
（3）冰冻圈变化的适应性。通过自然科学和社会科学的交叉融合，分析冰冻圈变化的风险水平、暴露度和脆弱性，结合区域社会经济调查，评价冰冻圈的服务功能及其价值，建立冰冻圈变化适应性的评估方法，提出冰冻圈变化的适应性和相应对策。
（4）地质尺度背景下的冰冻圈演化。通过古冰冻圈地质地貌特征和模型模拟分析，研究冰川、冻土和遗迹等形成、演化、机理及影响；冰冻圈各组成要素的不同介质，不同分辨率的古气候环境记录，如高分辨冰芯记录重建了过去80万年古大气内温室气体浓度和其他有关气候、环境和外太空事件的记录等，是冰冻圈科学研究的重要内容。冰冻圈内的古记录还可以反演和验证冰冻圈动力过程，为建模和评价冰冻圈影响区的人地关系服务。
三、冰冻圈科学发展与学科特点
近年来，随着全球变暖趋势的加快、加强，环境保护、生态保育、应对气候变化成为全社会关注的焦点。其中，冰川、冻土、山区、极地等是社会*关注的科学研究对象。20世纪80年代以来，国内外都实施了一批研究计划，学界也多次将冰冻圈科学研究列入国际科学前沿，如冰冻圈变化影响涉及的水资源短缺、海平面变化、天气气候灾害、极端事件、区域发展和政策等热点问题。
（一）冰冻圈科学国际和国内发展态势
1.国际重大科学计划中的冰冻圈科学
国际地圈-生物圈计划（IGBP）、国际全球环境变化的人文因素计划（IHDP）、世界气候研究计划（WCRP）和国际生物多样性计划（DIVERSITAS）是1988年国际科学理事会（ICSU）协调下的全球变化“四大科学计划”。2002年，“四大科学计划”又合并为“地球系统科学联盟”（Earth System Science Partnership，ESSP）。2014年，ICSU和国际社会科学联合会（ISSU）联袂推出“未来地球”（Future Earth，FE）十年科学计划。同时，“四大科学计划”依次将其部分项目按照FE的思路整合，报经FE科学委员会批准后转为该计划的核心项目。而“四大科学计划”除WCRP作为FE观察员外，其余全部宣告结束。上述国际热点研究计划中，冰冻圈科学研究也是重要内容。
WCRP下设的四大主题研究之一——气候与冰冻圈（CliC）计划，是冰冻圈科学*具代表性的国际计划之一。CliC计划主要针对冰冻圈变化与气候系统的预测，将冰冻圈作为气候重要变量，定量研究冰冻圈各要素的变化过程、冰冻圈与其他圈层相互作用的机理，研究冰冻圈自身和气候系统变化的可预报性。CliC计划以陆地冰冻圈、海洋冰冻圈、冰冻圈与海平面变化等为主要议题开展研究。
IGBP中的过去全球变化研究（PAGES）是冰冻圈科学的重要阵地之一，冰芯研究是它的核心子计划。*近出台的国际冰芯研究伙伴计划（IPICS），拟集中攻克几个不同时间尺度上的气候、环境问题，如大于一百万年子计划、四万年子计划、两千年子计划等。中国科学家领衔的 IGBP综合集成研究计划“冰冻圈变化对亚洲干旱区生态与经济社会的影响”项目，在冰冻圈对区域可持续发展的影响和作用做出了贡献。
IUGG下属的国际雪冰委员会（ICSI），是国际水文科学协会之下的二级协会。随着对冰冻圈在气候变化中重要性认识的提升，2007年7月，在意大利佩鲁贾举行的IUGG第24届全会上，ICSI被升格为“国际冰冻圈科学协会”，成为IUGG成立87年里*一增加的一级协会。
2007～2009年第四次国际极地年期间，全世界有5万多名科学家在南极和北极地区完成了228项科学研究项目。之后，世界气象组织（WMO）成立了极地和高山观测、研究与服务专家组（EC-PHORS），并于2015年WMO第十七次世界气象大会上，将其观测、研究和服务纳入WMO未来七大核心计划。这些工作都和冰冻圈科学及服务社会经济相关。
区域冰冻圈和环境变化方面的国际计划主要在极地高纬度地区。由中国科学家发起和主导的“第三极环境（TPE）计划”是区域综合研究计划的代表性工作。以青藏高原为核心的TPE计划，紧扣“第三极”多圈层相互作用，研究青藏高原及周边地区气候与环境变化的机理，预估区域未来气候和环境变化，为青藏高原及周边地区和国家的可持续发展服务。
2.冰冻圈科学在中国的发展
中国冰冻圈科学研究始于20世纪20～40年代初的冰川学研究，成形于20世纪50～60年代，发展于20世纪80～90年代。进入21世纪，为适应气候变化科学和可持续发展之需求，将冰川、冻土、积雪、海冰等要素及其服务功能集成，提出了冰冻圈科学的理念，使之成为一门新兴交叉学科。
20世纪20年代初，地理学家竺可桢在大学教授“地学通论”时，设立专章讲述冰川，首开传授冰冻圈科学知识之先河。50年代，西北干旱区农业发展缺水，60年代修建青藏公路、天山公路和青藏铁路等，国家需求催生了中国冰川学、冻土学和积雪研究。1965年，中国科学院兰州冰川冻土研究所