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书名：冰冻圈科学概论（修订版）
定价：98.0
ISBN：9787030586223
作者：无
版次：1
出版时间：2018-09
内容提要：
本书系统地介绍了冰冻圈科学，其内容涵盖冰冻圈组成各要素的形成发育、演化和研究方法，冰冻圈与气候系统其他圈层及人类圈的相互作用，涉及社会经济可持续发展和地缘政治等热点问题。
目录：
目录
修订版前言
序一
序二
前言
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学 1
1.1 冰冻圈 1
1.1.1 地球上的冰冻圈 1
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征 2
1.1.3 冰冻圈变化 4
1.2 冰冻圈科学 6
1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴 6
1.2.2 学科体系和研究方法 7
1.2.3 冰冻圈科学的发展 8
1.2.4 国际重大科学计划中的冰冻圈科学 9
1.2.5 关注IPCC AR6 对冰冻圈科学的要求 10
1.3 冰冻圈与气候系统 10
1.3.1 冰冻圈的发育机理、过程和变化 10
1.3.2 冰冻圈发育的时空尺度 12
1.3.3 冰冻圈与其他圈层的相互作用 13
1.3.4 冰冻圈在气候系统中的作用 14
1.4 冰冻圈科学在经济社会发展中的作用 16
1.4.1 水循环和水资源 17
1.4.2 冰冻圈灾害 17
1.4.3 矿产资源和工程建设 18
1.4.4 冰冻圈地区探险与旅游 18
1.4.5 冰冻圈对人类社会的惠益 19
1.4.6 冰冻圈地缘政治 19
1.5 行星冰冻圈 20
1.5.1 火星冰冻圈的特征 20
1.5.2 火星水冰的证据 21
思考题 22
延伸阅读 23
【代表人物】 23
【经典著作】 24
第2章 冰冻圈的分类和地理分布 25
2.1 冰冻圈的全球分布、组成与分类 25
2.1.1 冰冻圈分布的地带性 25
2.1.2 冰冻圈的组成和分布特征 26
2.1.3 陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈 27
2.2 陆地冰冻圈的分类与分布 28
2.2.1 冰川与冰盖的分类与分布 28
2.2.2 冻土的分类与分布 35
2.2.3 积雪的分类与分布 41
2.2.4 河冰和湖冰的分类与分布 45
2.3 海洋冰冻圈的分类与分布 48
2.3.1 冰架与冰山的分类与分布 48
2.3.2 海冰的分类与分布 50
2.3.3 海底多年冻土的分类与分布 54
2.4 大气冰冻圈的分类与分布 56
2.4.1 大气冰冻圈的分类 56
2.4.2 大气冰冻圈的分布 56
思考题 59
延伸阅读 59
【经典著作】 59
第3章 冰冻圈的形成和发育 61
3.1 冰冻圈形成与发育的条件 61
3.1.1 冰川的形成与发育条件 61
3.1.2 多年冻土的形成与发育条件 62
3.1.3 积雪的形成与发育条件 63
3.1.4 河冰和湖冰的形成与发育条件 63
3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成与发育条件 64
3.2 冰冻圈形成与发育的物理基础 64
3.2.1 冰冻圈表面的能量平衡物理基础 64
3.2.2 冰冻圈表面的水分平衡物理基础 65
3.2.3 冰冻圈介质中的热量传输物理基础 65
3.2.4 冰冻圈物质平衡的物理基础 66
3.2.5 土壤中水分迁移/运动的物理机制 69
3.3 陆地冰冻圈的形成与发育 70
3.3.1 冰川（盖）的形成与发育 70
3.3.2 冻土的形成与发育 72
3.3.3 积雪的形成与发育 74
3.3.4 河冰和湖冰的形成与发育 75
3.4 海洋冰冻圈的形成与发育 76
3.4.1 海冰的形成与发育 76
3.4.2 冰架和冰山的形成与发育 80
3.4.3 海底多年冻土的形成与发育 81
3.5 大气冰冻圈的形成与发育 81
3.5.1 雪花的形成与发育 81
3.5.2 霰、冰粒和冰雹的形成与发育 82
思考题 82
延伸阅读 83
【经典著作】 83
第4章 冰冻圈的物理特征 84
4.1 冰的主要物理性质 84
4.1.1 冰的晶体结构 84
4.1.2 冰的力学性质 86
4.1.3 冰的热学性质 89
4.1.4 冰的电学和光学性质 91
4.2 冰冻圈主要要素力学和动力学特征 91
4.2.1 冰川运动和动力学特征 91
4.2.2 冻土力学特征 94
4.2.3 积雪的动力学特征 98
4.2.4 河冰和湖冰动力学特征 99
4.2.5 海冰动力学特征 99
4.3 冰冻圈主要要素热学特征 100
4.3.1 冰川和积雪热学特征 100
4.3.2 冻土中的水热迁移 102
4.3.3 海冰、河冰和湖冰的热力学特征 104
4.4 冰冻圈主要要素的其他物理特征 106
4.4.1 反照率特征 106
4.4.2 电磁学特征 107
思考题 109
延伸阅读 109
【代表人物】 109
【经典著作】 109
第5章 冰冻圈的化学特征 111
5.1 冰冻圈化学成分的来源 111
5.1.1 大气化学成分进入冰冻圈的主要过程 113
5.1.2 冰冻圈化学对气候环境的影响 113
5.2 冰川化学 114
5.2.1 无机成分 114
5.2.2 有机成分 119
5.2.3 不溶性微粒 120
5.2.4 稳定同位素比率 121
5.3 冻土化学 122
5.3.1 已冻结土及正冻土的化学过程 122
5.3.2 天然气水合物 124
5.4 河冰和湖冰化学特征 126
5.4.1 氢氧稳定同位素比率在冰-水两相间的变化与影响因素 126
