对全球变化生态学影响较大的圈层主要有几个
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时间：2016-09-05 09:44
冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论
丁永建, 效存德. 冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论. 地球科学进展, ):
Ding Yongjian, Xiao Cunde. Challenges in the Study of Cryospheric Changes and Their Impacts. Advance in Earth Science, ): &&
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冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论
丁永建1,2,
1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所水土资源研究室, 甘肃 兰州 730000
3.中国气象科学研究院, 北京 100081
丁永建（1958-），男，甘肃天水人，研究员，主要从事冰冻圈与全球变化研究. E-mail:dyj@
基金:科技部全球变化重大科学研究计划重大科学目标导向项目“冰冻圈变化及其影响研究”（编号：2013CBA01800)资助.?
冰冻圈变化及其影响日益显著并受到广泛关注。系统梳理了目前国际冰冻圈科学研究的主要关注热点, 认为冰冻圈的变化机理、冰冻圈与气候相互作用、冰冻圈变化的影响与适应等构成了国际冰冻圈科学研究的4大科学问题。冰冻圈变化机理是冰冻圈科学研究的基础领域, 冰冻圈与气候相互作用是当前着力加强的重点, 冰冻圈变化的影响日益受到关注, 但研究基础还较薄弱, 冰冻圈变化影响的适应机制是尚处在萌芽状态的研究领域。围绕上述重大科学问题, 紧抓冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性问题, 气候模式中冰冻圈过程的精细化描述问题, 准确认识影响的时空尺度与程度问题和脆弱性评价方法和指标体系等科学问题, 是寻求科学突破的关键。以全球的视野审视冰冻圈的变化过程, 从有机耦合的角度探讨气候模式中的冰冻圈过程, 以多因素、多过程综合与集成的手段辨析冰冻圈变化的影响, 从方法创新上寻求科学评估冰冻圈变化脆弱性及适应性的突破途径, 是未来研究的重点。
冰冻圈变化;
中图分类号:P343.6
文献标志码:A
文章编号:（7-10
Challenges in the Study of Cryospheric Changes and Their Impacts
Ding Yongjian1,2,
Xiao Cunde1
1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
2.Water and Soil Resource Division, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
3. Chinese Academy of Meteorogical Science, Beijing 100081, China
Cryospheric changes and their impacts are receiving wide attention from international scientific and social communities. Here, we summarize the present hotspots of international cryospheric sciences and hence conclude four major aspects of it. They are respectively ① mechanism of cryospheric changes, ② interaction of cryospheric and other spheres of climate/earth system, ③ impacts of cryospheric changes, and ④ adaptation methods and strategy to these changes. Among the four areas, mechanism study is the basis for cryospherc sciences, interaction between different spheres is the currently developing aspect of the field, impacts of cryospheric changes are increasingly studied and yet still have large gaps, while adaptation study is still an iniative nowadays. For the above four aspects, there are key issues for each of them. For instance, dynamic responses and spatial/temporal differences are the key challenges in the mechanism studies. Rational and precise description on physical/chemical/geochemical processes of cryosphere is one of critical issues on improving the climate models. Scoping the spatial/temporal scales, as well as defining the influence degree is the key gaps in studying the cryospheric impacts. Methods and related index system for vulnerability assessment is the key issue in the study of the adaptation strategy of cryospheric impacts. Cryospheric sciences are developing towards, in the near future, the coupling of cryoshperic components into climate system in global scale, detecting the impacts of cryospheric changes using multiple and integrated methodology, and innovated approaches in adaptation.?
Cryopsheric changes;
Climate system;
Impacts and adaptation.
1.引言冰冻圈是指地球表层水以固态形式存在的圈层, 包括冰川（山地冰川、冰帽、极地冰盖、冰架等）、冻土(季节冻土和多年冻土)、积雪、固态降水、海冰、河冰、湖冰, 等等。冰冻圈与大气圈、水圈、陆地表层和生物圈共同组成气候系统。冰冻圈变化及其与其它圈层相互作用关系是认识气候系统的重要环节, 因而受到广泛关注。当前国际上冰冻圈科学研究态势体现在两条主线上（）, 一是以WCRP(世界气候研究计划)-CliC(气候与冰冻圈)国际研究计划为主线, 核心目标是提高对冰冻圈与气候系统之间相互作用物理过程与反馈机制的理解, 关键是增加对评估和量化过去和未来气候变化所导致的冰冻圈各分量变化及其影响的认识水平, 实现和解决上述目标和关键科学问题的前提条件是强化冰冻圈的观测与监测。另一条主线是以“冰冻圈科学”为核心, 着力推动冰冻圈科学向体系化方向发展。WCRP- CliC[]计划启动之初首次提出了“冰冻圈科学（cryospheric sciences）”概念, 将冰川、冰盖、冻土、海冰、积雪等纳入到统一圈层系统, 进行集成研究。10余年来, 冰冻圈科学受到各国科学家高度重视, 2007年IUGG正式增加“冰冻圈科学学会”为其旗下新的一级学会, 这是IUGG成立80多年来首次增加一级学会, 更使冰冻圈由三级学科跃升为一级学科。这些均表明, 国际冰冻圈研究正在由过去分散、独立研究, 向学科体系化研究发展。图1Fig. 1 图1 国际冰冻圈科学研究主线Fig. 1 Skeleton of international cryospheric science studies在上述2条主线上, 冰冻圈科学研究目前主要面临4个方面的重大科学问题, 即冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响及影响。冰冻圈变化机理是冰冻圈科学传统的研究领域, 冰冻圈与气候相互作用是WCRP-CliC关注及着力推动的重点, 冰冻圈变化的影响已经日益受到关注, 但科学研究的基础总体上还较薄弱, 尤其是冰冻圈变化影响的适应机制是尚处在萌芽状态的研究领域。这4个方面基本上构成了冰冻圈科学内涵和外延的主干领域。因此, 围绕上述冰冻圈4个重大科学问题, 开展冰冻圈变化、影响和适应研究, 对推动国际冰冻圈科学向学科体系化方面迈进, 提高冰冻圈科学整体水平具有重要意义, 必将增加我国对国际冰冻圈科学体系建立的贡献力度。这也是促进我国科学家在冰冻圈科学领域取得突破性进展、为国际全球变化研究做出重要科学贡献的历史机遇。2.当前国际上关注的冰冻圈重大科学问题2.1冰冻圈变化机理和过程研究冰冻圈变化机理和变化过程研究是深入认识冰冻圈规律及其变化影响的基础, 对气候系统变化的理解和检测具有重要作用。冰冻圈在气候系统中由于其对气候的高度敏感性和重要的反馈作用而倍受关注。在受气候变化影响的诸环境系统中, 冰冻圈变化首当其冲, 是全球变化最快速、最显著、最具指示性、也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层, 被认为是气候系统多圈层相互作用的核心纽带和关键性因素之一[]。冰冻圈及其变化与人类社会息息相关, 随着气候变暖, 冰冻圈的变化及其影响（尤其是对海平面、气候、生态、淡水资源、环境以及碳循环等的影响）, 已经受到各方面的高度关注。目前为了突破对冰冻圈变化影响研究的瓶颈, 冰冻圈变化机理的研究成为冰冻圈科学研究中重大、也是最基础性的科学问题。这是因为要真正从科学规律上认识冰冻圈变化的影响, 首先必须对冰冻圈自身的变化过程及机理有较好认识。问题是冰冻圈的组成成分多样, 各组分的内部动力机制、时空分布、气候响应过程都不相同, 而这些组分多叠加出现, 过程与影响往往是复合的, 增加了研究的难度。比如, 由于冰川规模和类型、冻土分布与下垫面水热状况、积雪面积与深度等的不同, 对气候的反馈存在很大差异, 由此产生的水文、生态和气候影响也表现各异。另一方面, 冰川、冻土、积雪、海冰等冰冻圈要素的变化及其对气候的动力响应过程在时间和空间尺度上存在很大差异, 只有通过冰冻圈变化过程的机理研究, 才能系统掌握冰冻圈各要素的变化规律, 从而为冰冻圈变化对气候、生态、水文和环境影响的深入研究提供科学基础。因此, 由观测点到区域、由单条冰川到流域乃至区域冰川、由单一冻土类型到不同冻土类型, 从冰冻圈变化动力响应过程与变化的时空差异上开展冰冻圈变化机理研究, 对深化冰冻圈变化机理的科学认识水平, 突破冰冻圈变化影响研究的瓶颈具有重要的基础科学意义。冰川变化是冰川对气候变化的响应, 包括冰川表面积雪转化为冰川冰的物理和化学过程、冰川物质平衡变化过程和冰川形态变化过程。不同冰川对气候变化响应在过程和时间上存在差异, 只有通过全球不同类型（包括大陆型、极大陆型和海洋型冰川）及不同规模冰川的变化规律研究, 才能全面揭示冰川系统对气候的响应过程和机理, 模拟预测冰川未来变化, 解决与其相关的水资源和水循环问题。极地冰盖-快速冰流-冰架系统是极地冰盖物质平衡的主要环节, 需要立体观测获取多种边界和内部参数, 构建合理的数值模式, 方能较准确描述和预估该系统的变化, 进而回答其对海平面的影响等全球性问题；过去数十年来南、北极海冰表现出完全相反的变化趋势, 对其响应机制缺乏深刻认识也是造成当前科学界“迷惑”的重要原因。多年冻土被称为巨型天然“地下冰库”和“地下碳库”, 其变化过程中的水、热运移将会极大地影响气候、生态、水循环等。受区域气候、地质、水文、地表覆被等影响, 多年冻土的水热状态具有很大的区域差异性, 这使得多年冻土的状态和其对气候变化的响应程度也具有区域差异性。研究多年冻土活动层的水热循环机制、多年冻土对气候变化的响应模式及其区域差异性是揭开全球变暖背景下多年冻土变化规律及其对寒区生态、水文状况影响的关键所在。气候变化对积雪时空分布格局的影响不尽相同, 体现在积雪深度、积雪日数和消融期的年际波动和区域差异的变化, 准确掌握积雪的时空分布及其变化特征, 是理解认识积雪对气候变化响应的关键, 也有助于提高气候预测水平、区域水资源管理与合理利用、灾害防治的能力。总之, 研究冰冻圈过程和变化机理, 不仅可以深刻认识冰冻圈规律, 也是冰冻圈与其他圈层相互作用、冰冻圈变化影响与适应研究的基础。过去的研究侧重于冰冻圈特征和自身规律, 但由于对气候变化的高度敏感性和重要反馈作用, 目前的冰冻圈正发生着深刻变化, 深入研究气候变化背景下, 冰冻圈各要素变化机理和过程, 对于揭示气候系统变化和冰冻圈对气候变化的响应具有重要作用, 亦是国际关注的热点和前缘研究领域之一。2.2冰冻圈与气候相互作用关系深入研究冰冻圈和气候相互作用的物理过程与反馈机制, 提高气候系统模式中冰冻圈过程的耦合模拟能力, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 对提升气候系统科学认识水平及减小气候系统模拟和预估的不确定性具有重要的科学意义。冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[～]。随着观测手段的进步, 观测资料的日益增多和计算条件的迅速改善, 国内外已有大量研究表明, 作为冰冻圈组成部分的积雪、海冰和冰架不仅是导致气候异常的重要原因, 也是预测气候变化的重要先兆因子。冰冻圈在气候变化中的作用日益显现。发展耦合冰冻圈过程的全球与区域气候系统模式是冰冻圈与气候变化研究的大势所趋。但是, 目前全球和区域气候系统模式在处理冰冻圈物理过程方面还较为粗糙, 尤其是在气候系统模式中如何考虑冰冻圈不同分量和要素作用的时空尺度, 可能是在今后相当长的一段时期内最为重要发展方向之一。突破这种限制的关键是深化对冰冻圈变化过程与机理的定量研究水平, 真正发展起能够较好地描述冰冻圈各要素物理过程、体现不同时间与空间变化过程的所谓冰冻圈陆面过程模型, 并使之与气候模式有机耦合。然而, 由于冰冻圈变化过程与机理研究自身还在深化认识过程中, 这一目标的实现显然还需要时日。因此, 一方面需要加强冰冻圈陆面过程模式的研究, 另一方面, 在气候模式研究中随着对冰冻圈过程与机理认识的不断深化, 加强和改进冰冻圈物理过程参数化向精细化方向迈进, 是亟待解决的问题（）。图2 图2 气候与冰冻圈相互作用研究问题与趋势概图 Gaps and tendencies in the study of interactions between cryosphere and climate system能量和水分交换是冰冻圈对气候变化响应与反馈的最主要途径, 冰冻圈陆面过程模型是气候模拟系统的重要组成部分。高纬度冰冻圈尺度较大, 有调控全球气候系统的作用, 目前尽管对冰冻圈的处理还较简单, 但在气候模拟系统中已经有较多冰冻圈参数化处理方案。高海拔冰冻圈尺度较小, 以分散的或局部的分布为主, 同时空间变异性较大, 影响到与人类生存环境密切相关的局地和区域的气候、生态和水资源等。因此, 发展包含冰冻圈陆面过程模型的区域气候模拟系统和水文模型, 是深入理解冰冻圈水热过程以及环境效应的关键。目前的气候系统模式中, 有关冰冻圈物理过程的参数化方案还不够精细, 诸多物理过程的参数化方案过于理想化。在现有的全球气候模式和区域气候模式中, 对积雪过程参数化的描述不够精细, 对冻土过程参数化的描述更为粗糙, 水、热参数缺乏, 多以均一下垫面处理或仅考虑地表温度, 甚至很多模式尚未包括冻土物理过程, 从而无法较好地研究积雪和冻土对气候变化影响的物理机制。目前几乎所有的海冰模式以及气候系统模式对海冰盐度的处理都非常简单, 要么为常数, 要么为一条固定曲线（顶部小底部大）, 且盐度不随时间变化。一些初步研究结果显示, 采用更为合理的冻土冻融物理过程参数化方案, 可以更好地模拟东亚冬、夏季风和我国北方夏季降水[]。可见, 在当前的气候模式中, 冰冻圈物理过程描述的不完善成为提高模式模拟和预估全球和东亚气候变化能力的主要瓶颈之一。在当前和未来相当长的一段时期, 国际上气候系统模式的发展趋势就是改进和完善冰冻圈-气候相互作用物理过程, 以加强模式的参数化研究和发展陆面过程模式, 特别是陆面过程的反馈作用及其与大气环流模式的耦合研究等。为实现冰冻圈过程与全球和区域气候模式的耦合, 必须把大量观测结果的分析研究和参数化改进结合起来的同时, 重点要将冰冻圈各要素能量、水量和物质变化同步考虑, 解决冰冻圈非线性物理过程在耦合气候系统模式中的制约问题, 才能取得实质性进展。2.3 冰冻圈变化的影响研究冰冻圈变化影响日益广泛[], 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度与时空范围, 阐明适应机理, 对科学应对全球变化具有重要的现实意义。在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[,]。