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冰冻圈科学的意义

在全球变暖背景下，由于冰冻圈对气候变化高度敏感和重要的反馈作用，成为气候系统最活跃的圈层之一和当前全球变化与可持续发展的热点之一，冰冻圈科学受到了前所未有的重视。

一、冰冻圈科学是气候系统科学的前沿领域

冰冻圈各组成要素都是气候系统研究关注的内容。冰冻圈是气候产物，受气候变化的影响，同时也在不同尺度上影响着地表能量平衡、水文过程、大气环流等。雪冰表面反照率反馈效应、水-冰-汽的相变潜热和积雪对下伏土壤的隔热作用等，是影响冰冻圈与气候关系的因素。它们的变化及反馈，使冰冻圈在全球气候系统变化研究中的地位跃升，气候系统科学的前沿与此有关。例如，青藏高原冬春季积雪异常对东亚、南亚夏季风产生重要影响，高原东部积雪范围增加，高原以东地区和印支半岛的夏季降水会减少，而印度东部、南部地区和孟加拉湾西北部的降水增加，中国汛期短期气候预测就属于此类问题；南极冰盖、格陵兰冰盖等冰冻圈要素的变化，直接影响“大洋传输带”的大洋环流，对大气圈产生很大影响；北半球多年冻土区和北冰洋海底多年冻土是地球主要碳汇，储存大约 18 320 亿 t 碳，是 1870～2012 年人类活动排放质量 5550 亿 t 碳的 3 倍左右，气候变暖冻土退化，加速多年冻土区有机碳的分解和释放，使大气中温室气体浓度上升，加快气候变暖。凡此种种，都是当前国际科学前沿问题。

二、冰冻圈科学是社会经济与可持续发展领域的研究热点

未来冰冻圈退缩会带来很多影响，如水资源短缺、自然灾害加剧、基础设施受损等，需要未雨绸缪，超前部署，开展研究，拿出对策。冰冻圈科学已经成为为国民经济建设服务的新兴学科之一。

冰冻圈是地球重要的淡水资源，是世界许多大江大河的源头，江河流水滋润着大地，造福于人类，它们的变化会影响人类生活和社会发展。目前，冰冻圈变暖退缩，已影响到水资源供给、生物多样性保护、环境保育、工程设施安全、人居环境等（丁永建和效存德 , 2013）。随着气候持续变暖，冰冻圈变化影响的风险在增加，范围在扩大。例如，预估未来 50 年，中亚、南亚和青藏高原的冰川、冻土的变化，可能影响北半球主要河流的径流量和淡水资源的供给，影响粮食安全和人类健康，而这里生活着世界 45% 的人口。又如，预估未来 100 年内，如果夏季（4～9 月）平均气温上升 3℃，阿尔卑斯

约 80% 的现代冰川将加速退化，这对人口密集、经济发达的欧洲来说，水资源和旅游业会受很大影响。在干旱少雨的中亚，冰川快速消融，对下游流域的城市居民生活、生态和工农业用水影响巨大，影响经济发展。

以往也有成功经验。如 21 世纪初青藏铁路的建设，就是在多年冻土区开展工程建设研究基础上，汲取前人经验，解决了冻土工程重大科学问题，成为冰冻圈科学为国家需求服务并获成功的范例。

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

冰冻圈变化对人类社会文明和国家安全的影响不可低估，在人居环境、地理旅游、文化体育、民族宗教，甚至国防工程建设、地缘政治等方面带来诸多新课题，需要高度重视。学科交叉、夯实基础，关注冰冻圈作用区和影响区的实效，联系国家需求和政策导向，促进冰冻圈科学这一新方向的健康发展。

冰冻圈作为一种自然资源，是支撑南北极地区、北半球高纬地区和中低纬高海拔地区生态系统的基础，它还维持着中亚、北美西部干旱区生态系统，是冰冻圈作用区内原住民的生产、生活的物质基础，具有为冰冻圈影响区居民提供自然资源的能力。冰冻圈维系的生态系统和提供的自然资源，是保证生态文明的基本条件。