5.4.2 痕量气体在河冰和湖冰中的分布 126
5.4.3 河冰和湖冰中有色可溶性有机物的排斥效应与光学特性 127
5.5 海冰化学 127
5.5.1 海冰盐度及其演化 128
5.5.2 海冰相图 131
5.5.3 海冰中的气体 133
5.5.4 生物过程对海冰化学的影响 134
思考题 135
延伸阅读 135
【经典著作】 135
第6章 冰冻圈内的气候环境记录 136
6.1 冰冻圈中的气候环境指标 136
6.1.1 冰芯 136
6.1.2 冻土 137
6.1.3 树木年轮 137
6.1.4 湖泊沉积 138
6.2 冰芯记录 138
6.2.1 冰芯定年方法 138
6.2.2 格陵兰冰盖和南极冰盖冰芯记录 139
6.2.3 山地冰芯记录 144
6.3 冻土记录 147
6.3.1 冰楔记录 147
6.3.2 冻胀丘记录 150
6.4 树木年轮记录 150
6.4.1 寒区树木年轮记录的重大气候事件 151
6.4.2 寒区树木年轮记录的冰川末端进退 151
6.4.3 寒区树木年轮记录的冻土环境变化 152
6.4.4 树轮记录的积雪变化 153
6.5 寒区湖泊记录 154
6.6 冰冻圈其他介质记录 154
思考题 156
延伸阅读 156
【代表人物】 156
【经典著作】 157
第7章 不同尺度的冰冻圈演化 159
7.1 构造尺度冰冻圈演化 159
7.1.1 前寒武纪大冰期 159
7.1.2 石炭-二叠纪大冰期 161
7.1.3 第四纪大冰期 162
7.1.4 三大冰期形成原因 163
7.2 轨道尺度冰冻圈演变——更新世气候演变与米兰科维奇理论 165
7.2.1 冰期天文理论的创立过程 165
7.2.2 冰期天文理论的基本原理 166
7.2.3 冰期天文理论的修正 169
7.2.4 冰期天文理论面临的挑战 170
7.3 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变 170
7.3.1 气候变化若干重要事件及其基本概念 171
7.3.2 末次冰期以来冰冻圈各要素演变 173
7.4 百年来冰冻圈变化 178
7.4.1 南极冰盖百年际变化 179
7.4.2 山地冰川变化 180
7.4.3 全球冻土变化 183
7.4.4 北半球积雪变化 187
7.4.5 两极海冰变化 189
思考题 190
延伸阅读 190
【代表人物】 190
【经典著作】 191
第8章 冰冻圈与其他圈层的相互作用 192
8.1 冰冻圈与大气圈 192
8.1.1 冰雪-反照率反馈机制 192
8.1.2 冰-气潜热和感热交换 193
8.1.3 冰-气动量交换 194
8.1.4 冰冻圈与东亚季风 194
8.2 冰冻圈与生物圈 195
8.2.1 冰冻圈与生态 195
8.2.2 冰冻圈与寒区碳氮循环 203
8.2.3 极地海洋生物 205
8.3 冰冻圈与水圈 208
8.3.1 冰冻圈水文特点与作用 208
8.3.2 冰冻圈与大尺度水循环 211
8.3.3 冰冻圈与海平面 213
8.3.4 冰冻圈与陆地水文 215
8.4 冰冻圈与岩石圈 231
8.4.1 冰川侵蚀、搬运与堆积作用 232
8.4.2 多年冻土与岩石圈表层 236
思考题 240
延伸阅读 240
【经典著作】 240
第9章 冰冻圈与可持续发展 242
9.1 冰冻圈变化影响与适应的基本概念 242
9.1.1 影响、适应与可持续发展 242
9.1.2 冰冻圈变化影响的脆弱性 243
9.1.3 冰冻圈变化的适应框架 245
9.2 冰冻圈变化对水文-生态的影响与适应 246
9.3 冰冻圈灾害的影响 247
9.3.1 灾害风险与管理 247
9.3.2 冰冻圈灾害风险评估 248
9.4 冰冻圈区重大工程建设 258
9.4.1 寒区铁路、公路与冻土融沉 258
9.4.2 冻土区输油管道 263
9.4.3 海冰区港口 264
9.5 冰冻圈旅游 265
9.5.1 冰冻圈旅游内涵 265
9.5.2 冰冻圈旅游资源特点 265
9.5.3 国际冰冻圈旅游发展概况 266
9.6 冰冻圈服务功能及其价值 266
9.6.1 冰冻圈服务功能 266
9.6.2 冰冻圈服务价值 268
思考题 269
延伸阅读 270
【经典著作】 270
第10章 冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估 271
10.1 气候模式与冰冻圈模式 271
10.1.1 气候模式的发展 271
10.1.2 冰冻圈模式 274
10.2 冰冻圈过程的模拟 287
10.2.1 冰川物质平衡模拟 287
10.2.2 冰盖物质平衡模拟 287
10.2.3 冻土分布与气候响应模拟 288
10.2.4 积雪模拟 289
10.2.5 海冰模拟 290
10.2.6 河/湖冰模拟 291
10.3 冰冻圈变化的预估 292
10.3.1 全球社会经济情景和温室气体排放情景 292
10.3.2 冰川变化的预估 295
10.3.3 冰盖变化的预估 296
10.3.4 冻土变化的预估 298
10.3.5 积雪变化的预估 300
10.3.6 海冰变化的预估 301
10.3.7 冰冻圈变化预估的不确定性 301
思考题 302
延伸阅读 303
第11章 冰冻圈科学观测和实验技术 304
11.1 观测和实验技术在冰冻圈科学发展中的作用 304
11.2 野外观测和勘测方法与技术 305
11.2.1 通用方法和技术 305
11.2.2 冰冻圈要素监测 313
11.3 实验室分析技术 324
11.3.1 力学 324
11.3.2 热学 325
11.3.3 光学 325
11.3.4 微观物理结构 327
11.3.5 化学成分 327
11.3.6 测年方法与技术 330