过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[,]。欧洲西北部随山地冰川、冻土退化和积雪格局变化, 高山植物的向上迁移速率达到每10年29米, 且高山植被分布与结构的较大规模改变将十分迅速[]。过去40多年来, 我国青藏高原多年冻土区高寒生态系统持续退化, 高寒沼泽湿地萎缩25.6%, 沙漠化土地增加17.2%[]。需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[,]。冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[]。在全球气候变暖背景下, 冻土退化无疑会加速多年冻土区的碳源效应转换[]。在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[,]。由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[,]。冰冻圈作为全球水循环过程的一个重要环节, 对气侯变化的敏感性在全球变化研究中备受关注。但由于冰川、积雪和冻土变化水文效应在时间和空间尺度上存在较大的差异, 且多因素协同影响的水文效应尚缺乏足够认识。另外, 冰川融水的增加过程及出现突变点的时间是关注的焦点。单条冰川通过观测和模拟可获得其融水出现拐点的时间阈值范围, 但流域尺度冰川规模差异使其对气候敏感程度和响应过程存在较大差异, 因此, 流域尺度冰川融水的变化过程及阈值范围确定需要在理论、方法和手段上实现创新性突破（）。图3 图3 冰冻圈与水研究问题与趋势概图 Gaps and tendencies in the study of interaction between cryosphere and water冰冻圈变化直接影响冰川冻土灾害发生频率、程度与影响范围[]。山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[～]。随着气候变化及经济快速发展, 我国积雪灾害也频繁发生。然而, 冰冻圈关键因子对气候变化响应和影响的过程、机理的系统认识, 面对气候变化诱发的众多冰冻圈灾害发生机制、预测预警和防治等方面缺乏必要的科学支撑。总之, 冰冻圈变化对人类社会产生了深刻影响, 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度、时空范围及其未来演化趋势, 是人类社会防治、减缓与适应冰冻圈变化影响的必然选择, 是准确把握全球变化对人类环境影响的关键, 对人类社会科学应对全球变化具有重要意义。2.4 冰冻圈影响的适应机制研究当前, 气候变化、环境变化、地球系统科学和可持续发展等这些涉及到“综合”、“系统”性研究的重大科学问题已经成为国际社会最为关注的焦点和热点。这些问题与过去最大的不同与转折是人类活动影响的日益突出, 问题的实质是人类社会的可持续发展。这些问题相互交叉、深度关联, 有各自的关注点, 也有众多的共同点。最近, 在总结国际四大全球环境变化研究计划（即世界气候研究计划-WCRP、国际地圈-生物圈研究计划-IGBP、生物多样性研究计划-DIVERSTAS、国际全球环境变化人文因素计划-IHDP）及其相关的地球系统科学伙伴计划（ESSP）已经开展的一系列国际合作研究基础上, 国际科学联合会（ICSU）和国际社会科学联合会（ISSC）首次合作, 联合组织了国际上自然和社会科学领域的众多专家对地球系统研究的框架和焦点问题进行了咨询和反思, 指出人类目前面临气候、粮食、水资源、健康、能源、贫困和生态等诸多问题, 尽管过去在理解地球系统作用、尤其是人类行为影响方面已经开展了大量研究, 取得显著进展, 但距离回答和解决上述人类社会所面临的实际问题还相差甚远。需要重新定位研究方向, 以便更好地让科学和社会相结合, 在全球、区域、国家和地方等不同层次上满足决策者和公众需要。为此, 人类社会正面临着双重挑战, 在深化理解地球系统作用及其关键阈值的同时, 提出既能满足发展需求、又能适应全球变化的一整套战略。因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[,]。ICSU总结出来的核心问题是当前全球环境变化研究必须由自然科学占主导地位的研究, 向自然和人文科学全领域研究过渡。为此, 需要对目前全球环境变化研究进行变革, 并提出了“未来地球：全球可持续发展研究（Future Earth: Research for global sustainability）”框架文件, 简称未来地球计划（Future Earth）, 推动全球变化研究向可持续发展方向迈进。这是一个值得关注的动向, 系统化、综合性、面向可持续发展是全球变化未来研究的主要趋势。因此, 在此国际科学发展大背景下, 以冰冻圈科学为主线, 以当前冰冻圈研究中面临的重大科学问题为核心, 从冰冻圈动态过程、气候与冰冻圈相互作用、冰冻圈影响机理及冰冻圈变化的适应机制等方面开展系统性研究, 力图在认识冰冻圈自然过程的基础上, 将自然与人文过程相互结合, 为社会可持续发展寻求适应科学对策, 这一思想与国际全球变化研究变革的趋势完全一致。全球变化人文背景下的适应性通常涉及一个系统的过程、行动和产出, 是为了系统对一些变化条件、压力、灾害、风险和机遇具备更好地应对、管理和调整能力。在气候变化文献中, 大多学者认为适应性应是预期的（anticipatory）、易反应的（reactive）, 且取决于系统的自发性（spontaneity）程度[]。基于冰冻圈变化的适应研究, 现在刚刚起步, 可以查阅的文献极为鲜见, 不过, 冰冻圈变化是在全球变化背景下的特殊圈层的变化、作用与过程。以上研究前沿和趋势, 对于冰冻圈变化的适应研究同样具有指向和指导性。因此, 在突出冰冻圈变化及其自身特点的基础上, 完全可以沿用其研究思路和脉络, 开展冰冻圈变化的适应研究。总之, 冰冻圈变化过程、影响机理和适应机制的系统研究, 可整体性提升我国冰冻圈科学研究水平, 对增强我国在冰冻圈与全球变化领域的国际影响力、加强国际谈判中的话语权具有重要的科学支撑作用。上述研究构成了冰冻圈科学研究的核心主干, 具有如下特点：①综合性：上述每一方面的问题涉及到多学科领域, 需要交叉综合才能有所创新；②关联性：各方面内容相互关联, 需要齐头并、相互渗透进才能取得认识上的重大进展；③团队性：单打独斗不能解决问题, 需要团队作战才能取得科学突破；④导向性：围绕“冰冻圈”这一主线, 密切联系相关因素, 科学目标导向明确。3. 关键科学问题及未来研究重点针对上述冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响及冰冻圈影响的适应4方面国际关注重点, 需要集中攻克冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性问题, 气候模式中冰冻圈过程的精细化描述问题, 准确认识影响的时空尺度与程度问题和脆弱性评价方法和指标体系等关键科学问题, 才能在冰冻圈各重大研究领域的科学认识上取得突破, 才能对冰冻圈科学整体的发展和完善有所贡献。未来的研究重点应放在冰冻圈动态过程及其变化的响应机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化影响的多因素关联过程及其互馈与耦合机制及冰冻圈变化影响的适应机理等方面。3.1 关键科学问题（1）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气候变化会导致冰冻圈诸要素的敏感响应, 冰冻圈变化的实质是相变过程, 但在这一看似很简单的固液态水转变过程中, 由于冰川、积雪、冻土、海冰等变化的时空尺度差异很大, 其动力响应过程[]和水热变化过程因冰冻圈要素而异, 对气候响应的时间从小时到百年甚至万年(如多年冻土、冰盖), 热力差异从相变热到对地面反射率的改变而影响全球能量分布, 这样的差异将会导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响在时空尺度上的巨大差异（）。另外, 不同的冰冻圈要素, 其对气候变化的动力响应过程和机制是不同的, 从而导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响的差异。因此, 在冰冻圈变化机理方面的关键科学问题是动力响应过程、机理及时空差异性, 核心是通过对不同冰冻圈要素动力过程和机理的研究, 建立不同的动力学模式, 模拟预测冰冻圈动态变化。图4 图4 冰冻圈变化机理关键科学问题概化图 Streamline of investigating mechanism of cryospheric changes（2）气候模式中冰冻圈过程的精细化描述是准确认识冰冻圈与气候相互作用关系的核心利用耦合冰冻圈过程的气候系统模式开展数值模拟研究, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 深入研究冰冻圈与气候相互作用的物理过程与反馈机制, 进而科学地预估未来气候与冰冻圈变化, 这是气候系统研究中最为关切的内容之一。然而, 目前全球和区域气候模式在处理冰冻圈物理过程方面还比较粗糙, 是提高气候系统模式耦合模拟能力的瓶颈之一, 亟待改进。气候模式中对冰冻圈要素变化物理过程的认识程度是改进气候模式模拟效果的关键之一, 特别是在提高和改进模式预测效果和精度方面。因此, 准确描述冰冻圈变化的物理过程和参数化方案, 是气候模式在今后相当长的一段时期内的发展方向之一。为此, 必须把针对冰冻圈变化物理过程的大量观测结果的分析研究和参数化改进结合起来, 同时, 重点解决冰冻圈物理过程的计算方法问题, 进而利用耦合冰冻圈过程的气候系统模式, 开展冰冻圈分量对全球和区域气候变化作用的数值模拟, 是当前冰冻圈科学面临的关键科学问题之一。（3）准确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不同要素变化到底产生了什么影响、影响在时间和空间尺度上的范围有多大, 影响是否存在阈值等, 均是目前关注的重点, 同时也是科学上取得突破的难点。例如, 冰川变化对水文过程和水资源的影响, 在气候持续变暖背景下, 冰川融水的增加过程及出现突变点的时间是关注的焦点, 问题的复杂性在于, 对于单条冰川, 通过观测和模拟, 可能获得其融水出现拐点的时间阈值范围(前提是气候预估是较准确的), 但在一个流域内, 有许多不同规模的冰川存在, 它们对气候敏感程度和响应过程存在较大差异, 在更加关注的流域尺度冰川融水的变化过程及阈值范围就难以确定, 需要在理论、方法和手段上创新认识。这只是对冰川而言的, 而冰冻圈其它要素各自变化所产生影响的主要对象及问题不同, 由此所导致的对冰冻圈变化影响的研究难以有统一的方法和手段, 尽管如此, 其问题的实质是要解决准确认识冰冻圈变化影响的时空尺度与程度问题。（4）冰冻圈变化影响的脆弱性、适应能力评价体系及其空间分异规律是冰冻圈变化适应机理的关键问题如何适应由于冰冻圈变化所导致的气候、生态、水文与环境影响, 及由此引发的社会经济问题, 国际上还没有可资借鉴的先例。这方面的研究具有创新和开拓性。科学适应冰冻圈变化影响的前提是要认识受影响地区、影响对象的脆弱性程度、适应能力及其分异规律, 在此基础上才能评估受影响可能带来的风险, 进而分析存在不同风险条件下, 采取不同措施产生的成本与效益, 为最终提出有针对性的、合理的科学适应途径奠定基础。在适应冰冻圈影响的这一科学分析链条上, 问题的关键是受冰冻圈影响地区、影响对象的脆弱性、灾害风险如何评价, 在众多影响因子中如何较准确、科学地遴选出能够代表和反映受冰冻圈影响的脆弱程度, 因此需要在脆弱性评价方法和指标体系上寻求突破；同时, 由于冰冻圈变化影响的链式效应与区域显著差异性, 需要在区域类型划分上取得突破（）。图5 图5 冰冻圈变化影响的适应机理关键科学问题示意图 Proposed streamline in studying the adaptation methods for the impacts of cryospheric changes3.2 未来研究重点（1）冰冻圈动态过程及其变化的响应机理研究围绕冰冻圈动态过程及其对气候变化的响应机理, 以我国冰冻圈诸要素观测网络为基础, 以全球不同类型区冰冻圈监测为参照, 开展不同类型和规模的冰川变化、机理和模拟预测, 分析冰川变化区域差异及其控制机理；开展不同区域冻土活动层土壤含水量及地温动态变化和冻融过程, 模拟预测气候变化背景下多年冻土温度、活动层水热条件的变化；以发展山区、高原等特殊下垫面积雪遥感方法为基础、以台站观测数据为依据, 融合和同化生成北半球高精度积雪数据产品, 系统探讨北半球季节性积雪的时空变化规律, 阐明陆地季节性积雪变化的区域差异及其对气候变化的响应机理。以我国在两极地区的科学考察和观测系统为依托, 研究南极冰盖典型冰流系统的动力过程及其对气候系统的响应机制, 预估其未来变化; 系统研究在全球变暖背景下, 北极海冰的时空变化特征, 以及海冰变化与海洋和大气环流变化的关系, 特别是影响东亚气候变化的过程和机理, 为我国季节气候趋势预测提供科学依据。（2）冰冻圈与气候相互作用关系研究基于本项目及现有的冰冻圈观测数据, 在有关积雪、冻土和陆面过程参数化方案研究和我国已有气候系统模式的基础上, 通过尺度转换、模式集成耦合、实证检验及模拟能力对比分析等途径, 开展冰冻圈过程与全球和区域气候系统模式的集成耦合, 建立和发展包括积雪、冻土和海冰分量模式的全球和区域耦合气候系统模式。利用新发展的冰冻圈过程全耦合全球和区域气候系统模式, 深入研究冰冻圈和气候相互作用的物理过程与反馈机制, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 开展不同典型浓度路径（RCP）下21世纪全球和东亚区域气候与冰冻圈变化情景的预估研究, 提升对气候系统变化的科学认识水平, 减小气候系统模拟和未来气候变化预估的不确定性。（3）冰冻圈变化影响的多因素关联过程及其互馈与耦合机制研究在冰冻圈陆面过程模式的基础上, 发展融合冰川、积雪和冻土变化的分布式水文模型, 并通过多变量、分布式的模型验证, 减少对水文过程模拟的不确定性；定量评估不同时空尺度寒区流域径流对气候变化的响应。揭示不同冰冻圈变化对生态系统影响的生物过程与化学过程及其互馈作用机理, 明确冰冻圈变化对生态系统的影响程度、途径与时空变异性；认识冻土和积雪变化对陆地生态系统碳氮循环的影响, 预估未来冰冻圈变化对我国寒区生态系统分布与功能的影响及其碳源汇效应。定量评价全球冻土中碳库及其变化、冻土区CO2和CH4的地-气交换通量及影响机制, 评价冻土和活动层变化对全球碳循环和碳源汇效应的影响。通过选取冰川冻土灾害突出的流域和区域, 开展以我国典型冰川冻土灾害为核心的监测、模拟和预测, 研究冰川冻土灾害的成灾机理、灾害的变化过程及其驱动机制。（4）冰冻圈变化影响的综合分析及适应机理研究以全球视野分析冰冻圈诸要素变化的各自特点及其关联性, 综合评估冰冻圈变化的程度、影响的关键对象及影响的区域性差异, 从宏观上把握和认识全球冰冻圈变化的程度及对气候响应的时空规律。在适应机理方面, 需要以典型案例研究为切入点, 以冰冻圈诸要素变化为主线开展工作。例如, 以阿克苏河与疏勒河为典型流域, 长江黄河源区与喜马拉雅山地区中段南北坡为典型地区, 围绕水、生态、灾害风险与社会经济三个核心问题, 开展冰冻圈变化对农牧业、重大工程、农牧民生计、村镇建设、冰雪旅游等方面的综合影响研究, 评估典型流域/地区的脆弱性、适应能力, 揭示其区域空间分异规律, 集成适应对策。研究重点集中在冰冻圈水资源变化对社会经济系统影响链分析与适应机制研究、冰冻圈生态系统脆弱性与社会经济系统适应机制研究、冰冻圈变化灾害风险与社会经济系统适应机制研究、冰冻圈变化的综合影响与适应对策集成研究等方面。4.结 语以冰冻圈要素为研究主体、以冰冻圈水热与动力过程为研究主线, 紧密围绕冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响和适应4个重大科学问题, 在单要素机理与过程研究基础上, 重点以冰冻圈各重大问题为核心, 在综合和集成层面上开展研究。以全球的视野审视冰冻圈的变化过程, 从有机耦合的角度探讨气候模式中的冰冻圈过程, 以多因素、多过程综合与集成的手段辨析冰冻圈变化的影响, 从方法创新上寻求科学评估冰冻圈变化脆弱性及适应性的突破途径。将研究的总体目标集中在2条主线上, 即一是研究主线, 以冰冻圈与气候变化为主体, 重点考虑国际热点和未来发展态势的需求, 二是科学目标主线, 以丰富和完善冰冻圈科学的内涵和外延为追求目标, 突出冰冻圈变化的影响研究, 为适应和应对冰冻圈变化影响夯实科学基础。这些构成了冰冻圈未来研究的总框架。根据上述总体框架下, 考虑到冰冻圈研究特点及我国已有的研究基础, 在研究途径上以全球视野为出发点, 点、区域和全球结合为主要研究途径。在机理、过程的精细分析方面突出点、面结合, 在区域差异性方面强调宏观对比, 在流域和区域多要素集成研究方面关注冰冻圈各要素耦合机制及在流域和区域上的综合效应, 在多学科综合研究方面重点着眼于相互作用关系中冰冻圈要素的影响及作用。致谢：本文材料准备过程中, 任贾文、刘时银、吴青柏、金会军、武炳义、王宁练、罗勇、叶柏生、王根绪、张廷军、赵林、林岩銮、李忠勤、盛煜、陈仁生、杨建平、车涛、王伟、苏杰、宜树华等参与多次讨论、提供材料及提出建议, 由于人员较多, 在作者署名上没有一一列出, 在此一并致谢！尤其是叶柏生研究员在本文成文之际, 他却在青藏高原野外考察中不幸遇难, 血洒冰冻圈、魂归青藏高原, 令人不甚悲痛和惋惜。借此机会并以此文, 深表对他的怀念和悼念之情。中国科学院青藏高原冰冻圈野外观测研究站、天山冰川观测研究站、冰冻圈科学国家重点实验室托木尔峰冰川站及唐古拉冰冻圈水文综合观测研究站提供数据支持, 深表谢忱!王文华、赵传成、王世金、上官冬辉等和王建等提供技术支持, 表示感谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