人类工业化以来，消耗化石能源带来了社会文明快速发展，全球经济发展、人口剧增，同时全球变暖加速，这严重波及冰冻圈系统，使其提供的自然资源和物质、服务功能大打折扣。目前，加强生态文明建设已成为国际社会的共识，对冰冻圈的索求越来越多。保护气候，保护冰冻圈，加强冰冻圈科学研究，已成为政府、民众和科学界的共同意愿。加强环境保护综合治理，摈弃一味追求经济效益的短视行为，有重要的现实意义。

目前，中国正在开展推动“一带一路”倡议建设，在“一带”的陆上地区，会遇到高山冰冻圈变化影响的困扰，如道路翻浆、低温、冻融、雪崩、风吹雪等冰冻圈灾害；在“一路”的海上，海平面上升、资源开采的权益和运输、北冰洋海冰退缩和北极航线的打通、特殊工程的建设等，既使冰冻圈和经济建设关联，也与地缘政治密切相关，都是冰冻圈科学的重要研究领域。

总而言之，冰冻圈科学的社会经济、地缘政治的属性及其与可持续发展的紧密联系，已经成为国际热点之一，有特殊的科学意义和长远的战略意义。

冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性是深刻理解冰冻圈变化机理的关键。而在气候模式中，冰冻圈过程的精细化描述则是准确认识冰冻圈与气候相互作用关系的核心。精准认识影响的时空尺度与程度是科学辨析冰冻圈变化影响的关键。冰冻圈科学对经济社会、可持续发展战略和国家安全的影响是本学科近年来的新发展。围绕关键科学问题和学科未来发展，冰冻圈科学应在若干重要领域做好布局和安排。

一、总体思路

综观近 10 年来国内外的发展态势，冰冻圈科学在冰冻圈动态过程及其影响因素，以及在冰冻圈变化对气候、水文水资源、生态系统等影响与适应研究等方面做了大量研究，且进展显著。冰冻圈科学已成长为气候科学、环境科学、地球科学、社会科学有机融合的新型交叉学科。当前，由于冰冻圈与其他圈层的互馈联系性在进一步加强，冰冻圈科学在冰冻圈资源开发、变化的风险防范、气候变化评估等方面的重要性日显突出，在研究范畴、内容、技术等方面都在发生变化。未来 5～10 年，中国冰冻圈科学应立足国家和区域的社会发展需求，紧扣国际前沿，在夯实和加强冰冻圈变化机理研究的基础上，将研究放在冰冻圈变化影响程度与适应能力的定量评估上，重点放在冰冻圈服务功能价值定量化研究和灾害风险防范上，完成服务功能的国家和全球区划与制图，在服务经济社会和生态文明建设、保障国家安全等领域做好布局安排。

二、若干重要领域

（1）在冰冻圈动态过程基础研究方面，要关注“地-空-天”一体的区域冰冻圈监测网络体系建设，形成较为完善的、规范化的、满足系统性模拟、研究需要的覆盖全球的监测体系。冰冻圈变化和相关过程的现场监测是冰冻圈研究的基础。经过近些年的研究，进一步改进和优化中国冰冻圈观测网络，领衔“全球冰冻圈观测计划”（GCW）中的“亚洲冰冻圈网络计划”（Asia CryoNet），具有重要的国际影响。将来，应在此基础上建立多层次、多方位的冰冻圈动态和变化过程物理机制模式，完善和发展冰冻圈各要素的模拟预测，进一步提升冰冻圈模拟预测水平。