11.4 遥感技术 332
11.4.1 光学遥感 334
11.4.2 微波遥感 337
11.4.3 高度计 339
11.4.4 无线电回波探测 340
11.4.5 重力卫星 340
思考题 341
延伸阅读 341
参考文献 342
索引 346
在线试读：
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学
自然界的冰体对全球升温特别敏感。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）指出，观测到的1951～2010 年全球平均地表温度升高的一半以上，是由温室气体浓度的人为增加和其他人为强迫共同导致的；这一认知的信度达到了95%以上。气候系统(由大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈五大圈层组成)变暖，意味着冰冻圈也在变暖，冰川、冻土和积雪等冰冻圈各要素均呈退缩和减少的趋势。
冰冻圈变化对全球和区域气候、生态和人类福祉都有影响。在全球尺度上，南极冰盖和格陵兰冰盖的形成发育与气候相关，它们的变化影响大洋环流和海平面升降；积雪与海冰的体量小但覆盖范围大，它们的变化对地球能量收支、辐射平衡和大气环流的关键过程与反馈至关重要；多年冻土的冻融过程影响土壤含水量、植被和生态系统，冻胀与融沉破坏地面基础设施，气候变暖时“蛰伏”的有机碳经微生物降解释放温室气体，增加大气圈内甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的浓度，加速全球变暖。在区域尺度上，山地冰川、河冰、湖冰的变化影响水资源、生态系统，甚至带来灾害；北冰洋海冰退缩为北冰洋航道开拓和海底资源开发创造了机遇，但也增加了环北极国家间的领土和资源纷争。上述冰冻圈的种种“作用”，与诸多学科交叉，和人类活动关联，内容丰富且实用，过程复杂而有意义，是冰冻圈和冰冻圈科学的重要内涵。
1.1 冰冻圈
1.1.1 地球上的冰冻圈
冰冻圈是指地球表层具有一定厚度且连续分布的负温圈层，又称为冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体一般处于冻结状态。冰冻圈在岩石圈内位于从地面向下一定深度（数十米至上千米）的表层岩土；在水圈主要位于南大洋、北冰洋海表向下数米至上百米，以及周边一些大陆架向下数百米范围内；在大气圈内主要位于0℃线以上的对流层和平流层内。
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，学术界将cryosphere 称为冰冻圈。
冰冻圈的组成要素包括冰川（含冰盖）、冻土（包括多年冻土、季节冻土）、积雪、河冰和湖冰，海冰、冰架、冰山和海底多年冻土，以及大气圈对流层和平流层内的冻结状水体。在地表水平方位上，中、高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带（图1.1）。
图1.1 冰冻圈的全球分布示意图（IPCC，2013）
在北半球图（左上）上，海冰覆盖显示的是北半球夏季海冰范围*小时（2012 年9 月13 日）的状态，30 年平均海冰范围（黄线）显示的是年*小海冰南界（海冰密集度15%）在1979~2012 年的平均值，所以在南半球显示的分别是*大海冰覆盖和年*大海冰北界的多年平均值；右下图为极射赤面投影，未能表现低纬度冰川和积雪的信息
在自然界，负温时冰晶表面存在有“准分子厚度”的薄膜水，冻土内因毛细管作用和土壤颗粒吸附作用等，发育有未冻水，它们处于未冻结状态，但属于冰冻圈范畴。南大洋和北冰洋表层的海水冬季温度在0℃以下，未冻结成冰，它们不属于冰冻圈。
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征
根据冰冻圈形成发育的动力、热力条件和地理分布，冰冻圈可划分为陆地冰冻圈（continental cryosphere）、海洋冰冻圈（marine cryosphere）和大气冰冻圈（aerial cryosphere）。
陆地冰冻圈由发育在大陆上的要素组成，包括冰川（含冰盖）、冻土（含季节冻土、多年冻土和地下冰，但不含海底多年冻土）、积雪、河冰和湖冰；海洋冰冻圈包括海冰、冰架、冰山和海底多年冻土；大气圈内冻结状的水体，包括雪花、冰晶等构成大气冰冻圈。大气冰冻圈是冰冻圈科学与大气科学交叉的部分，但学科内容各有侧重。
陆地冰冻圈占全球陆地面积的52%~55%。其中，山地冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地表面的10%（南极冰盖和格陵兰冰盖占9.5%，山地冰川占0.5%）。积雪覆盖范围平均占全球陆地面积的1.3%~30.6%，北半球多年平均*大积雪范围可占北半球陆地表面的49%。全球多年冻土区（不包括冰盖下伏的多年冻土）占全球陆地面积的9%~12%。北半球*大季节冻土（含多年冻土活动层）占全球陆地面积的33%。也有资料显示，北半球季节冻土（含多年冻土活动层）多年平均*大占到北半球陆地面积的56%以上，在极端寒冷年份高达80%以上。
冰冻圈储存了地球淡水资源的75%，其中现代冰川和格陵兰冰盖、南极冰盖约占全球淡水资源的70%，如果将这些淡水资源全部释放到海洋，全球海平面将分别上升约58.3m 和7.36m（又称当量），山地冰川的当量为0.41m，多年冻土内过饱和冰的当量约为0.10 m。全球变暖，冰冻圈内的冰体融化，已致海平面上升，1993~2010 年，陆地冰冻圈的冰量融化使全球海平面平均每年上升1.36mm。