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... WCRP- CliC[1]计划启动之初首次提出了“冰冻圈科学（cryospheric sciences）”概念, 将冰川、冰盖、冻土、海冰、积雪等纳入到统一圈层系统, 进行集成研究 ...
... 在受气候变化影响的诸环境系统中, 冰冻圈变化首当其冲, 是全球变化最快速、最显著、最具指示性、也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层, 被认为是气候系统多圈层相互作用的核心纽带和关键性因素之一[2] ...
... 冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[3～6] ...
... 冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[3～6] ...
Chinese Journal of Atmospheric Sciences. ):683 - 693
LI Zhenkun, ZHU Weijun, WU Bingyi
李震坤, 朱伟军, 武炳义
An improved frozen soil parameterization scheme is introduced and its effects on climate in East Asia are investigated by using the latest version of general circulation model (GCM) CAM3.1 developed at NCAR. Simulation results show that the improved soil freezing process leads to enhanced heating of the earth?s surface by the atmosphere over most parts of Eurasia in winter, while it leads to enhanced heating of the atmosphere by the earth's surface in summer, especially the abnormal heating is significantly strengthened over the Tibetan Plateau. The climate in East Asia is very sensitive to the frozen soil parameterization with notable change of the surface air temperature in both winter and summer. With the improved soil freezing process, the simulated Siberian high is enhanced and the East Asia trough move the East Asian summer monsoon is intensified, and the western Pacific Ocean subtropical high extends northwestward, resulting in increasing rainfall in northern China and the middle and lower reaches of the Yangtze River and decreasing rainfall in South China. These results may have meaningful implications for improving the performance of GCM to simulate the climate in East Asia.
本文在改进了大气环流模式NCAR CAM3.1中的土壤冻融过程参数化的基础上, 模拟研究了改进的冻土过程对东亚气候模拟的影响。模拟结果分析表明, 改进冻融过程参数化后, 冬季欧亚大陆上大部分地区大气对地表的加热偏强, 而夏季地表对大气的加热偏强, 尤其是青藏高原对大气的加热作用显著增强。东亚气候对冻土过程参数化方案非常敏感, 冬、 夏两季地表气温都有显著的变化。在模式中合理考虑土壤冻融过程后, 模拟的冬季西伯利亚高压增强, 东亚大槽位置偏西; 东亚夏季风增强, 副热带高压增强西伸和偏北, 造成华北和长江中下游降水偏多, 华南降水偏少。此结果对改进气候模式对东亚气候模拟能力有重要意义。
... 一些初步研究结果显示, 采用更为合理的冻土冻融物理过程参数化方案, 可以更好地模拟东亚冬、夏季风和我国北方夏季降水[7] ...
China Basic Science. 2009, (3):4 - 10
DingYongjian[1];QinDahe[2]
丁永建[1];秦大河[2]
本文从冰川的水文水资源效应、冻土的生态、气候和工程效应、积雪的水文及气候效应等方面论述了冰冻圈在我国社会经济发展中的影响与重要作用.在此基础上,着重根据近40年来我国冰冻圈变化的实际情况,论述了冰冻圈变化对水资源、生态、工程、灾害和气候所产生的一些影响.最后根据国内外冰冻圈研究发展趋势,总结了我国冰冻圈研究所面临的机遇、挑战与发展建议.
... 3 冰冻圈变化的影响研究冰冻圈变化影响日益广泛[8], 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度与时空范围, 阐明适应机理, 对科学应对全球变化具有重要的现实意义 ...
Science. 90):291-296
P. Falkowski1,, R. J. Scholes2,, E. Boyle3, J. Canadell4, D. Canfield5,, J. Elser6,, N. Gruber7,, K. Hibbard8,, P. H?gberg9, S. Linder10,, F. T. Mackenzie11,, B. Moore III8,, T. Pedersen12,, Y. Rosenthal1,, S. Seitzinger1,, V. Smetacek13, W. Steffen14,
1Institute of Marine and Coastal Sciences, Rutgers University, 71 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA.2Council of Scientific and Industrial Research, Environmental Division, Post Office Box 395, Pretoria 0001, South Africa.3Earth, Atmospheric, and Planetary Science Department, Massachusetts Institute of Technology, 42 Carleton Street, Mail Code:E34-258, Cambridge, MA 0, USA.4Global Change and Terrestrial Ecosystems International Project Office, Commonwealth Scientific and Industrial Research OrganisationWildlife and Ecology, Post Office Box 284, Canberra, Australian Capital Territory, 2601, Australia.5Institute of Biological Sciences, Odense University, 5230 Odense, Denmark.6Department of Zoology, Arizona State University, Temple, AZ 8, USA.7Institute of Geophysics and Planetary Physics and Department of Atmospheric Sciences, 5853 Slichter Hall, University of California,Los Angeles, CA 9, USA.8Institute for the Study of Earth, Oceans, Space, University of New Hampshire, Morse Hall, 39 College Road, Durham, NH 03824,USA.9Department of Forest Ecology, Swedish University of Agricultural Sciences, S-901 83 Umea, Sweden.10Department for Production Ecology, Swedish University of Agricultural Sciences, Post Office Box 7042, S750 07 Uppsala, Sweden.11Department of Oceanography, SOEST, University of Hawaii, Honolulu, HI, 96822, USA.12Department of Earth and Ocean Sciences, University of British Columbia, Vancouver, BC V6T 1Z4, Canada.13Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Am Handelshafen 12, 27570 Bremerhaven, Germany.14IGBP Secretariat, Royal Swedish Academy of Sciences, Box 50005 Lilia Frescativagen 4, S-10405 Stockholm, Sweden.+To whom correspondence should be addressed. E-mail:
... 在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[9,10] ...
Climatic Change. ):251-298
Larry D. Hinzman(1), Neil D. Bettez(2), W. Robert Bolton(1), F. Stuart Chapin(1), Mark B. Dyurgerov(3), Chris L. Fastie(4), Brad Griffith(12), Robert D. Hollister(5), Allen Hope(6), Henry P. Huntington(7), Anne M. Jensen(8), Gensuo J. Jia(9), Torre Jorgenson(10), Douglas L. Kane(1), David R. Klein(1), Gary Kofinas(1), Amanda H. Lynch(11), Andrea H. Lloyd(4), A. David McGuire(12), Frederick E. Nelson(13), Walter C. Oechel(6), Thomas E. Osterkamp(1), Charles H. Racine(14), Vladimir E. Romanovsky(1), Robert S. Stone(15), Douglas A. Stow(6), Matthew Sturm(14), Craig E. Tweedie(5), George L. Vourlitis(16), Marilyn D. Walker(17), Donald A. Walker(1), Patrick J. Webber(5), Jeffrey M. Welker(18), Kevin S. Winker(1), Kenji Yoshikawa(1)
1.University of Alaska Fairbanks, Water and Environmental Research Center, P.O. Box 7 Duckering Building, Fairbanks, Alaska, 2.Marine Biological Laboratory, U.S.A.3.University of Colorado, U.S.A.4.Middlebury College, U.S.A.12.US Geological Survey, U.S.A.5.Michigan State University, U.S.A.6.San Diego State University, U.S.A.7.Huntington Consulting, U.S.A.8.Ukpea?vik I?upiat Corporation, U.S.A.9.Colorado State University, U.S.A.10.Alaska Biological Research, U.S.A.11.Monash University, Australia13.University of Delaware, U.S.A.14.Cold Regions Research and Engineering Laboratory, U.S.A.15.National Oceanic and Atmospheric Administration, U.S.A.16.California State University, San Marcos, U.S.A.17.US Forest Service, U.S.A.18.University of Alaska Anchorage, U.S.A.
The Arctic climate is changing. Permafrost is warming, hydrological processes are changing and biological and social systems are also evolving in response to these changing conditions. Knowing how the structure and function of arctic terrestrial ecosystems are responding to recent and persistent climate change is paramount to understanding the future state of the Earth system and how humans will need to adapt. Our holistic review presents a broad array of evidence that illu the Arctic is undergoing a system-wide response to an altered climatic state. New extreme and seasonal surface climatic conditions are being experienced, a range of biophysical states and processes influenced by the threshold and phase change of freezing point are being altered, hydrological and biogeochemical cycles are shifting, and more regularly human sub-systems are being affected. Importantly, the patterns, magnitude and mechanisms of change have sometimes been unpredictable or difficult to isolate due to compounding factors. In almost every discipline represented, we show how the biocomplexity of the Arctic system has highlighted and challenged a paucity of integrated scientific knowledge, the lack of sustained observational and experimental time series, and the technical and logistic constraints of researching the Arctic environment. This study supports ongoing efforts to strengthen the interdisciplinarity of arctic system science and improve the coupling of large scale experimental manipulation with sustained time series observations by incorporating and integrating novel technologies, remote sensing and modeling.
... 在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[9,10] ...
... 过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[11,12] ...
