基于Landsat系列卫星遥感影像、 SRTM DEM和TanDEM-X DEM对喀喇昆仑山中部Shigar流域不同类型冰川的面积变化、 物质平衡进行了分析。结果表明： 1993—2016年间Shigar流域内有25条跃动冰川（面积增加1.30 km2）， 68条前进冰川（面积增加0.86 km2）， 50条退缩冰川（面积减少3.48 km2）， 376条稳定冰川（面积减少1.34 km2）。跃动冰川的冰川长度和规模均集中在较大范围内， 前进冰川的规模略高于退缩冰川， 退缩冰川多为小规模冰川， 特大规模冰川保持稳定状态； 不同类型冰川的空间分布差异较大， 且不同海拔带内水热组合条件不一致也影响冰川运动状态。2000—2013年间， 流域内跃动冰川物质平衡为（+0.17±0.03） m w.e.·a-1， 前进冰川物质平衡为（-0.01±0.03） m w.e.·a-1， 退缩冰川物质平衡为（-0.22±0.03） m w.e.·a-1， 稳定冰川物质平衡为（-0.01±0.03） m w.e.·a-1。四类冰川表面高程变化随归一化冰川长度的变化模式以及不同海拔带内和不同坡度区间的冰川表面高程变化显示： 跃动冰川主要特征是积累区物质积累量大； 前进冰川上部物质积累并且向下运动推动冰川末端前进； 退缩冰川消融区物质亏损量大使得冰川末端退缩。
在西藏阿里地区狮泉河上游的大、小昂龙冰川开展了连续2年（2014—2016年）的冰川变化地面观测，主要包括冰川表面物质平衡与差分GPS高程变化同步观测，以及冰川表面流速观测，冰川末端观测和冰川雷达测厚。观测结果表明：大、小昂龙冰川表面物质平衡与同期差分GPS观测结果之间存在差异。冰川表面物质平衡结果显示，2014—2016年间，大、小昂龙冰川分别以每年72 mm w.e.和219 mm w.e.的速率减薄。差分GPS观测结果显示，同期大、小昂龙冰川分别以每年（442±90） mm w.e.和（265±90） mm w.e.的速率减薄；在2015/2016年，大、小昂龙冰川表面平均流速分别为4.4 m·a-1和2.3 m·a-1，其中大昂龙冰川表面平均流速较上一物质平衡年增加了10.5%；2014—2016年间，小昂龙冰川先是前进了11 m，之后又退缩了34 m，两年内平均每年退缩11.5 m；大昂龙冰川平均冰厚为67.9 m，实测最大厚度为216 m，根据雷达测厚数据插值计算的冰川储量为0.452 km3；小昂龙冰川实测最大厚度为190 m。
基于天山乌鲁木齐河源1号冰川东支海拔4 025 m处自动气象站的观测数据和同期物质平衡花杆观测数据，采用COSIMA模型，对该冰川东支2018年消融期单点能量-物质平衡进行了模拟。结果显示：物质平衡模拟值为（-0.67±0.03）m w.e.，与实测值有非常好的一致性，相关系数达0.96。造成冰川消融的能量来源于净短波辐射（84%）、感热通量（16%）；冰川能量支出为净长波辐射（55%）、冰川消融耗热（32%）、潜热交换（7%）及地热通量（6%）。受能量收支影响，模拟物质平衡主要取决于表面消融和固态降水。与我国其他区域大陆型冰川研究结果比较发现，乌鲁木齐河源1号冰川物质损失较为显著，能量通量主要取决于海拔以及气候条件，再冻结和固态降水显著小于羌塘1号冰川和扎当冰川，推测与单条冰川所处的大气环流有关。
深入了解全球变暖背景下青藏高原东南部海洋型冰川的变化趋势及其对气候变化的响应，对认识不同类型冰川对气候变化的响应方式有重要意义。根据Landsat系列遥感影像和数字高程等数据提取了青藏高原东南部雀儿山地区1987—2016年期间多年的冰川边界，并对其变化过程和特征进行了分析。结果表明：1987—2016年雀儿山地区冰川面积持续减小，变化率为（-1.69±0.87）%·a-1，为青藏高原众多山系中变化最大的之一。研究区冰川消融主要发生在规模<1 km2的小型冰川及海拔5 200 m以下的冰川消融区，其中西南方向的冰川退缩速率最大。气象数据分析结果显示，1987—2016年雀儿山地区夏季平均气温总体上升了1.58 ℃，平均升温速率为0.33 ℃?（10a）-1。由于夏季平均气温与冰川变化过程有显著的相关性，而同期年降水量无明显变化，由此推测，夏季平均气温的上升是雀儿山地区冰川快速退缩的主因。此外，相对于单纯基于光谱特征提取冰川信息，结合地形阴影模拟数据进行遥感冰川分类在一定程度上可以提高分类精度。