多年平均值显示，全球5.3%~7.3%的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰*大范围约可达15×106km2，夏季*小时约为6×106km2。9 月南大洋海冰范围*大，约为18×106km2，2 月*小时约为3×106 km2。根据冰龄，海冰又分为当年冰、隔年冰和多年冰。大部分海冰都是移动着的浮冰群中的一部分，在风与大洋表层洋流的作用下漂流。浮冰在厚度、冰龄、雪的覆盖及开阔水域的分布均极不均匀，空间尺度为数米到数百千米。南极冰盖外缘的诸多冰架总面积约为161.7×104km2，占全球海洋面积的0.45%。全球海底多年冻土约占海洋面积的0.8%（表1.1）。
表1.1 全球冰冻圈各要素统计
续表
大气圈内的水含量很低，总量为1.14×105t，是3 个冰冻圈类型中冰量*少、寿命*短的。
1.1.3 冰冻圈变化
早在1939 年，苏联地理学家C.B.卡列斯尼克就指出，“冰川首先是一定气候状况下的产物”。随着对这种响应复杂性的深入研究和理解，科学家发现冰冻圈的各个要素更应被视为“天然的气候指示计”（nature climate-meter）。
研究冰冻圈变化，先要明白何谓气候变化。当代的气候变化是指气候系统五大圈层的变化，5 个圈层中任何一个的变化都被视为气候变化。例如，全球变暖不仅表现为地表平均温度的升高，还表现为海洋热含量增加、冰川退缩、多年冻土活动层厚度增加、积雪和海冰范围减小、生物多样性锐减等，它们都被视为气候变化，也是气候变暖的佐证。
气候变化有两类定义。一是IPCC 的定义：“气候变化是指可识别的（如使用统计检验）持续较长一段时间（典型的为几十年或更长）的气候状态的变化，包括气候平均值和/或变率的变化。气候变化的原因可能是自然界内部过程，或是外部强迫，如太阳周期、火山爆发，或者是人为地持续对大气成分和土地利用的改变。”二是联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的定义：“在可比时期内所观测到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化。”可见，UNFCCC 对人类活动改变大气成分等导致的气候变化与自然原因导致的气候变率做了区分。
冰冻圈变化是气候系统内部变率，不是外强迫。冰冻圈变化是指冰冻圈内热状况和质量的时空分布变化。其具体是指冰冻圈各组成要素的变化，包括冰川和冰盖的面积、厚度、冰量及末端或边缘变化；冻土（包括多年冻土和季节冻土）面积或范围、厚度变化；积雪范围和雪水当量变化；海冰范围和厚度变化；河/湖冰封冻和解冻日期、冻结日数、厚度变化等。冰冻圈内部的变化，如温度、物质结构、几何形态与体积等变化，也属于变化的内容。
冰冻圈是气候变化科学的热点之一。IPCC AR5 **工作组（WGI）报告认为，地球冰冻圈是气候系统*敏感的圈层，全球变暖的今天，冰冻圈各要素都在变暖（图1.2）。冰冻圈远离如城市，独立观测到冰冻圈变暖，雄辩地证明全球变暖毋庸置疑。
图1.2 观测到的冰冻圈主要变化（ZPCC, 2013）
物候学特别注重对植物发育影响较大的古今物候对比观测，其中许多与冰冻圈有关。例如，秋冬初雪和初霜，春季终雪和终霜，植物冻害和受冻植物种类，河、湖和近地表土壤首次结冰、完全冻结日期，开始解冻、完全解冻日期，严寒开始、阴暗处开始结冰的日期，生物、农业、气象和冰冻圈要素的交叉观测等。高寒、高纬地区的树木年轮研究结果丰富了冰冻圈科学。
1.2 冰冻圈科学
1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴
冰冻圈科学是研究自然背景条件下，冰冻圈各要素形成、演化过程与内在机理，冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用，以及冰冻圈变化的影响和适应的新兴交叉学科。冰冻圈科学的目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。其国家目标也是区域冰冻圈科学的研究内容之一。
传统冰冻圈科学以其组成要素为基础，以分支学科的形式开展研究，如冰川学、冻土学、冰川与冰缘地貌学等。这些研究历史悠长、基础扎实、内容丰富、贡献巨大，但它们相对独立、联系薄弱。随着全球变暖影响日益严重，应对气候变化要求急迫，这种独立的研究方式很难适应科学发展的步伐。
把冰冻圈作为一个整体，需要把冰冻圈各要素的共性和内容归纳分类、综合分析、系统阐述，在冰冻圈的物理、化学性质，形成发育和演化规律，生物地球化学过程等机理机制，冰冻圈变化及其影响和适应对策，观测（包括遥感遥测）、模式、经济社会可持续发展和地缘政治等诸多方面，冰冻圈都要以圈层整体的形式出现。
从圈层角度看，冰冻圈以其表面的高反照率改变着全球能量收支，其巨大的冷储和相变潜热的能量仅次于海洋，冰冻圈通过改变海洋热、盐状况影响大洋环流，影响气候、人居环境和社会经济。冰冻圈还有为人类社会赋予惠益的功能，包括供给服务、调节服务、社会文化服务、特殊生境服务和工程服役服务，这些特征促使这门新兴交叉学科——冰冻圈科学诞生。
强调冰冻圈圈层的整体性和注重圈层组成要素的个性并不矛盾，前者是学科发展的需要，后者是学科持续深入发展的基础。
冰冻圈科学主要由冰冻圈内水热动力机制和要素监测、冰冻圈变化、冰冻圈变化的影响和适应研究4 个层阶组成，其中的形成过程、机理和变化属于基础研究（或基础性工作）；与各圈层间相互作用和影响、适应内容，包括赋予人类惠益等，属于应用基础研究；适应对策、促进经济社会可持续发展等属于应用研究（图1.3）。
冰冻圈科学主要包括下列内容。
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、动力机制是重点。通过传统的和现代化监测手段，如地基和空基监测，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、年际和年代际）和不同空间（站点、局地、流域、区域、半球和全球尺度）尺度上，冰冻圈各要素变化过程，揭示其变化机理，为预测和预估未来变化、评估变化带来的影响奠定基础。