Climatic Change. -4):213-241
Jed O. Kaplan(1), Mark New(2)
1.Institute of Plant Sciences, University of Bern, Altenbergrain 21, 3013, Bern, Switzerland2.Climate Research Lab, Centre for the Environment, Oxford University, South Parks Road, Oxford, OX1 3QY, England
The signatories to United Nations Framework Convention on Climate Change are charged with stabilizing the concentrations of greenhouse gases in the atmosphere at a level that prevents dangerous interference with the climate system. A number of nations, organizations and scientists have suggested that global mean temperature should not rise over 2?C above preindustrial levels. However, even a relatively moderate target of 2?C has serious implications for the Arctic, where temperatures are predicted to increase at least 1.5 to 2 times as fast as global temperatures. High latitude vegetation plays a significant role in the lives of humans and animals, and in the global energy balance and carbon budget. These ecosystems are expected to be among the most strongly impacted by climate change over the next century. To investigate the potential impact of stabilization of global temperature at 2?C, we performed a study using data from six Global Climate Models (GCMs) forced by four greenhouse gas emissions scenarios, the BIOME4 biogeochemistry-biogeography model, and remote sensing data. GCM data were used to predict the timing and patterns of Arctic climate change under a global mean warming of 2?C. A unified circumpolar classification recognizing five types of tundra and six forest biomes was used to develop a map of observed Arctic vegetation. BIOME4 was used to simulate the vegetation distributions over the Arctic at the present and for a range of 2?C global warming scenarios. The GCMs simulations indicate that the earth will have warmed by 2?C relative to preindustrial temperatures by between 2026 and 2060, by which stage the area-mean annual temperature over the Arctic (60–90?N) will have increased by between 3.2 and 6.6?C. Forest extent is predicted by BIOME4 to increase in the Arctic on the order of 3 × 106 km2 or 55% with a corresponding 42% reduction in tundra area. Tundra types generally also shift north with the largest reductions in the prostrate dwarf-shrub tundra, where nearly 60% of habitat is lost. Modeled shifts in the potential northern limit of trees reach up to 400 km from the present tree line, which may be limited by dispersion rates. Simulated physiological effects of the CO2 increase (to ca. 475 ppm) at high latitudes were small compared with the effects of the change in climate. The increase in forest area of the Arctic could sequester 600 Pg of additional carbon, though this effect is unlikely to be realized over next century.
... 过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[11,12] ...
Science. 84):
J. Lenoir1,, J. C. Gégout1, P. A. Marquet2,3,4, P. de Ruffray5, H. Brisse6
1 AgroParisTech, UMR 1092, Laboratoire d'Etude des Ressources Forêt-Bois (LERFoB), 14 rue Girardet, F-54000 Nancy, France.2 Center for Advanced Studies in Ecology and Biodiversity (CASEB), Departamento de Ecologia, Pontificia Universidad Católicade Chile, Alameda 340 C.P. 6513677, Santiago, Chile.3 Institute of Ecology and Biodiversity (IEB), Casilla 653, Santiago, Chile.4 Santa Fe Institute, 1399 Hyde Park Road, Santa Fe, NM 87501, USA.5 CNRS, Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP), Université Louis Pasteur, 12 Rue du Général Zimmer, F-67084 StrasbourgCedex, France.6 CNRS, UMR 6116, Institut Méditerranéen d'Ecologie et de Paléoécologie (IMEP), Faculté des Sciences de Saint Jér?me, case461, F-34397 Marseille Cedex 20, France.* To whom correspondence should be addressed. E-mail:
... 欧洲西北部随山地冰川、冻土退化和积雪格局变化, 高山植物的向上迁移速率达到每10年29米, 且高山植被分布与结构的较大规模改变将十分迅速[13] ...
... 需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[13,15] ...
... 2%[14] ...
... 冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[14], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[15] ...
... 由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[14,15] ...
Nature is the international weekly journal of science: a magazine style journal that publishes full-length research papers in all disciplines of science, as well as News and Views, reviews, news, features, commentaries, web focuses and more, covering all branches of science and how science impacts upon all aspects of society and life.
... 需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[13,15] ...
... 冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[14], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[15] ...
... 由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[14,15] ...
... 在全球气候变暖背景下, 冻土退化无疑会加速多年冻土区的碳源效应转换[16] ...
... 在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[16,17] ...
... 在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[16,17] ...
. ):615-619
The Arctic soil organic-carbon pool is a significant, but poorly constrained, carbon store. The most cited pool size estimates are based on a study that severely undersamples Arctic soils, with only five out of the 48 soils examined actually from the Arctic region. Furthermore, previous measurements have been confined to the top 40&cm of soil. Here, we present 1-m-deep measurements of soil organic carbon obtained at 117 locations in the North American Arctic region. To this dataset we add previously published measurements to generate a total sample size of 139 North American Arctic soils. We show that soil organic-carbon stores are highly dependent on landscape type, being highest in lowland and hilly upland soils, where values average 55.1 and 40.6 kg soil organic carbon m-2 respectively, and lowest in rubbleland and mountain soils, where values average 3.4 and 3.8&kg soil organic carbon m-2 respectively. Extrapolating our measurements using known distributions of landscape types we estimate that the total organic carbon pool in North American Arctic soils, together with the average amount of carbon per unit area, is considerably higher than previously thought. Our estimates of the depth distribution and total amount of organic carbon in North American Arctic soils will form an important basis for studies examining the impact of climate warming on CO2 release in the region.
... 冰冻圈变化直接影响冰川冻土灾害发生频率、程度与影响范围[18] ...
... 山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[19～21] ...
... 山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[19～21] ...
... 因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[22,23] ...
Arid Land Geo. 2008, (4):524 - 534
SHENYong-ping[1];WANGGuo-ya[1];ZHANGJian-gang[2];ZHANGJiao[1];WANGShun-de[3];GAOQian-zhao[1]
沈永平[1];王国亚[1];张建岗[2];张姣[1];王顺德[3];高前兆[1]
在人类活动的影响下,阿克苏河下游绿洲呈现出气候变化特征的差异.其中,阿克苏市夏季气温以0.20℃/10 a的速率在升高,而阿拉尔由于受绿洲效应的影响,夏季气温却以-0.27℃/10a的速率呈下降趋势.人类干预已经成为阿克苏绿洲水资源变化的主导因素.为农业开发修建的拦河闸引水、水库蓄水等已改变了河道径流的年内变化,与中游西大桥水文站相比,位于下游的阿拉尔水文站夏季径流比重上升,春季下降.尽管近50年来天然来水量在不断增加,但由于垦植面积的扩大和粗放型农业的发展,使灌溉引水和人类活动耗水不断增加,从而导致阿克苏河补给塔里木河的水量明显减少,阿拉尔水文站年径流量持续减少,径流量减少达17.64%.阿克苏河西大桥站水质在各时期均为I级清洁水质,塔里木河阿拉尔的水质在绿洲农业大规模开发之前,河水未受到人为干扰,水质良好;而经过绿洲耕地开发和垦植洗盐,河水矿化度不断增加,阿拉尔站河水枯水期矿化度由1960年的0.67g/L增加到2000年的5.27 g/L.人类活动改变了地表水的地域分配,从而影响到地下水的补给,使地下水的水位和水质发生盐化.大量引用河水漫灌,导致阿克苏河绿洲地下水位抬升,地表蒸发强烈,造成盐分积累,土壤次生盐渍化严重.
... 因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[22,23] ...
Science. 38):245-245
Walter V. Reid1, Catherine Bréchignac2 and Yuan Tseh Lee3
Walter V. Reid is chair of the ICSU Earth System Visioning Task Group, directed the Millennium Ecosystem Assessment, and isConservation and Science Director at the David and Lucile Packard Foundation, Los Altos, CA. Catherine Bréchignac is president of ICSU and president of the Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, France.Yuan Tseh Lee is president-elect of ICSU; President Emeritus and Distinguished Research Fellow at the Academy of Scienceslocated in T and received the Nobel Prize in Chemistry.
Human-induced climate change was unknown outside of limited scientific circles just 25 years ago, but it has now become thefocus of intense national discussions and international negotiations. One chapter in the story of how this issue moved fromlab benches to national capitals was recognized by the 2007 Nobel Peace Prize, which was co-awarded to the IntergovernmentalPanel on Climate Change (IPCC) for its influential assessments of the state of scientific knowledge. But the story also involve in particular, that catalyzed by the Global Environmental Change Research Programmes* and the Earth SystemScience Partnership. These programs, sponsored by the International Council for Science (ICSU) in partnerships with otherinternational science organizations (), have helped to catalyze and guide global environmental research for several decades. But it's time to propose new researchpriorities, and ICSU seeks input through a Web consultation process now under way.
... 在气候变化文献中, 大多学者认为适应性应是预期的（anticipatory）、易反应的（reactive）, 且取决于系统的自发性（spontaneity）程度[24] ...
Science. 06):916-917
W. V. Reid1,, D. Chen2, L. Goldfarb2, H. Hackmann3, Y. T. Lee2, K. Mokhele4, E. Ostrom5, K. Raivio2, J. Rockstr?m6, H. J. Schellnhuber7 and A. Whyte8
1David and Lucile Packard Foundation, Los Altos, CA 94022, USA.2International Council for Science (ICSU), 75116 Paris, France.3International Social Science Council (ISSC), 75732 Paris, France.4National Research Foundation of South Africa, Pretoria, 0001, South Africa.5Indiana University, Bloomington, IN 47408, USA.6Stockholm Environment Institute, SE-106 91 Stockholm, Sweden.7Potsdam Institute for Climate Impact Research, 14473 Potsdam, Germany.8Environment and Natural Resources, International Development Research Centre, Ottawa K1G 3H9, Canada.*Author for correspondence:
Tremendous progress has been made in understanding the functioning of the Earth system and, in particular, the impact of humanactions (1). Although this knowledge can inform management of specific features of our world in transition, societies need knowledgethat will allow them to simultaneously reduce global environmental risks while also meeting economic development goals. Forexample, how can we advance science and technology, change human behavior, and influence political will to enable societiesto meet targets for reductions in greenhouse gas emissions to avoid dangerous climate change? At the same time, how can wemeet needs for food, water, improved health and human security, and enhanced energy security? Can this be done while alsomeeting the United Nations Millennium Development Goals of eradicating extreme poverty and hunger and ensuring ecosystem integrity?
... 气候变化会导致冰冻圈诸要素的敏感响应, 冰冻圈变化的实质是相变过程, 但在这一看似很简单的固液态水转变过程中, 由于冰川、积雪、冻土、海冰等变化的时空尺度差异很大, 其动力响应过程[25]和水热变化过程因冰冻圈要素而异, 对气候响应的时间从小时到百年甚至万年(如多年冻土、冰盖), 热力差异从相变热到对地面反射率的改变而影响全球能量分布, 这样的差异将会导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响在时空尺度上的巨大差异（图4） ...
. ):282???292-null
Journal of Glaciology and Geocryology. ):201 - 208
LI Hui-lin, LI Zhong-qin, SHEN Yong-ping, WANG Fei-teng, WANG Wen-bin
李慧林, 李忠勤, 沈永平, 王飞腾, 王文彬
Key Laboratory of Cryosphere and Environment/Tianshan Glaciological Station, CAREERI, CAS, Lanzhou Gansu 730000, China
Alpine glaciers are sensitive to changes in temperature and precipitation.The shrinkage of alpine glaciers in the twentieth century is on a global scale.For a number of glaciers,the rate of shrinkage appears to have accelerated toward the end of the century.However,the current acceleration of glacier melting apparently has not been predicted by most glacier models.As glacier dynamic models perform satisfactorily for describing physical processes and long-term evolution of glaciers,they likely become a potential tool to reveal the current changes of Alpine glaciers.In this paper,developing history,application conditions,advantages and disadvantages of three dynamic models(frequencyresponse model,factor of profile model,and ice flow model) are discussed.The particular focus is on theirapplicability for the glaciers in China.It indicates that these models may be effective if more data,e.g.glacier mass balance,thickness,surface velocity,and temperature etc.are observed,especially on different kind of glaciers.GIS and remote sensing data can also be employed as supplementary.In addition,as a case study,different models have been applied to Glacier No.1 at headwater of &Ur&qi River for its future variation predication.The result indicates that the response time of the glacier is in a magnitude of over one hundred year.The parameter optimizing,modeling processes and all outcomes are presented and discussed in this paper.
冰川动力学模式以其优越的物理过程描述能力,在冰川变化的预测研究中占有重要地位.其中&频率响应模式&、&剖面形状因子模式&和&冰流模式&较为成熟,并且具备对山岳冰川演变的模拟分析能力.从发展历史、主要利弊以及适用条件和范围几个方面,对上述3种模式进行了讨论,并对其在我国冰川上的运用前景进行了探讨.
冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论
[丁永建1,2, 效存德1,3]}
丁永建, 效存德. 冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论. 地球科学进展, ):
Ding Yongjian, Xiao Cunde. Challenges in the Study of Cryospheric Changes and Their Impacts. Advance in Earth Science, ): &&
Permissions
冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论
丁永建1,2,
1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000
2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所水土资源研究室, 甘肃 兰州 730000
3.中国气象科学研究院, 北京 100081
丁永建（1958-），男，甘肃天水人，研究员，主要从事冰冻圈与全球变化研究. E-mail:dyj@
基金:科技部全球变化重大科学研究计划重大科学目标导向项目“冰冻圈变化及其影响研究”（编号：2013CBA01800)资助.?