（2）在冰冻圈变化与气候相互作用关系方面，应紧密围绕冰冻圈与气候相互作用的关键科学问题，建立全面考虑冰冻圈物理过程的全球和区域气候模式系统。同时，在全球和区域气候模式中，增加描述生态和水循环物理过程的计算模块。在冰冻圈对气候的反馈研究中，强调冰冻圈主要分量（积雪、冻土和冰川）在全球和东亚气候变化的重要性，把这些相互作用过程以模块化的形式嵌入全球和区域气候模式中，并系统地模拟和比较研究冰冻圈变化在气候系统中的作用。

（3）在冰冻圈变化对水资源影响方面，应基于多尺度寒区流域系统观测资料和新技术途径，结合冰冻圈陆面过程模型和遥感资料反演的研究成果，完善基于综合数据输入的包括冰冻圈各要素的分布式流域水文模型，研究重点应由典型流域向区域尺度（欧亚大陆）扩展，最终要揭示冰冻圈各要素变化在不同时空尺度上对水循环和水资源的影响，特别是要在全球和区域海平面变化定量化研究上有突破性进展。

（4）在冰冻圈变化对生态系统影响方面，应系统阐明不同区域生态系统和不同类型生态系统响应冰冻圈变化的差异性规律、生物学机理及适应冰冻圈变化的演化过程与长期演化趋向；探索冰冻圈变化对冻土-生态系统碳循环的影响机理与定量评估方法，定量评价北半球冻土中碳库及其变化；建立区域尺度的冰冻圈变化的生态响应模型，预估未来 30～50 年生态系统变化趋势。

（5）在冰冻圈变化与地表环境方面，系统开展冰冻圈变化对地表化学风化过程、海岸带及冰冻圈灾害形成机理等方面的研究，开展系统性的冰冻圈灾害风险综合集成研究。在冰冻圈变化与地表环境影响机理、时空尺度与程度方面取得突破性进展和获取重要科学认识。

（6）在冰冻圈与重大工程领域方面，围绕气候变化、冰冻圈变化与灾害和重大工程的关系，以致灾机理、环境效应、核心技术和风险防范为重点，开展冰冻圈变化与重大工程的热力作用机制及其反馈效应研究，冰冻圈灾害对基础设施、重大工程建设及其安全运营和服役性影响的研究，冰冻圈组成要素（冰川、海冰、河冰、湖冰及积雪）未来变化对关键地区重大工程、交通、社会经济和人文，以及国防安全等方面的影响评估和对策研究。

（7）在冰冻圈变化对经济社会影响与适应方面，应进一步丰富和完善冰冻圈变化风险与适应性理论体系，与时俱进，不断完善冰冻圈变化风险与适应性评价方法，在冰冻圈变化—风险评估—适应能力这一应对冰冻圈变化影响的研究链条上形成理论化研究体系。分析冰冻圈变化对全球社会经济和地缘政治的影响，从全球尺度对冰冻圈变化的风险与适应性进行现状评价与趋势预估；在区域尺度上，要树立“经营冰冻圈”的科学理念，结合“一带一路”倡议，针对灾害、极端事件、环保、工程和文化、国际地缘政治博弈等开展应用研究。不断探索冰冻圈变化对经济社会影响的研究方法和理论，从理论方法上完善冰冻圈科学体系，在“未来地球”科学计划框架下，在中国国家发展需求的形势下，推进冰冻圈科学的发展。

（8）加强中国冰冻圈科学界与国际重大科学计划和国际组织的合作，提高我国冰冻圈科学研究的国际地位，实施引领全球冰冻圈科学发展的国际重大计划。大力培养和引进冰冻圈科学各类人才，在高等院校开设“冰冻圈科学概论”本科课程，建设好“中国冰冻圈科学学会”学术交流平台，加强公益活动，提高全民对冰冻圈的重要性认知。

本文来源：科学人文在线（kxrw_kx）。本文摘编自《中国学科发展战略·冰冻圈科学》，内容和标题有调整，长按识别图中二维码或点击下面“阅读原文”即可立即购书。也欢迎广大读者阅读我社图书后写下你们的感想，投稿邮箱：houjunlin@mail.sciencep.com。