定价：98.0
ISBN：9787030586223
作者：无
版次：1
出版时间：2018-09
内容提要：
本书系统地介绍了冰冻圈科学，其内容涵盖冰冻圈组成各要素的形成发育、演化和研究方法，冰冻圈与气候系统其他圈层及人类圈的相互作用，涉及社会经济可持续发展和地缘政治等热点问题。
目录：
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修订版前言
序一
序二
前言
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学 1
1.1 冰冻圈 1
1.1.1 地球上的冰冻圈 1
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征 2
1.1.3 冰冻圈变化 4
1.2 冰冻圈科学 6
1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴 6
1.2.2 学科体系和研究方法 7
1.2.3 冰冻圈科学的发展 8
1.2.4 国际重大科学计划中的冰冻圈科学 9
1.2.5 关注IPCC AR6 对冰冻圈科学的要求 10
1.3 冰冻圈与气候系统 10
1.3.1 冰冻圈的发育机理、过程和变化 10
1.3.2 冰冻圈发育的时空尺度 12
1.3.3 冰冻圈与其他圈层的相互作用 13
1.3.4 冰冻圈在气候系统中的作用 14
1.4 冰冻圈科学在经济社会发展中的作用 16
1.4.1 水循环和水资源 17
1.4.2 冰冻圈灾害 17
1.4.3 矿产资源和工程建设 18
1.4.4 冰冻圈地区探险与旅游 18
1.4.5 冰冻圈对人类社会的惠益 19
1.4.6 冰冻圈地缘政治 19
1.5 行星冰冻圈 20
1.5.1 火星冰冻圈的特征 20
1.5.2 火星水冰的证据 21
思考题 22
延伸阅读 23
【代表人物】 23
【经典著作】 24
第2章 冰冻圈的分类和地理分布 25
2.1 冰冻圈的全球分布、组成与分类 25
2.1.1 冰冻圈分布的地带性 25
2.1.2 冰冻圈的组成和分布特征 26
2.1.3 陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈 27
2.2 陆地冰冻圈的分类与分布 28
2.2.1 冰川与冰盖的分类与分布 28
2.2.2 冻土的分类与分布 35
2.2.3 积雪的分类与分布 41
2.2.4 河冰和湖冰的分类与分布 45
2.3 海洋冰冻圈的分类与分布 48
2.3.1 冰架与冰山的分类与分布 48
2.3.2 海冰的分类与分布 50
2.3.3 海底多年冻土的分类与分布 54
2.4 大气冰冻圈的分类与分布 56
2.4.1 大气冰冻圈的分类 56
2.4.2 大气冰冻圈的分布 56
思考题 59
延伸阅读 59
【经典著作】 59
第3章 冰冻圈的形成和发育 61
3.1 冰冻圈形成与发育的条件 61
3.1.1 冰川的形成与发育条件 61
3.1.2 多年冻土的形成与发育条件 62
3.1.3 积雪的形成与发育条件 63
3.1.4 河冰和湖冰的形成与发育条件 63
3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成与发育条件 64
3.2 冰冻圈形成与发育的物理基础 64
3.2.1 冰冻圈表面的能量平衡物理基础 64
3.2.2 冰冻圈表面的水分平衡物理基础 65
3.2.3 冰冻圈介质中的热量传输物理基础 65
3.2.4 冰冻圈物质平衡的物理基础 66
3.2.5 土壤中水分迁移/运动的物理机制 69
3.3 陆地冰冻圈的形成与发育 70
3.3.1 冰川（盖）的形成与发育 70
3.3.2 冻土的形成与发育 72
3.3.3 积雪的形成与发育 74
3.3.4 河冰和湖冰的形成与发育 75
3.4 海洋冰冻圈的形成与发育 76
3.4.1 海冰的形成与发育 76
3.4.2 冰架和冰山的形成与发育 80
3.4.3 海底多年冻土的形成与发育 81
3.5 大气冰冻圈的形成与发育 81
3.5.1 雪花的形成与发育 81
3.5.2 霰、冰粒和冰雹的形成与发育 82
思考题 82
延伸阅读 83
【经典著作】 83
第4章 冰冻圈的物理特征 84
4.1 冰的主要物理性质 84
4.1.1 冰的晶体结构 84
4.1.2 冰的力学性质 86
4.1.3 冰的热学性质 89
4.1.4 冰的电学和光学性质 91
4.2 冰冻圈主要要素力学和动力学特征 91
4.2.1 冰川运动和动力学特征 91
4.2.2 冻土力学特征 94
4.2.3 积雪的动力学特征 98
4.2.4 河冰和湖冰动力学特征 99
4.2.5 海冰动力学特征 99
4.3 冰冻圈主要要素热学特征 100
4.3.1 冰川和积雪热学特征 100
4.3.2 冻土中的水热迁移 102
4.3.3 海冰、河冰和湖冰的热力学特征 104
4.4 冰冻圈主要要素的其他物理特征 106
4.4.1 反照率特征 106
4.4.2 电磁学特征 107
思考题 109
延伸阅读 109
【代表人物】 109
【经典著作】 109
第5章 冰冻圈的化学特征 111
5.1 冰冻圈化学成分的来源 111
5.1.1 大气化学成分进入冰冻圈的主要过程 113
5.1.2 冰冻圈化学对气候环境的影响 113
5.2 冰川化学 114
5.2.1 无机成分 114
5.2.2 有机成分 119
5.2.3 不溶性微粒 120
5.2.4 稳定同位素比率 121
5.3 冻土化学 122
5.3.1 已冻结土及正冻土的化学过程 122
5.3.2 天然气水合物 124
5.4 河冰和湖冰化学特征 126
5.4.1 氢氧稳定同位素比率在冰-水两相间的变化与影响因素 126