冰冻圈变化及其影响日益显著并受到广泛关注。系统梳理了目前国际冰冻圈科学研究的主要关注热点, 认为冰冻圈的变化机理、冰冻圈与气候相互作用、冰冻圈变化的影响与适应等构成了国际冰冻圈科学研究的4大科学问题。冰冻圈变化机理是冰冻圈科学研究的基础领域, 冰冻圈与气候相互作用是当前着力加强的重点, 冰冻圈变化的影响日益受到关注, 但研究基础还较薄弱, 冰冻圈变化影响的适应机制是尚处在萌芽状态的研究领域。围绕上述重大科学问题, 紧抓冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性问题, 气候模式中冰冻圈过程的精细化描述问题, 准确认识影响的时空尺度与程度问题和脆弱性评价方法和指标体系等科学问题, 是寻求科学突破的关键。以全球的视野审视冰冻圈的变化过程, 从有机耦合的角度探讨气候模式中的冰冻圈过程, 以多因素、多过程综合与集成的手段辨析冰冻圈变化的影响, 从方法创新上寻求科学评估冰冻圈变化脆弱性及适应性的突破途径, 是未来研究的重点。
冰冻圈变化;
中图分类号:P343.6
文献标志码:A
文章编号:（7-10
Challenges in the Study of Cryospheric Changes and Their Impacts
Ding Yongjian1,2,
Xiao Cunde1
1.State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
2.Water and Soil Resource Division, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
3. Chinese Academy of Meteorogical Science, Beijing 100081, China
Cryospheric changes and their impacts are receiving wide attention from international scientific and social communities. Here, we summarize the present hotspots of international cryospheric sciences and hence conclude four major aspects of it. They are respectively ① mechanism of cryospheric changes, ② interaction of cryospheric and other spheres of climate/earth system, ③ impacts of cryospheric changes, and ④ adaptation methods and strategy to these changes. Among the four areas, mechanism study is the basis for cryospherc sciences, interaction between different spheres is the currently developing aspect of the field, impacts of cryospheric changes are increasingly studied and yet still have large gaps, while adaptation study is still an iniative nowadays. For the above four aspects, there are key issues for each of them. For instance, dynamic responses and spatial/temporal differences are the key challenges in the mechanism studies. Rational and precise description on physical/chemical/geochemical processes of cryosphere is one of critical issues on improving the climate models. Scoping the spatial/temporal scales, as well as defining the influence degree is the key gaps in studying the cryospheric impacts. Methods and related index system for vulnerability assessment is the key issue in the study of the adaptation strategy of cryospheric impacts. Cryospheric sciences are developing towards, in the near future, the coupling of cryoshperic components into climate system in global scale, detecting the impacts of cryospheric changes using multiple and integrated methodology, and innovated approaches in adaptation.?
Cryopsheric changes;
Climate system;
Impacts and adaptation.
1.引言冰冻圈是指地球表层水以固态形式存在的圈层, 包括冰川（山地冰川、冰帽、极地冰盖、冰架等）、冻土(季节冻土和多年冻土)、积雪、固态降水、海冰、河冰、湖冰, 等等。冰冻圈与大气圈、水圈、陆地表层和生物圈共同组成气候系统。冰冻圈变化及其与其它圈层相互作用关系是认识气候系统的重要环节, 因而受到广泛关注。当前国际上冰冻圈科学研究态势体现在两条主线上（）, 一是以WCRP(世界气候研究计划)-CliC(气候与冰冻圈)国际研究计划为主线, 核心目标是提高对冰冻圈与气候系统之间相互作用物理过程与反馈机制的理解, 关键是增加对评估和量化过去和未来气候变化所导致的冰冻圈各分量变化及其影响的认识水平, 实现和解决上述目标和关键科学问题的前提条件是强化冰冻圈的观测与监测。另一条主线是以“冰冻圈科学”为核心, 着力推动冰冻圈科学向体系化方向发展。WCRP- CliC[]计划启动之初首次提出了“冰冻圈科学（cryospheric sciences）”概念, 将冰川、冰盖、冻土、海冰、积雪等纳入到统一圈层系统, 进行集成研究。10余年来, 冰冻圈科学受到各国科学家高度重视, 2007年IUGG正式增加“冰冻圈科学学会”为其旗下新的一级学会, 这是IUGG成立80多年来首次增加一级学会, 更使冰冻圈由三级学科跃升为一级学科。这些均表明, 国际冰冻圈研究正在由过去分散、独立研究, 向学科体系化研究发展。图1Fig. 1 图1 国际冰冻圈科学研究主线Fig. 1 Skeleton of international cryospheric science studies在上述2条主线上, 冰冻圈科学研究目前主要面临4个方面的重大科学问题, 即冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响及影响。冰冻圈变化机理是冰冻圈科学传统的研究领域, 冰冻圈与气候相互作用是WCRP-CliC关注及着力推动的重点, 冰冻圈变化的影响已经日益受到关注, 但科学研究的基础总体上还较薄弱, 尤其是冰冻圈变化影响的适应机制是尚处在萌芽状态的研究领域。这4个方面基本上构成了冰冻圈科学内涵和外延的主干领域。因此, 围绕上述冰冻圈4个重大科学问题, 开展冰冻圈变化、影响和适应研究, 对推动国际冰冻圈科学向学科体系化方面迈进, 提高冰冻圈科学整体水平具有重要意义, 必将增加我国对国际冰冻圈科学体系建立的贡献力度。这也是促进我国科学家在冰冻圈科学领域取得突破性进展、为国际全球变化研究做出重要科学贡献的历史机遇。2.当前国际上关注的冰冻圈重大科学问题2.1冰冻圈变化机理和过程研究冰冻圈变化机理和变化过程研究是深入认识冰冻圈规律及其变化影响的基础, 对气候系统变化的理解和检测具有重要作用。冰冻圈在气候系统中由于其对气候的高度敏感性和重要的反馈作用而倍受关注。在受气候变化影响的诸环境系统中, 冰冻圈变化首当其冲, 是全球变化最快速、最显著、最具指示性、也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层, 被认为是气候系统多圈层相互作用的核心纽带和关键性因素之一[]。冰冻圈及其变化与人类社会息息相关, 随着气候变暖, 冰冻圈的变化及其影响（尤其是对海平面、气候、生态、淡水资源、环境以及碳循环等的影响）, 已经受到各方面的高度关注。目前为了突破对冰冻圈变化影响研究的瓶颈, 冰冻圈变化机理的研究成为冰冻圈科学研究中重大、也是最基础性的科学问题。这是因为要真正从科学规律上认识冰冻圈变化的影响, 首先必须对冰冻圈自身的变化过程及机理有较好认识。问题是冰冻圈的组成成分多样, 各组分的内部动力机制、时空分布、气候响应过程都不相同, 而这些组分多叠加出现, 过程与影响往往是复合的, 增加了研究的难度。比如, 由于冰川规模和类型、冻土分布与下垫面水热状况、积雪面积与深度等的不同, 对气候的反馈存在很大差异, 由此产生的水文、生态和气候影响也表现各异。另一方面, 冰川、冻土、积雪、海冰等冰冻圈要素的变化及其对气候的动力响应过程在时间和空间尺度上存在很大差异, 只有通过冰冻圈变化过程的机理研究, 才能系统掌握冰冻圈各要素的变化规律, 从而为冰冻圈变化对气候、生态、水文和环境影响的深入研究提供科学基础。因此, 由观测点到区域、由单条冰川到流域乃至区域冰川、由单一冻土类型到不同冻土类型, 从冰冻圈变化动力响应过程与变化的时空差异上开展冰冻圈变化机理研究, 对深化冰冻圈变化机理的科学认识水平, 突破冰冻圈变化影响研究的瓶颈具有重要的基础科学意义。冰川变化是冰川对气候变化的响应, 包括冰川表面积雪转化为冰川冰的物理和化学过程、冰川物质平衡变化过程和冰川形态变化过程。不同冰川对气候变化响应在过程和时间上存在差异, 只有通过全球不同类型（包括大陆型、极大陆型和海洋型冰川）及不同规模冰川的变化规律研究, 才能全面揭示冰川系统对气候的响应过程和机理, 模拟预测冰川未来变化, 解决与其相关的水资源和水循环问题。极地冰盖-快速冰流-冰架系统是极地冰盖物质平衡的主要环节, 需要立体观测获取多种边界和内部参数, 构建合理的数值模式, 方能较准确描述和预估该系统的变化, 进而回答其对海平面的影响等全球性问题；过去数十年来南、北极海冰表现出完全相反的变化趋势, 对其响应机制缺乏深刻认识也是造成当前科学界“迷惑”的重要原因。多年冻土被称为巨型天然“地下冰库”和“地下碳库”, 其变化过程中的水、热运移将会极大地影响气候、生态、水循环等。受区域气候、地质、水文、地表覆被等影响, 多年冻土的水热状态具有很大的区域差异性, 这使得多年冻土的状态和其对气候变化的响应程度也具有区域差异性。研究多年冻土活动层的水热循环机制、多年冻土对气候变化的响应模式及其区域差异性是揭开全球变暖背景下多年冻土变化规律及其对寒区生态、水文状况影响的关键所在。气候变化对积雪时空分布格局的影响不尽相同, 体现在积雪深度、积雪日数和消融期的年际波动和区域差异的变化, 准确掌握积雪的时空分布及其变化特征, 是理解认识积雪对气候变化响应的关键, 也有助于提高气候预测水平、区域水资源管理与合理利用、灾害防治的能力。总之, 研究冰冻圈过程和变化机理, 不仅可以深刻认识冰冻圈规律, 也是冰冻圈与其他圈层相互作用、冰冻圈变化影响与适应研究的基础。过去的研究侧重于冰冻圈特征和自身规律, 但由于对气候变化的高度敏感性和重要反馈作用, 目前的冰冻圈正发生着深刻变化, 深入研究气候变化背景下, 冰冻圈各要素变化机理和过程, 对于揭示气候系统变化和冰冻圈对气候变化的响应具有重要作用, 亦是国际关注的热点和前缘研究领域之一。2.2冰冻圈与气候相互作用关系深入研究冰冻圈和气候相互作用的物理过程与反馈机制, 提高气候系统模式中冰冻圈过程的耦合模拟能力, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 对提升气候系统科学认识水平及减小气候系统模拟和预估的不确定性具有重要的科学意义。冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[～]。随着观测手段的进步, 观测资料的日益增多和计算条件的迅速改善, 国内外已有大量研究表明, 作为冰冻圈组成部分的积雪、海冰和冰架不仅是导致气候异常的重要原因, 也是预测气候变化的重要先兆因子。冰冻圈在气候变化中的作用日益显现。发展耦合冰冻圈过程的全球与区域气候系统模式是冰冻圈与气候变化研究的大势所趋。但是, 目前全球和区域气候系统模式在处理冰冻圈物理过程方面还较为粗糙, 尤其是在气候系统模式中如何考虑冰冻圈不同分量和要素作用的时空尺度, 可能是在今后相当长的一段时期内最为重要发展方向之一。突破这种限制的关键是深化对冰冻圈变化过程与机理的定量研究水平, 真正发展起能够较好地描述冰冻圈各要素物理过程、体现不同时间与空间变化过程的所谓冰冻圈陆面过程模型, 并使之与气候模式有机耦合。然而, 由于冰冻圈变化过程与机理研究自身还在深化认识过程中, 这一目标的实现显然还需要时日。因此, 一方面需要加强冰冻圈陆面过程模式的研究, 另一方面, 在气候模式研究中随着对冰冻圈过程与机理认识的不断深化, 加强和改进冰冻圈物理过程参数化向精细化方向迈进, 是亟待解决的问题（）。图2 图2 气候与冰冻圈相互作用研究问题与趋势概图 Gaps and tendencies in the study of interactions between cryosphere and climate system能量和水分交换是冰冻圈对气候变化响应与反馈的最主要途径, 冰冻圈陆面过程模型是气候模拟系统的重要组成部分。高纬度冰冻圈尺度较大, 有调控全球气候系统的作用, 目前尽管对冰冻圈的处理还较简单, 但在气候模拟系统中已经有较多冰冻圈参数化处理方案。高海拔冰冻圈尺度较小, 以分散的或局部的分布为主, 同时空间变异性较大, 影响到与人类生存环境密切相关的局地和区域的气候、生态和水资源等。因此, 发展包含冰冻圈陆面过程模型的区域气候模拟系统和水文模型, 是深入理解冰冻圈水热过程以及环境效应的关键。目前的气候系统模式中, 有关冰冻圈物理过程的参数化方案还不够精细, 诸多物理过程的参数化方案过于理想化。在现有的全球气候模式和区域气候模式中, 对积雪过程参数化的描述不够精细, 对冻土过程参数化的描述更为粗糙, 水、热参数缺乏, 多以均一下垫面处理或仅考虑地表温度, 甚至很多模式尚未包括冻土物理过程, 从而无法较好地研究积雪和冻土对气候变化影响的物理机制。目前几乎所有的海冰模式以及气候系统模式对海冰盐度的处理都非常简单, 要么为常数, 要么为一条固定曲线（顶部小底部大）, 且盐度不随时间变化。一些初步研究结果显示, 采用更为合理的冻土冻融物理过程参数化方案, 可以更好地模拟东亚冬、夏季风和我国北方夏季降水[]。可见, 在当前的气候模式中, 冰冻圈物理过程描述的不完善成为提高模式模拟和预估全球和东亚气候变化能力的主要瓶颈之一。在当前和未来相当长的一段时期, 国际上气候系统模式的发展趋势就是改进和完善冰冻圈-气候相互作用物理过程, 以加强模式的参数化研究和发展陆面过程模式, 特别是陆面过程的反馈作用及其与大气环流模式的耦合研究等。为实现冰冻圈过程与全球和区域气候模式的耦合, 必须把大量观测结果的分析研究和参数化改进结合起来的同时, 重点要将冰冻圈各要素能量、水量和物质变化同步考虑, 解决冰冻圈非线性物理过程在耦合气候系统模式中的制约问题, 才能取得实质性进展。2.3 冰冻圈变化的影响研究冰冻圈变化影响日益广泛[], 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度与时空范围, 阐明适应机理, 对科学应对全球变化具有重要的现实意义。在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[,]。过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[,]。欧洲西北部随山地冰川、冻土退化和积雪格局变化, 高山植物的向上迁移速率达到每10年29米, 且高山植被分布与结构的较大规模改变将十分迅速[]。过去40多年来, 我国青藏高原多年冻土区高寒生态系统持续退化, 高寒沼泽湿地萎缩25.6%, 沙漠化土地增加17.2%[]。需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[,]。冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[]。在全球气候变暖背景下, 冻土退化无疑会加速多年冻土区的碳源效应转换[]。在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[,]。由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[,]。