5.4.2 痕量气体在河冰和湖冰中的分布 126
5.4.3 河冰和湖冰中有色可溶性有机物的排斥效应与光学特性 127
5.5 海冰化学 127
5.5.1 海冰盐度及其演化 128
5.5.2 海冰相图 131
5.5.3 海冰中的气体 133
5.5.4 生物过程对海冰化学的影响 134
思考题 135
延伸阅读 135
【经典著作】 135
第6章 冰冻圈内的气候环境记录 136
6.1 冰冻圈中的气候环境指标 136
6.1.1 冰芯 136
6.1.2 冻土 137
6.1.3 树木年轮 137
6.1.4 湖泊沉积 138
6.2 冰芯记录 138
6.2.1 冰芯定年方法 138
6.2.2 格陵兰冰盖和南极冰盖冰芯记录 139
6.2.3 山地冰芯记录 144
6.3 冻土记录 147
6.3.1 冰楔记录 147
6.3.2 冻胀丘记录 150
6.4 树木年轮记录 150
6.4.1 寒区树木年轮记录的重大气候事件 151
6.4.2 寒区树木年轮记录的冰川末端进退 151
6.4.3 寒区树木年轮记录的冻土环境变化 152
6.4.4 树轮记录的积雪变化 153
6.5 寒区湖泊记录 154
6.6 冰冻圈其他介质记录 154
思考题 156
延伸阅读 156
【代表人物】 156
【经典著作】 157
第7章 不同尺度的冰冻圈演化 159
7.1 构造尺度冰冻圈演化 159
7.1.1 前寒武纪大冰期 159
7.1.2 石炭-二叠纪大冰期 161
7.1.3 第四纪大冰期 162
7.1.4 三大冰期形成原因 163
7.2 轨道尺度冰冻圈演变——更新世气候演变与米兰科维奇理论 165
7.2.1 冰期天文理论的创立过程 165
7.2.2 冰期天文理论的基本原理 166
7.2.3 冰期天文理论的修正 169
7.2.4 冰期天文理论面临的挑战 170
7.3 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变 170
7.3.1 气候变化若干重要事件及其基本概念 171
7.3.2 末次冰期以来冰冻圈各要素演变 173
7.4 百年来冰冻圈变化 178
7.4.1 南极冰盖百年际变化 179
7.4.2 山地冰川变化 180
7.4.3 全球冻土变化 183
7.4.4 北半球积雪变化 187
7.4.5 两极海冰变化 189
思考题 190
延伸阅读 190
【代表人物】 190
【经典著作】 191
第8章 冰冻圈与其他圈层的相互作用 192
8.1 冰冻圈与大气圈 192
8.1.1 冰雪-反照率反馈机制 192
8.1.2 冰-气潜热和感热交换 193
8.1.3 冰-气动量交换 194
8.1.4 冰冻圈与东亚季风 194
8.2 冰冻圈与生物圈 195
8.2.1 冰冻圈与生态 195
8.2.2 冰冻圈与寒区碳氮循环 203
8.2.3 极地海洋生物 205
8.3 冰冻圈与水圈 208
8.3.1 冰冻圈水文特点与作用 208
8.3.2 冰冻圈与大尺度水循环 211
8.3.3 冰冻圈与海平面 213
8.3.4 冰冻圈与陆地水文 215
8.4 冰冻圈与岩石圈 231
8.4.1 冰川侵蚀、搬运与堆积作用 232
8.4.2 多年冻土与岩石圈表层 236
思考题 240
延伸阅读 240
【经典著作】 240
第9章 冰冻圈与可持续发展 242
9.1 冰冻圈变化影响与适应的基本概念 242
9.1.1 影响、适应与可持续发展 242
9.1.2 冰冻圈变化影响的脆弱性 243
9.1.3 冰冻圈变化的适应框架 245
9.2 冰冻圈变化对水文-生态的影响与适应 246
9.3 冰冻圈灾害的影响 247
9.3.1 灾害风险与管理 247
9.3.2 冰冻圈灾害风险评估 248
9.4 冰冻圈区重大工程建设 258
9.4.1 寒区铁路、公路与冻土融沉 258
9.4.2 冻土区输油管道 263
9.4.3 海冰区港口 264
9.5 冰冻圈旅游 265
9.5.1 冰冻圈旅游内涵 265
9.5.2 冰冻圈旅游资源特点 265
9.5.3 国际冰冻圈旅游发展概况 266
9.6 冰冻圈服务功能及其价值 266
9.6.1 冰冻圈服务功能 266
9.6.2 冰冻圈服务价值 268
思考题 269
延伸阅读 270
【经典著作】 270
第10章 冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估 271
10.1 气候模式与冰冻圈模式 271
10.1.1 气候模式的发展 271
10.1.2 冰冻圈模式 274
10.2 冰冻圈过程的模拟 287
10.2.1 冰川物质平衡模拟 287
10.2.2 冰盖物质平衡模拟 287
10.2.3 冻土分布与气候响应模拟 288
10.2.4 积雪模拟 289
10.2.5 海冰模拟 290
10.2.6 河/湖冰模拟 291
10.3 冰冻圈变化的预估 292
10.3.1 全球社会经济情景和温室气体排放情景 292
10.3.2 冰川变化的预估 295
10.3.3 冰盖变化的预估 296
10.3.4 冻土变化的预估 298
10.3.5 积雪变化的预估 300
10.3.6 海冰变化的预估 301
10.3.7 冰冻圈变化预估的不确定性 301
思考题 302
延伸阅读 303
第11章 冰冻圈科学观测和实验技术 304
11.1 观测和实验技术在冰冻圈科学发展中的作用 304
11.2 野外观测和勘测方法与技术 305
11.2.1 通用方法和技术 305
11.2.2 冰冻圈要素监测 313
11.3 实验室分析技术 324
11.3.1 力学 324
11.3.2 热学 325
11.3.3 光学 325
11.3.4 微观物理结构 327
11.3.5 化学成分 327
11.3.6 测年方法与技术 330