冰冻圈作为全球水循环过程的一个重要环节, 对气侯变化的敏感性在全球变化研究中备受关注。但由于冰川、积雪和冻土变化水文效应在时间和空间尺度上存在较大的差异, 且多因素协同影响的水文效应尚缺乏足够认识。另外, 冰川融水的增加过程及出现突变点的时间是关注的焦点。单条冰川通过观测和模拟可获得其融水出现拐点的时间阈值范围, 但流域尺度冰川规模差异使其对气候敏感程度和响应过程存在较大差异, 因此, 流域尺度冰川融水的变化过程及阈值范围确定需要在理论、方法和手段上实现创新性突破（）。图3 图3 冰冻圈与水研究问题与趋势概图 Gaps and tendencies in the study of interaction between cryosphere and water冰冻圈变化直接影响冰川冻土灾害发生频率、程度与影响范围[]。山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[～]。随着气候变化及经济快速发展, 我国积雪灾害也频繁发生。然而, 冰冻圈关键因子对气候变化响应和影响的过程、机理的系统认识, 面对气候变化诱发的众多冰冻圈灾害发生机制、预测预警和防治等方面缺乏必要的科学支撑。总之, 冰冻圈变化对人类社会产生了深刻影响, 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度、时空范围及其未来演化趋势, 是人类社会防治、减缓与适应冰冻圈变化影响的必然选择, 是准确把握全球变化对人类环境影响的关键, 对人类社会科学应对全球变化具有重要意义。2.4 冰冻圈影响的适应机制研究当前, 气候变化、环境变化、地球系统科学和可持续发展等这些涉及到“综合”、“系统”性研究的重大科学问题已经成为国际社会最为关注的焦点和热点。这些问题与过去最大的不同与转折是人类活动影响的日益突出, 问题的实质是人类社会的可持续发展。这些问题相互交叉、深度关联, 有各自的关注点, 也有众多的共同点。最近, 在总结国际四大全球环境变化研究计划（即世界气候研究计划-WCRP、国际地圈-生物圈研究计划-IGBP、生物多样性研究计划-DIVERSTAS、国际全球环境变化人文因素计划-IHDP）及其相关的地球系统科学伙伴计划（ESSP）已经开展的一系列国际合作研究基础上, 国际科学联合会（ICSU）和国际社会科学联合会（ISSC）首次合作, 联合组织了国际上自然和社会科学领域的众多专家对地球系统研究的框架和焦点问题进行了咨询和反思, 指出人类目前面临气候、粮食、水资源、健康、能源、贫困和生态等诸多问题, 尽管过去在理解地球系统作用、尤其是人类行为影响方面已经开展了大量研究, 取得显著进展, 但距离回答和解决上述人类社会所面临的实际问题还相差甚远。需要重新定位研究方向, 以便更好地让科学和社会相结合, 在全球、区域、国家和地方等不同层次上满足决策者和公众需要。为此, 人类社会正面临着双重挑战, 在深化理解地球系统作用及其关键阈值的同时, 提出既能满足发展需求、又能适应全球变化的一整套战略。因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[,]。ICSU总结出来的核心问题是当前全球环境变化研究必须由自然科学占主导地位的研究, 向自然和人文科学全领域研究过渡。为此, 需要对目前全球环境变化研究进行变革, 并提出了“未来地球：全球可持续发展研究（Future Earth: Research for global sustainability）”框架文件, 简称未来地球计划（Future Earth）, 推动全球变化研究向可持续发展方向迈进。这是一个值得关注的动向, 系统化、综合性、面向可持续发展是全球变化未来研究的主要趋势。因此, 在此国际科学发展大背景下, 以冰冻圈科学为主线, 以当前冰冻圈研究中面临的重大科学问题为核心, 从冰冻圈动态过程、气候与冰冻圈相互作用、冰冻圈影响机理及冰冻圈变化的适应机制等方面开展系统性研究, 力图在认识冰冻圈自然过程的基础上, 将自然与人文过程相互结合, 为社会可持续发展寻求适应科学对策, 这一思想与国际全球变化研究变革的趋势完全一致。全球变化人文背景下的适应性通常涉及一个系统的过程、行动和产出, 是为了系统对一些变化条件、压力、灾害、风险和机遇具备更好地应对、管理和调整能力。在气候变化文献中, 大多学者认为适应性应是预期的（anticipatory）、易反应的（reactive）, 且取决于系统的自发性（spontaneity）程度[]。基于冰冻圈变化的适应研究, 现在刚刚起步, 可以查阅的文献极为鲜见, 不过, 冰冻圈变化是在全球变化背景下的特殊圈层的变化、作用与过程。以上研究前沿和趋势, 对于冰冻圈变化的适应研究同样具有指向和指导性。因此, 在突出冰冻圈变化及其自身特点的基础上, 完全可以沿用其研究思路和脉络, 开展冰冻圈变化的适应研究。总之, 冰冻圈变化过程、影响机理和适应机制的系统研究, 可整体性提升我国冰冻圈科学研究水平, 对增强我国在冰冻圈与全球变化领域的国际影响力、加强国际谈判中的话语权具有重要的科学支撑作用。上述研究构成了冰冻圈科学研究的核心主干, 具有如下特点：①综合性：上述每一方面的问题涉及到多学科领域, 需要交叉综合才能有所创新；②关联性：各方面内容相互关联, 需要齐头并、相互渗透进才能取得认识上的重大进展；③团队性：单打独斗不能解决问题, 需要团队作战才能取得科学突破；④导向性：围绕“冰冻圈”这一主线, 密切联系相关因素, 科学目标导向明确。3. 关键科学问题及未来研究重点针对上述冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响及冰冻圈影响的适应4方面国际关注重点, 需要集中攻克冰冻圈变化过程中的动力响应与时空差异性问题, 气候模式中冰冻圈过程的精细化描述问题, 准确认识影响的时空尺度与程度问题和脆弱性评价方法和指标体系等关键科学问题, 才能在冰冻圈各重大研究领域的科学认识上取得突破, 才能对冰冻圈科学整体的发展和完善有所贡献。未来的研究重点应放在冰冻圈动态过程及其变化的响应机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化影响的多因素关联过程及其互馈与耦合机制及冰冻圈变化影响的适应机理等方面。3.1 关键科学问题（1）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气候变化会导致冰冻圈诸要素的敏感响应, 冰冻圈变化的实质是相变过程, 但在这一看似很简单的固液态水转变过程中, 由于冰川、积雪、冻土、海冰等变化的时空尺度差异很大, 其动力响应过程[]和水热变化过程因冰冻圈要素而异, 对气候响应的时间从小时到百年甚至万年(如多年冻土、冰盖), 热力差异从相变热到对地面反射率的改变而影响全球能量分布, 这样的差异将会导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响在时空尺度上的巨大差异（）。另外, 不同的冰冻圈要素, 其对气候变化的动力响应过程和机制是不同的, 从而导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响的差异。因此, 在冰冻圈变化机理方面的关键科学问题是动力响应过程、机理及时空差异性, 核心是通过对不同冰冻圈要素动力过程和机理的研究, 建立不同的动力学模式, 模拟预测冰冻圈动态变化。图4 图4 冰冻圈变化机理关键科学问题概化图 Streamline of investigating mechanism of cryospheric changes（2）气候模式中冰冻圈过程的精细化描述是准确认识冰冻圈与气候相互作用关系的核心利用耦合冰冻圈过程的气候系统模式开展数值模拟研究, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 深入研究冰冻圈与气候相互作用的物理过程与反馈机制, 进而科学地预估未来气候与冰冻圈变化, 这是气候系统研究中最为关切的内容之一。然而, 目前全球和区域气候模式在处理冰冻圈物理过程方面还比较粗糙, 是提高气候系统模式耦合模拟能力的瓶颈之一, 亟待改进。气候模式中对冰冻圈要素变化物理过程的认识程度是改进气候模式模拟效果的关键之一, 特别是在提高和改进模式预测效果和精度方面。因此, 准确描述冰冻圈变化的物理过程和参数化方案, 是气候模式在今后相当长的一段时期内的发展方向之一。为此, 必须把针对冰冻圈变化物理过程的大量观测结果的分析研究和参数化改进结合起来, 同时, 重点解决冰冻圈物理过程的计算方法问题, 进而利用耦合冰冻圈过程的气候系统模式, 开展冰冻圈分量对全球和区域气候变化作用的数值模拟, 是当前冰冻圈科学面临的关键科学问题之一。（3）准确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不同要素变化到底产生了什么影响、影响在时间和空间尺度上的范围有多大, 影响是否存在阈值等, 均是目前关注的重点, 同时也是科学上取得突破的难点。例如, 冰川变化对水文过程和水资源的影响, 在气候持续变暖背景下, 冰川融水的增加过程及出现突变点的时间是关注的焦点, 问题的复杂性在于, 对于单条冰川, 通过观测和模拟, 可能获得其融水出现拐点的时间阈值范围(前提是气候预估是较准确的), 但在一个流域内, 有许多不同规模的冰川存在, 它们对气候敏感程度和响应过程存在较大差异, 在更加关注的流域尺度冰川融水的变化过程及阈值范围就难以确定, 需要在理论、方法和手段上创新认识。这只是对冰川而言的, 而冰冻圈其它要素各自变化所产生影响的主要对象及问题不同, 由此所导致的对冰冻圈变化影响的研究难以有统一的方法和手段, 尽管如此, 其问题的实质是要解决准确认识冰冻圈变化影响的时空尺度与程度问题。（4）冰冻圈变化影响的脆弱性、适应能力评价体系及其空间分异规律是冰冻圈变化适应机理的关键问题如何适应由于冰冻圈变化所导致的气候、生态、水文与环境影响, 及由此引发的社会经济问题, 国际上还没有可资借鉴的先例。这方面的研究具有创新和开拓性。科学适应冰冻圈变化影响的前提是要认识受影响地区、影响对象的脆弱性程度、适应能力及其分异规律, 在此基础上才能评估受影响可能带来的风险, 进而分析存在不同风险条件下, 采取不同措施产生的成本与效益, 为最终提出有针对性的、合理的科学适应途径奠定基础。在适应冰冻圈影响的这一科学分析链条上, 问题的关键是受冰冻圈影响地区、影响对象的脆弱性、灾害风险如何评价, 在众多影响因子中如何较准确、科学地遴选出能够代表和反映受冰冻圈影响的脆弱程度, 因此需要在脆弱性评价方法和指标体系上寻求突破；同时, 由于冰冻圈变化影响的链式效应与区域显著差异性, 需要在区域类型划分上取得突破（）。图5 图5 冰冻圈变化影响的适应机理关键科学问题示意图 Proposed streamline in studying the adaptation methods for the impacts of cryospheric changes3.2 未来研究重点（1）冰冻圈动态过程及其变化的响应机理研究围绕冰冻圈动态过程及其对气候变化的响应机理, 以我国冰冻圈诸要素观测网络为基础, 以全球不同类型区冰冻圈监测为参照, 开展不同类型和规模的冰川变化、机理和模拟预测, 分析冰川变化区域差异及其控制机理；开展不同区域冻土活动层土壤含水量及地温动态变化和冻融过程, 模拟预测气候变化背景下多年冻土温度、活动层水热条件的变化；以发展山区、高原等特殊下垫面积雪遥感方法为基础、以台站观测数据为依据, 融合和同化生成北半球高精度积雪数据产品, 系统探讨北半球季节性积雪的时空变化规律, 阐明陆地季节性积雪变化的区域差异及其对气候变化的响应机理。以我国在两极地区的科学考察和观测系统为依托, 研究南极冰盖典型冰流系统的动力过程及其对气候系统的响应机制, 预估其未来变化; 系统研究在全球变暖背景下, 北极海冰的时空变化特征, 以及海冰变化与海洋和大气环流变化的关系, 特别是影响东亚气候变化的过程和机理, 为我国季节气候趋势预测提供科学依据。（2）冰冻圈与气候相互作用关系研究基于本项目及现有的冰冻圈观测数据, 在有关积雪、冻土和陆面过程参数化方案研究和我国已有气候系统模式的基础上, 通过尺度转换、模式集成耦合、实证检验及模拟能力对比分析等途径, 开展冰冻圈过程与全球和区域气候系统模式的集成耦合, 建立和发展包括积雪、冻土和海冰分量模式的全球和区域耦合气候系统模式。利用新发展的冰冻圈过程全耦合全球和区域气候系统模式, 深入研究冰冻圈和气候相互作用的物理过程与反馈机制, 定量评估冰冻圈在全球和区域气候变化中的作用, 开展不同典型浓度路径（RCP）下21世纪全球和东亚区域气候与冰冻圈变化情景的预估研究, 提升对气候系统变化的科学认识水平, 减小气候系统模拟和未来气候变化预估的不确定性。（3）冰冻圈变化影响的多因素关联过程及其互馈与耦合机制研究在冰冻圈陆面过程模式的基础上, 发展融合冰川、积雪和冻土变化的分布式水文模型, 并通过多变量、分布式的模型验证, 减少对水文过程模拟的不确定性；定量评估不同时空尺度寒区流域径流对气候变化的响应。揭示不同冰冻圈变化对生态系统影响的生物过程与化学过程及其互馈作用机理, 明确冰冻圈变化对生态系统的影响程度、途径与时空变异性；认识冻土和积雪变化对陆地生态系统碳氮循环的影响, 预估未来冰冻圈变化对我国寒区生态系统分布与功能的影响及其碳源汇效应。定量评价全球冻土中碳库及其变化、冻土区CO2和CH4的地-气交换通量及影响机制, 评价冻土和活动层变化对全球碳循环和碳源汇效应的影响。通过选取冰川冻土灾害突出的流域和区域, 开展以我国典型冰川冻土灾害为核心的监测、模拟和预测, 研究冰川冻土灾害的成灾机理、灾害的变化过程及其驱动机制。（4）冰冻圈变化影响的综合分析及适应机理研究以全球视野分析冰冻圈诸要素变化的各自特点及其关联性, 综合评估冰冻圈变化的程度、影响的关键对象及影响的区域性差异, 从宏观上把握和认识全球冰冻圈变化的程度及对气候响应的时空规律。在适应机理方面, 需要以典型案例研究为切入点, 以冰冻圈诸要素变化为主线开展工作。例如, 以阿克苏河与疏勒河为典型流域, 长江黄河源区与喜马拉雅山地区中段南北坡为典型地区, 围绕水、生态、灾害风险与社会经济三个核心问题, 开展冰冻圈变化对农牧业、重大工程、农牧民生计、村镇建设、冰雪旅游等方面的综合影响研究, 评估典型流域/地区的脆弱性、适应能力, 揭示其区域空间分异规律, 集成适应对策。研究重点集中在冰冻圈水资源变化对社会经济系统影响链分析与适应机制研究、冰冻圈生态系统脆弱性与社会经济系统适应机制研究、冰冻圈变化灾害风险与社会经济系统适应机制研究、冰冻圈变化的综合影响与适应对策集成研究等方面。4.结 语以冰冻圈要素为研究主体、以冰冻圈水热与动力过程为研究主线, 紧密围绕冰冻圈变化机理、冰冻圈与气候相互作用关系、冰冻圈变化的影响和适应4个重大科学问题, 在单要素机理与过程研究基础上, 重点以冰冻圈各重大问题为核心, 在综合和集成层面上开展研究。以全球的视野审视冰冻圈的变化过程, 从有机耦合的角度探讨气候模式中的冰冻圈过程, 以多因素、多过程综合与集成的手段辨析冰冻圈变化的影响, 从方法创新上寻求科学评估冰冻圈变化脆弱性及适应性的突破途径。将研究的总体目标集中在2条主线上, 即一是研究主线, 以冰冻圈与气候变化为主体, 重点考虑国际热点和未来发展态势的需求, 二是科学目标主线, 以丰富和完善冰冻圈科学的内涵和外延为追求目标, 突出冰冻圈变化的影响研究, 为适应和应对冰冻圈变化影响夯实科学基础。这些构成了冰冻圈未来研究的总框架。根据上述总体框架下, 考虑到冰冻圈研究特点及我国已有的研究基础, 在研究途径上以全球视野为出发点, 点、区域和全球结合为主要研究途径。在机理、过程的精细分析方面突出点、面结合, 在区域差异性方面强调宏观对比, 在流域和区域多要素集成研究方面关注冰冻圈各要素耦合机制及在流域和区域上的综合效应, 在多学科综合研究方面重点着眼于相互作用关系中冰冻圈要素的影响及作用。致谢：本文材料准备过程中, 任贾文、刘时银、吴青柏、金会军、武炳义、王宁练、罗勇、叶柏生、王根绪、张廷军、赵林、林岩銮、李忠勤、盛煜、陈仁生、杨建平、车涛、王伟、苏杰、宜树华等参与多次讨论、提供材料及提出建议, 由于人员较多, 在作者署名上没有一一列出, 在此一并致谢！尤其是叶柏生研究员在本文成文之际, 他却在青藏高原野外考察中不幸遇难, 血洒冰冻圈、魂归青藏高原, 令人不甚悲痛和惋惜。借此机会并以此文, 深表对他的怀念和悼念之情。中国科学院青藏高原冰冻圈野外观测研究站、天山冰川观测研究站、冰冻圈科学国家重点实验室托木尔峰冰川站及唐古拉冰冻圈水文综合观测研究站提供数据支持, 深表谢忱!王文华、赵传成、王世金、上官冬辉等和王建等提供技术支持, 表示感谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
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... WCRP- CliC[1]计划启动之初首次提出了“冰冻圈科学（cryospheric sciences）”概念, 将冰川、冰盖、冻土、海冰、积雪等纳入到统一圈层系统, 进行集成研究 ...
... 在受气候变化影响的诸环境系统中, 冰冻圈变化首当其冲, 是全球变化最快速、最显著、最具指示性、也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层, 被认为是气候系统多圈层相互作用的核心纽带和关键性因素之一[2] ...
... 冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[3～6] ...