11.4 遥感技术 332
11.4.1 光学遥感 334
11.4.2 微波遥感 337
11.4.3 高度计 339
11.4.4 无线电回波探测 340
11.4.5 重力卫星 340
思考题 341
延伸阅读 341
参考文献 342
索引 346
在线试读：
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学
自然界的冰体对全球升温特别敏感。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）指出，观测到的1951～2010 年全球平均地表温度升高的一半以上，是由温室气体浓度的人为增加和其他人为强迫共同导致的；这一认知的信度达到了95%以上。气候系统(由大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈五大圈层组成)变暖，意味着冰冻圈也在变暖，冰川、冻土和积雪等冰冻圈各要素均呈退缩和减少的趋势。
冰冻圈变化对全球和区域气候、生态和人类福祉都有影响。在全球尺度上，南极冰盖和格陵兰冰盖的形成发育与气候相关，它们的变化影响大洋环流和海平面升降；积雪与海冰的体量小但覆盖范围大，它们的变化对地球能量收支、辐射平衡和大气环流的关键过程与反馈至关重要；多年冻土的冻融过程影响土壤含水量、植被和生态系统，冻胀与融沉破坏地面基础设施，气候变暖时“蛰伏”的有机碳经微生物降解释放温室气体，增加大气圈内甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的浓度，加速全球变暖。在区域尺度上，山地冰川、河冰、湖冰的变化影响水资源、生态系统，甚至带来灾害；北冰洋海冰退缩为北冰洋航道开拓和海底资源开发创造了机遇，但也增加了环北极国家间的领土和资源纷争。上述冰冻圈的种种“作用”，与诸多学科交叉，和人类活动关联，内容丰富且实用，过程复杂而有意义，是冰冻圈和冰冻圈科学的重要内涵。
1.1 冰冻圈
1.1.1 地球上的冰冻圈
冰冻圈是指地球表层具有一定厚度且连续分布的负温圈层，又称为冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体一般处于冻结状态。冰冻圈在岩石圈内位于从地面向下一定深度（数十米至上千米）的表层岩土；在水圈主要位于南大洋、北冰洋海表向下数米至上百米，以及周边一些大陆架向下数百米范围内；在大气圈内主要位于0℃线以上的对流层和平流层内。
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，学术界将cryosphere 称为冰冻圈。
冰冻圈的组成要素包括冰川（含冰盖）、冻土（包括多年冻土、季节冻土）、积雪、河冰和湖冰，海冰、冰架、冰山和海底多年冻土，以及大气圈对流层和平流层内的冻结状水体。在地表水平方位上，中、高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带（图1.1）。
图1.1 冰冻圈的全球分布示意图（IPCC，2013）
在北半球图（左上）上，海冰覆盖显示的是北半球夏季海冰范围*小时（2012 年9 月13 日）的状态，30 年平均海冰范围（黄线）显示的是年*小海冰南界（海冰密集度15%）在1979~2012 年的平均值，所以在南半球显示的分别是*大海冰覆盖和年*大海冰北界的多年平均值；右下图为极射赤面投影，未能表现低纬度冰川和积雪的信息
在自然界，负温时冰晶表面存在有“准分子厚度”的薄膜水，冻土内因毛细管作用和土壤颗粒吸附作用等，发育有未冻水，它们处于未冻结状态，但属于冰冻圈范畴。南大洋和北冰洋表层的海水冬季温度在0℃以下，未冻结成冰，它们不属于冰冻圈。
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征
根据冰冻圈形成发育的动力、热力条件和地理分布，冰冻圈可划分为陆地冰冻圈（continental cryosphere）、海洋冰冻圈（marine cryosphere）和大气冰冻圈（aerial cryosphere）。
陆地冰冻圈由发育在大陆上的要素组成，包括冰川（含冰盖）、冻土（含季节冻土、多年冻土和地下冰，但不含海底多年冻土）、积雪、河冰和湖冰；海洋冰冻圈包括海冰、冰架、冰山和海底多年冻土；大气圈内冻结状的水体，包括雪花、冰晶等构成大气冰冻圈。大气冰冻圈是冰冻圈科学与大气科学交叉的部分，但学科内容各有侧重。
陆地冰冻圈占全球陆地面积的52%~55%。其中，山地冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地表面的10%（南极冰盖和格陵兰冰盖占9.5%，山地冰川占0.5%）。积雪覆盖范围平均占全球陆地面积的1.3%~30.6%，北半球多年平均*大积雪范围可占北半球陆地表面的49%。全球多年冻土区（不包括冰盖下伏的多年冻土）占全球陆地面积的9%~12%。北半球*大季节冻土（含多年冻土活动层）占全球陆地面积的33%。也有资料显示，北半球季节冻土（含多年冻土活动层）多年平均*大占到北半球陆地面积的56%以上，在极端寒冷年份高达80%以上。
冰冻圈储存了地球淡水资源的75%，其中现代冰川和格陵兰冰盖、南极冰盖约占全球淡水资源的70%，如果将这些淡水资源全部释放到海洋，全球海平面将分别上升约58.3m 和7.36m（又称当量），山地冰川的当量为0.41m，多年冻土内过饱和冰的当量约为0.10 m。全球变暖，冰冻圈内的冰体融化，已致海平面上升，1993~2010 年，陆地冰冻圈的冰量融化使全球海平面平均每年上升1.36mm。