... 冰冻圈作为气候系统的重要组成部分, 不仅受气候变化影响, 而且极地冰盖、山地冰川、积雪、海、湖、河冰等冰冻圈要素在不同时间和空间尺度上通过复杂的反馈过程对气候有重要的调节作用[3～6] ...
Chinese Journal of Atmospheric Sciences. ):683 - 693
LI Zhenkun, ZHU Weijun, WU Bingyi
李震坤, 朱伟军, 武炳义
An improved frozen soil parameterization scheme is introduced and its effects on climate in East Asia are investigated by using the latest version of general circulation model (GCM) CAM3.1 developed at NCAR. Simulation results show that the improved soil freezing process leads to enhanced heating of the earth?s surface by the atmosphere over most parts of Eurasia in winter, while it leads to enhanced heating of the atmosphere by the earth's surface in summer, especially the abnormal heating is significantly strengthened over the Tibetan Plateau. The climate in East Asia is very sensitive to the frozen soil parameterization with notable change of the surface air temperature in both winter and summer. With the improved soil freezing process, the simulated Siberian high is enhanced and the East Asia trough move the East Asian summer monsoon is intensified, and the western Pacific Ocean subtropical high extends northwestward, resulting in increasing rainfall in northern China and the middle and lower reaches of the Yangtze River and decreasing rainfall in South China. These results may have meaningful implications for improving the performance of GCM to simulate the climate in East Asia.
本文在改进了大气环流模式NCAR CAM3.1中的土壤冻融过程参数化的基础上, 模拟研究了改进的冻土过程对东亚气候模拟的影响。模拟结果分析表明, 改进冻融过程参数化后, 冬季欧亚大陆上大部分地区大气对地表的加热偏强, 而夏季地表对大气的加热偏强, 尤其是青藏高原对大气的加热作用显著增强。东亚气候对冻土过程参数化方案非常敏感, 冬、 夏两季地表气温都有显著的变化。在模式中合理考虑土壤冻融过程后, 模拟的冬季西伯利亚高压增强, 东亚大槽位置偏西; 东亚夏季风增强, 副热带高压增强西伸和偏北, 造成华北和长江中下游降水偏多, 华南降水偏少。此结果对改进气候模式对东亚气候模拟能力有重要意义。
... 一些初步研究结果显示, 采用更为合理的冻土冻融物理过程参数化方案, 可以更好地模拟东亚冬、夏季风和我国北方夏季降水[7] ...
China Basic Science. 2009, (3):4 - 10
DingYongjian[1];QinDahe[2]
丁永建[1];秦大河[2]
本文从冰川的水文水资源效应、冻土的生态、气候和工程效应、积雪的水文及气候效应等方面论述了冰冻圈在我国社会经济发展中的影响与重要作用.在此基础上,着重根据近40年来我国冰冻圈变化的实际情况,论述了冰冻圈变化对水资源、生态、工程、灾害和气候所产生的一些影响.最后根据国内外冰冻圈研究发展趋势,总结了我国冰冻圈研究所面临的机遇、挑战与发展建议.
... 3 冰冻圈变化的影响研究冰冻圈变化影响日益广泛[8], 在全球和区域尺度上准确辩识冰冻圈变化的影响程度与时空范围, 阐明适应机理, 对科学应对全球变化具有重要的现实意义 ...
Science. 90):291-296
P. Falkowski1,, R. J. Scholes2,, E. Boyle3, J. Canadell4, D. Canfield5,, J. Elser6,, N. Gruber7,, K. Hibbard8,, P. H?gberg9, S. Linder10,, F. T. Mackenzie11,, B. Moore III8,, T. Pedersen12,, Y. Rosenthal1,, S. Seitzinger1,, V. Smetacek13, W. Steffen14,
1Institute of Marine and Coastal Sciences, Rutgers University, 71 Dudley Road, New Brunswick, NJ 08901, USA.2Council of Scientific and Industrial Research, Environmental Division, Post Office Box 395, Pretoria 0001, South Africa.3Earth, Atmospheric, and Planetary Science Department, Massachusetts Institute of Technology, 42 Carleton Street, Mail Code:E34-258, Cambridge, MA 0, USA.4Global Change and Terrestrial Ecosystems International Project Office, Commonwealth Scientific and Industrial Research OrganisationWildlife and Ecology, Post Office Box 284, Canberra, Australian Capital Territory, 2601, Australia.5Institute of Biological Sciences, Odense University, 5230 Odense, Denmark.6Department of Zoology, Arizona State University, Temple, AZ 8, USA.7Institute of Geophysics and Planetary Physics and Department of Atmospheric Sciences, 5853 Slichter Hall, University of California,Los Angeles, CA 9, USA.8Institute for the Study of Earth, Oceans, Space, University of New Hampshire, Morse Hall, 39 College Road, Durham, NH 03824,USA.9Department of Forest Ecology, Swedish University of Agricultural Sciences, S-901 83 Umea, Sweden.10Department for Production Ecology, Swedish University of Agricultural Sciences, Post Office Box 7042, S750 07 Uppsala, Sweden.11Department of Oceanography, SOEST, University of Hawaii, Honolulu, HI, 96822, USA.12Department of Earth and Ocean Sciences, University of British Columbia, Vancouver, BC V6T 1Z4, Canada.13Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Am Handelshafen 12, 27570 Bremerhaven, Germany.14IGBP Secretariat, Royal Swedish Academy of Sciences, Box 50005 Lilia Frescativagen 4, S-10405 Stockholm, Sweden.+To whom correspondence should be addressed. E-mail:
... 在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[9,10] ...
Climatic Change. ):251-298
Larry D. Hinzman(1), Neil D. Bettez(2), W. Robert Bolton(1), F. Stuart Chapin(1), Mark B. Dyurgerov(3), Chris L. Fastie(4), Brad Griffith(12), Robert D. Hollister(5), Allen Hope(6), Henry P. Huntington(7), Anne M. Jensen(8), Gensuo J. Jia(9), Torre Jorgenson(10), Douglas L. Kane(1), David R. Klein(1), Gary Kofinas(1), Amanda H. Lynch(11), Andrea H. Lloyd(4), A. David McGuire(12), Frederick E. Nelson(13), Walter C. Oechel(6), Thomas E. Osterkamp(1), Charles H. Racine(14), Vladimir E. Romanovsky(1), Robert S. Stone(15), Douglas A. Stow(6), Matthew Sturm(14), Craig E. Tweedie(5), George L. Vourlitis(16), Marilyn D. Walker(17), Donald A. Walker(1), Patrick J. Webber(5), Jeffrey M. Welker(18), Kevin S. Winker(1), Kenji Yoshikawa(1)
1.University of Alaska Fairbanks, Water and Environmental Research Center, P.O. Box 7 Duckering Building, Fairbanks, Alaska, 2.Marine Biological Laboratory, U.S.A.3.University of Colorado, U.S.A.4.Middlebury College, U.S.A.12.US Geological Survey, U.S.A.5.Michigan State University, U.S.A.6.San Diego State University, U.S.A.7.Huntington Consulting, U.S.A.8.Ukpea?vik I?upiat Corporation, U.S.A.9.Colorado State University, U.S.A.10.Alaska Biological Research, U.S.A.11.Monash University, Australia13.University of Delaware, U.S.A.14.Cold Regions Research and Engineering Laboratory, U.S.A.15.National Oceanic and Atmospheric Administration, U.S.A.16.California State University, San Marcos, U.S.A.17.US Forest Service, U.S.A.18.University of Alaska Anchorage, U.S.A.
The Arctic climate is changing. Permafrost is warming, hydrological processes are changing and biological and social systems are also evolving in response to these changing conditions. Knowing how the structure and function of arctic terrestrial ecosystems are responding to recent and persistent climate change is paramount to understanding the future state of the Earth system and how humans will need to adapt. Our holistic review presents a broad array of evidence that illu the Arctic is undergoing a system-wide response to an altered climatic state. New extreme and seasonal surface climatic conditions are being experienced, a range of biophysical states and processes influenced by the threshold and phase change of freezing point are being altered, hydrological and biogeochemical cycles are shifting, and more regularly human sub-systems are being affected. Importantly, the patterns, magnitude and mechanisms of change have sometimes been unpredictable or difficult to isolate due to compounding factors. In almost every discipline represented, we show how the biocomplexity of the Arctic system has highlighted and challenged a paucity of integrated scientific knowledge, the lack of sustained observational and experimental time series, and the technical and logistic constraints of researching the Arctic environment. This study supports ongoing efforts to strengthen the interdisciplinarity of arctic system science and improve the coupling of large scale experimental manipulation with sustained time series observations by incorporating and integrating novel technologies, remote sensing and modeling.
... 在全球变化背景下, 冰冻圈变化对生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的作用日趋加剧, 对全球尺度的水循环、碳循环、大气环流以及区域尺度的生物多样性、生态系统分布格局与功能、水资源和经济社会发展等方面的影响日益广泛而深远[9,10] ...
... 过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[11,12] ...
Climatic Change. -4):213-241
Jed O. Kaplan(1), Mark New(2)
1.Institute of Plant Sciences, University of Bern, Altenbergrain 21, 3013, Bern, Switzerland2.Climate Research Lab, Centre for the Environment, Oxford University, South Parks Road, Oxford, OX1 3QY, England
The signatories to United Nations Framework Convention on Climate Change are charged with stabilizing the concentrations of greenhouse gases in the atmosphere at a level that prevents dangerous interference with the climate system. A number of nations, organizations and scientists have suggested that global mean temperature should not rise over 2?C above preindustrial levels. However, even a relatively moderate target of 2?C has serious implications for the Arctic, where temperatures are predicted to increase at least 1.5 to 2 times as fast as global temperatures. High latitude vegetation plays a significant role in the lives of humans and animals, and in the global energy balance and carbon budget. These ecosystems are expected to be among the most strongly impacted by climate change over the next century. To investigate the potential impact of stabilization of global temperature at 2?C, we performed a study using data from six Global Climate Models (GCMs) forced by four greenhouse gas emissions scenarios, the BIOME4 biogeochemistry-biogeography model, and remote sensing data. GCM data were used to predict the timing and patterns of Arctic climate change under a global mean warming of 2?C. A unified circumpolar classification recognizing five types of tundra and six forest biomes was used to develop a map of observed Arctic vegetation. BIOME4 was used to simulate the vegetation distributions over the Arctic at the present and for a range of 2?C global warming scenarios. The GCMs simulations indicate that the earth will have warmed by 2?C relative to preindustrial temperatures by between 2026 and 2060, by which stage the area-mean annual temperature over the Arctic (60–90?N) will have increased by between 3.2 and 6.6?C. Forest extent is predicted by BIOME4 to increase in the Arctic on the order of 3 × 106 km2 or 55% with a corresponding 42% reduction in tundra area. Tundra types generally also shift north with the largest reductions in the prostrate dwarf-shrub tundra, where nearly 60% of habitat is lost. Modeled shifts in the potential northern limit of trees reach up to 400 km from the present tree line, which may be limited by dispersion rates. Simulated physiological effects of the CO2 increase (to ca. 475 ppm) at high latitudes were small compared with the effects of the change in climate. The increase in forest area of the Arctic could sequester 600 Pg of additional carbon, though this effect is unlikely to be realized over next century.
... 过去50年来, 伴随气候持续变暖和冻土退化, 北极地区灌丛带大范围扩张与森林带北移, 苔原大幅度萎缩, 生物量增加的同时生物物种多样性减少[11,12] ...
Science. 84):
J. Lenoir1,, J. C. Gégout1, P. A. Marquet2,3,4, P. de Ruffray5, H. Brisse6
1 AgroParisTech, UMR 1092, Laboratoire d'Etude des Ressources Forêt-Bois (LERFoB), 14 rue Girardet, F-54000 Nancy, France.2 Center for Advanced Studies in Ecology and Biodiversity (CASEB), Departamento de Ecologia, Pontificia Universidad Católicade Chile, Alameda 340 C.P. 6513677, Santiago, Chile.3 Institute of Ecology and Biodiversity (IEB), Casilla 653, Santiago, Chile.4 Santa Fe Institute, 1399 Hyde Park Road, Santa Fe, NM 87501, USA.5 CNRS, Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP), Université Louis Pasteur, 12 Rue du Général Zimmer, F-67084 StrasbourgCedex, France.6 CNRS, UMR 6116, Institut Méditerranéen d'Ecologie et de Paléoécologie (IMEP), Faculté des Sciences de Saint Jér?me, case461, F-34397 Marseille Cedex 20, France.* To whom correspondence should be addressed. E-mail:
... 欧洲西北部随山地冰川、冻土退化和积雪格局变化, 高山植物的向上迁移速率达到每10年29米, 且高山植被分布与结构的较大规模改变将十分迅速[13] ...
... 需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[13,15] ...
... 2%[14] ...
... 冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[14], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[15] ...
... 由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[14,15] ...
Nature is the international weekly journal of science: a magazine style journal that publishes full-length research papers in all disciplines of science, as well as News and Views, reviews, news, features, commentaries, web focuses and more, covering all branches of science and how science impacts upon all aspects of society and life.
... 需要迫切解决的问题是随气候持续变暖, 冰冻圈要素在多大程度上和如何影响陆地生态系统的分布格局与功能, 是否存在时空阈限[13,15] ...
... 冻土的碳库是大气圈2倍多, 介于植被和土壤碳库之间[14], 而且多年冻土区土壤有机碳库具有随深度显著增加的特征[15] ...
... 由于冻土碳库变化受制于多种因素的影响, 其碳循环过程与机理尚不清楚, 因此如何准确估算冻土碳库变化及其全球气候影响（如对CO2的估算就遇到技术瓶颈）, 特别是冻土中长期累积的碳库所释放的量与时间以及冻土碳源汇转换的时间节点等是关注的核心问题[14,15] ...
... 在全球气候变暖背景下, 冻土退化无疑会加速多年冻土区的碳源效应转换[16] ...
... 在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[16,17] ...
... 在北极地区的观测事实表明, 随地温升高, 冻土中CH4释放速率持续增加, 近30年中 CH4排放增加了22%-60%[16,17] ...
. ):615-619
The Arctic soil organic-carbon pool is a significant, but poorly constrained, carbon store. The most cited pool size estimates are based on a study that severely undersamples Arctic soils, with only five out of the 48 soils examined actually from the Arctic region. Furthermore, previous measurements have been confined to the top 40&cm of soil. Here, we present 1-m-deep measurements of soil organic carbon obtained at 117 locations in the North American Arctic region. To this dataset we add previously published measurements to generate a total sample size of 139 North American Arctic soils. We show that soil organic-carbon stores are highly dependent on landscape type, being highest in lowland and hilly upland soils, where values average 55.1 and 40.6 kg soil organic carbon m-2 respectively, and lowest in rubbleland and mountain soils, where values average 3.4 and 3.8&kg soil organic carbon m-2 respectively. Extrapolating our measurements using known distributions of landscape types we estimate that the total organic carbon pool in North American Arctic soils, together with the average amount of carbon per unit area, is considerably higher than previously thought. Our estimates of the depth distribution and total amount of organic carbon in North American Arctic soils will form an important basis for studies examining the impact of climate warming on CO2 release in the region.
... 冰冻圈变化直接影响冰川冻土灾害发生频率、程度与影响范围[18] ...
... 山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[19～21] ...
... 山地冰川消融退缩和冰湖扩张, 已引起了冰湖溃决洪水、冰川泥石流等重大冰川灾害发生频率加剧和影响程度加大[19～21] ...
... 因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[22,23] ...
Arid Land Geo. 2008, (4):524 - 534
SHENYong-ping[1];WANGGuo-ya[1];ZHANGJian-gang[2];ZHANGJiao[1];WANGShun-de[3];GAOQian-zhao[1]
沈永平[1];王国亚[1];张建岗[2];张姣[1];王顺德[3];高前兆[1]
在人类活动的影响下,阿克苏河下游绿洲呈现出气候变化特征的差异.其中,阿克苏市夏季气温以0.20℃/10 a的速率在升高,而阿拉尔由于受绿洲效应的影响,夏季气温却以-0.27℃/10a的速率呈下降趋势.人类干预已经成为阿克苏绿洲水资源变化的主导因素.为农业开发修建的拦河闸引水、水库蓄水等已改变了河道径流的年内变化,与中游西大桥水文站相比,位于下游的阿拉尔水文站夏季径流比重上升,春季下降.尽管近50年来天然来水量在不断增加,但由于垦植面积的扩大和粗放型农业的发展,使灌溉引水和人类活动耗水不断增加,从而导致阿克苏河补给塔里木河的水量明显减少,阿拉尔水文站年径流量持续减少,径流量减少达17.64%.阿克苏河西大桥站水质在各时期均为I级清洁水质,塔里木河阿拉尔的水质在绿洲农业大规模开发之前,河水未受到人为干扰,水质良好;而经过绿洲耕地开发和垦植洗盐,河水矿化度不断增加,阿拉尔站河水枯水期矿化度由1960年的0.67g/L增加到2000年的5.27 g/L.人类活动改变了地表水的地域分配,从而影响到地下水的补给,使地下水的水位和水质发生盐化.大量引用河水漫灌,导致阿克苏河绿洲地下水位抬升,地表蒸发强烈,造成盐分积累,土壤次生盐渍化严重.
... 因此, 需要扩展和深化对地球系统的研究, 即强化全球环境变化与可持续发展的综合和交叉研究[22,23] ...
Science. 38):245-245
Walter V. Reid1, Catherine Bréchignac2 and Yuan Tseh Lee3
Walter V. Reid is chair of the ICSU Earth System Visioning Task Group, directed the Millennium Ecosystem Assessment, and isConservation and Science Director at the David and Lucile Packard Foundation, Los Altos, CA. Catherine Bréchignac is president of ICSU and president of the Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, France.Yuan Tseh Lee is president-elect of ICSU; President Emeritus and Distinguished Research Fellow at the Academy of Scienceslocated in T and received the Nobel Prize in Chemistry.
Human-induced climate change was unknown outside of limited scientific circles just 25 years ago, but it has now become thefocus of intense national discussions and international negotiations. One chapter in the story of how this issue moved fromlab benches to national capitals was recognized by the 2007 Nobel Peace Prize, which was co-awarded to the IntergovernmentalPanel on Climate Change (IPCC) for its influential assessments of the state of scientific knowledge. But the story also involve in particular, that catalyzed by the Global Environmental Change Research Programmes* and the Earth SystemScience Partnership. These programs, sponsored by the International Council for Science (ICSU) in partnerships with otherinternational science organizations (), have helped to catalyze and guide global environmental research for several decades. But it's time to propose new researchpriorities, and ICSU seeks input through a Web consultation process now under way.
... 在气候变化文献中, 大多学者认为适应性应是预期的（anticipatory）、易反应的（reactive）, 且取决于系统的自发性（spontaneity）程度[24] ...
Science. 06):916-917
W. V. Reid1,, D. Chen2, L. Goldfarb2, H. Hackmann3, Y. T. Lee2, K. Mokhele4, E. Ostrom5, K. Raivio2, J. Rockstr?m6, H. J. Schellnhuber7 and A. Whyte8
1David and Lucile Packard Foundation, Los Altos, CA 94022, USA.2International Council for Science (ICSU), 75116 Paris, France.3International Social Science Council (ISSC), 75732 Paris, France.4National Research Foundation of South Africa, Pretoria, 0001, South Africa.5Indiana University, Bloomington, IN 47408, USA.6Stockholm Environment Institute, SE-106 91 Stockholm, Sweden.7Potsdam Institute for Climate Impact Research, 14473 Potsdam, Germany.8Environment and Natural Resources, International Development Research Centre, Ottawa K1G 3H9, Canada.*Author for correspondence:
Tremendous progress has been made in understanding the functioning of the Earth system and, in particular, the impact of humanactions (1). Although this knowledge can inform management of specific features of our world in transition, societies need knowledgethat will allow them to simultaneously reduce global environmental risks while also meeting economic development goals. Forexample, how can we advance science and technology, change human behavior, and influence political will to enable societiesto meet targets for reductions in greenhouse gas emissions to avoid dangerous climate change? At the same time, how can wemeet needs for food, water, improved health and human security, and enhanced energy security? Can this be done while alsomeeting the United Nations Millennium Development Goals of eradicating extreme poverty and hunger and ensuring ecosystem integrity?
... 气候变化会导致冰冻圈诸要素的敏感响应, 冰冻圈变化的实质是相变过程, 但在这一看似很简单的固液态水转变过程中, 由于冰川、积雪、冻土、海冰等变化的时空尺度差异很大, 其动力响应过程[25]和水热变化过程因冰冻圈要素而异, 对气候响应的时间从小时到百年甚至万年(如多年冻土、冰盖), 热力差异从相变热到对地面反射率的改变而影响全球能量分布, 这样的差异将会导致冰冻圈各要素变化对气候、生态、水文及环境的影响在时空尺度上的巨大差异（图4） ...
. ):282???292-null
Journal of Glaciology and Geocryology. ):201 - 208
LI Hui-lin, LI Zhong-qin, SHEN Yong-ping, WANG Fei-teng, WANG Wen-bin
李慧林, 李忠勤, 沈永平, 王飞腾, 王文彬
Key Laboratory of Cryosphere and Environment/Tianshan Glaciological Station, CAREERI, CAS, Lanzhou Gansu 730000, China
Alpine glaciers are sensitive to changes in temperature and precipitation.The shrinkage of alpine glaciers in the twentieth century is on a global scale.For a number of glaciers,the rate of shrinkage appears to have accelerated toward the end of the century.However,the current acceleration of glacier melting apparently has not been predicted by most glacier models.As glacier dynamic models perform satisfactorily for describing physical processes and long-term evolution of glaciers,they likely become a potential tool to reveal the current changes of Alpine glaciers.In this paper,developing history,application conditions,advantages and disadvantages of three dynamic models(frequencyresponse model,factor of profile model,and ice flow model) are discussed.The particular focus is on theirapplicability for the glaciers in China.It indicates that these models may be effective if more data,e.g.glacier mass balance,thickness,surface velocity,and temperature etc.are observed,especially on different kind of glaciers.GIS and remote sensing data can also be employed as supplementary.In addition,as a case study,different models have been applied to Glacier No.1 at headwater of &Ur&qi River for its future variation predication.The result indicates that the response time of the glacier is in a magnitude of over one hundred year.The parameter optimizing,modeling processes and all outcomes are presented and discussed in this paper.
冰川动力学模式以其优越的物理过程描述能力,在冰川变化的预测研究中占有重要地位.其中&频率响应模式&、&剖面形状因子模式&和&冰流模式&较为成熟,并且具备对山岳冰川演变的模拟分析能力.从发展历史、主要利弊以及适用条件和范围几个方面,对上述3种模式进行了讨论,并对其在我国冰川上的运用前景进行了探讨.
冰冻圈变化及其影响研究的主要科学问题概论
[丁永建1,2, 效存德1,3]}
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