多年平均值显示，全球5.3%~7.3%的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰*大范围约可达15×106km2，夏季*小时约为6×106km2。9 月南大洋海冰范围*大，约为18×106km2，2 月*小时约为3×106 km2。根据冰龄，海冰又分为当年冰、隔年冰和多年冰。大部分海冰都是移动着的浮冰群中的一部分，在风与大洋表层洋流的作用下漂流。浮冰在厚度、冰龄、雪的覆盖及开阔水域的分布均极不均匀，空间尺度为数米到数百千米。南极冰盖外缘的诸多冰架总面积约为161.7×104km2，占全球海洋面积的0.45%。全球海底多年冻土约占海洋面积的0.8%（表1.1）。
表1.1 全球冰冻圈各要素统计
续表
大气圈内的水含量很低，总量为1.14×105t，是3 个冰冻圈类型中冰量*少、寿命*短的。
1.1.3 冰冻圈变化
早在1939 年，苏联地理学家C.B.卡列斯尼克就指出，“冰川首先是一定气候状况下的产物”。随着对这种响应复杂性的深入研究和理解，科学家发现冰冻圈的各个要素更应被视为“天然的气候指示计”（nature climate-meter）。
研究冰冻圈变化，先要明白何谓气候变化。当代的气候变化是指气候系统五大圈层的变化，5 个圈层中任何一个的变化都被视为气候变化。例如，全球变暖不仅表现为地表平均温度的升高，还表现为海洋热含量增加、冰川退缩、多年冻土活动层厚度增加、积雪和海冰范围减小、生物多样性锐减等，它们都被视为气候变化，也是气候变暖的佐证。
气候变化有两类定义。一是IPCC 的定义：“气候变化是指可识别的（如使用统计检验）持续较长一段时间（典型的为几十年或更长）的气候状态的变化，包括气候平均值和/或变率的变化。气候变化的原因可能是自然界内部过程，或是外部强迫，如太阳周期、火山爆发，或者是人为地持续对大气成分和土地利用的改变。”二是联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的定义：“在可比时期内所观测到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化。”可见，UNFCCC 对人类活动改变大气成分等导致的气候变化与自然原因导致的气候变率做了区分。
冰冻圈变化是气候系统内部变率，不是外强迫。冰冻圈变化是指冰冻圈内热状况和质量的时空分布变化。其具体是指冰冻圈各组成要素的变化，包括冰川和冰盖的面积、厚度、冰量及末端或边缘变化；冻土（包括多年冻土和季节冻土）面积或范围、厚度变化；积雪范围和雪水当量变化；海冰范围和厚度变化；河/湖冰封冻和解冻日期、冻结日数、厚度变化等。冰冻圈内部的变化，如温度、物质结构、几何形态与体积等变化，也属于变化的内容。
冰冻圈是气候变化科学的热点之一。IPCC AR5 **工作组（WGI）报告认为，地球冰冻圈是气候系统*敏感的圈层，全球变暖的今天，冰冻圈各要素都在变暖（图1.2）。冰冻圈远离如城市，独立观测到冰冻圈变暖，雄辩地证明全球变暖毋庸置疑。
图1.2 观测到的冰冻圈主要变化（ZPCC, 2013）
物候学特别注重对植物发育影响较大的古今物候对比观测，其中许多与冰冻圈有关。例如，秋冬初雪和初霜，春季终雪和终霜，植物冻害和受冻植物种类，河、湖和近地表土壤首次结冰、完全冻结日期，开始解冻、完全解冻日期，严寒开始、阴暗处开始结冰的日期，生物、农业、气象和冰冻圈要素的交叉观测等。高寒、高纬地区的树木年轮研究结果丰富了冰冻圈科学。
1.2 冰冻圈科学
1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴
冰冻圈科学是研究自然背景条件下，冰冻圈各要素形成、演化过程与内在机理，冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用，以及冰冻圈变化的影响和适应的新兴交叉学科。冰冻圈科学的目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。其国家目标也是区域冰冻圈科学的研究内容之一。
传统冰冻圈科学以其组成要素为基础，以分支学科的形式开展研究，如冰川学、冻土学、冰川与冰缘地貌学等。这些研究历史悠长、基础扎实、内容丰富、贡献巨大，但它们相对独立、联系薄弱。随着全球变暖影响日益严重，应对气候变化要求急迫，这种独立的研究方式很难适应科学发展的步伐。
把冰冻圈作为一个整体，需要把冰冻圈各要素的共性和内容归纳分类、综合分析、系统阐述，在冰冻圈的物理、化学性质，形成发育和演化规律，生物地球化学过程等机理机制，冰冻圈变化及其影响和适应对策，观测（包括遥感遥测）、模式、经济社会可持续发展和地缘政治等诸多方面，冰冻圈都要以圈层整体的形式出现。
从圈层角度看，冰冻圈以其表面的高反照率改变着全球能量收支，其巨大的冷储和相变潜热的能量仅次于海洋，冰冻圈通过改变海洋热、盐状况影响大洋环流，影响气候、人居环境和社会经济。冰冻圈还有为人类社会赋予惠益的功能，包括供给服务、调节服务、社会文化服务、特殊生境服务和工程服役服务，这些特征促使这门新兴交叉学科——冰冻圈科学诞生。
强调冰冻圈圈层的整体性和注重圈层组成要素的个性并不矛盾，前者是学科发展的需要，后者是学科持续深入发展的基础。
冰冻圈科学主要由冰冻圈内水热动力机制和要素监测、冰冻圈变化、冰冻圈变化的影响和适应研究4 个层阶组成，其中的形成过程、机理和变化属于基础研究（或基础性工作）；与各圈层间相互作用和影响、适应内容，包括赋予人类惠益等，属于应用基础研究；适应对策、促进经济社会可持续发展等属于应用研究（图1.3）。
冰冻圈科学主要包括下列内容。
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、动力机制是重点。通过传统的和现代化监测手段，如地基和空基监测，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、年际和年代际）和不同空间（站点、局地、流域、区域、半球和全球尺度）尺度上，冰冻圈各要素变化过程，揭示其变化机理，为预测和预估未来变化、评估变化带来的影响奠定基础。