长度是冰川的重要几何参数，对于认识冰川动态特征和模拟冰川厚度具有重要价值。基于阿尔金山第一次和第二次冰川编目数据及Landsat OLI遥感影像，利用冰川中流线方法提取了阿尔金山1970年、2010年和2016年的冰川长度数据，并结合气象资料分析了冰川长度对气候变化的响应。结果表明：2016年阿尔金山共有冰川507条，面积272.95 km2，平均长度为1.02 km，长度为2~5 km和0.2~1 km的冰川分别构成了该山系冰川面积和数量的主体。1970—2016年阿尔金山冰川面积减少了53.07 km2（变化速率为-1.15 km2·a-1），冰川长度平均缩短了0.26 km（变化速率为-5.65 m·a-1），其中西段冰川长度相对变化速率明显快于东段，且2010—2016年冰川退缩速率明显快于1970—2010年，气温升高是导致阿尔金山冰川退缩的主要原因。冰川长度与冰川面积、周长有较强的相关性，冰川长度变化与冰川消融区面积变化及末端海拔上升有较强的正相关关系，即冰川消融区面积减少越多，冰川末端海拔上升越高，冰川末端长度的减少值也越大。
利用新疆89个地面站逐日积雪深度观测资料，研究探讨了1961—2017年新疆区域积雪期、积雪初日、积雪终日的时空变化规律，分析了北疆和天山山区积雪期的年代际和周期变化特征及其与气温、降水的关系。结果表明：新疆各地积雪期、积雪初日和终日存在明显的差异，积雪期以天山为界北多南少；从空间分布看，天山山区和新疆北部阿勒泰、塔城和伊犁河谷的大部地区是新疆积雪最丰富的地区，也是积雪期相对较长的区域。近57年来，北疆和天山山区78%气象站积雪期呈减少趋势，其中塔城地区和阿勒泰东部以及中天山一带的部分地区减少显著；67%气象站积雪初日推迟，显著推迟区域与积雪期显著减少的区域基本一致；积雪终日变化趋势不明显。北疆和天山山区积雪期存在2~3 a的短周期、14~15 a的长周期；积雪初日分别以12 a、15 a长周期振荡为主，但3~5 a短周期振荡出现的时段有所差异，两个区域积雪终日周期信号均较弱。北疆和天山山区积雪期、积雪初日和终日受气温的影响大于降水，其中积雪初日、终日出现的早晚与其所处季节的平均气温显著相关。
现阶段使用遥感数据监测湖冰物候特征已成为主要的技术手段。NPP-VIIRS是一个较新的卫星数据，它具有空间分辨率较高、波段数多、重访周期短等优点，使用该数据提取湖冰信息是对该领域的一个有益补充。基于NPP-VIIRS数据利用阈值法对拉昂错、玛旁雍错、佩枯错、普莫雍错等典型湖泊进行湖冰提取。获得四个湖泊逐日的冻结百分比，并分析了四个湖泊的冻融特征。结果表明：使用NPP-VIIRS能较好的提取湖冰信息；该地区湖泊冻融过程有风向蔓延和水流向加风向蔓延两种。气温（年负积温）是影响该地区湖冰面积最主要的因素，冻融过程主要受到风向、注入径流影响，地热资源也是影响因素之一。
为了研究喜马拉雅山北坡冬季大气气溶胶化学组分、光学特征及来源，2017年11—12月在珠穆朗玛峰站（QOMS）共采集22个PM2.5样品。结果显示：PM2.5中包括水溶性离子（WSIs）、有机质（OM）、元素碳（EC）在内的所有检测成分，总质量浓度为（3.36±1.06） μg?m-3；有机碳（OC）、元素碳（EC）和水溶性有机碳（WSOC）的浓度分别为（1.10±0.38）、（0.13±0.12）和（0.84±0.24） μg?m-3，浓度水平与偏远地区相当，低于季风前。碳质成分（OM+EC）占所有测试成分比例为73.6%，与之前珠峰站报道的研究结果相近。用PM2.5水溶性组分在365 nm处的光吸收效率（Abs365）来表征水溶性棕色碳（WS-BrC），它与WSOC、K+存在较好的相关性（R2=0.63、0.50），而与EC相关性弱（R2=0.01），说明水溶性棕色碳可能源于生物质燃烧和二次反应。MODIS火点信息和气团后向轨迹分析进一步表明，尼泊尔地区的燃烧活动是珠峰站冬季碳质气溶胶的重要来源。同时，喜马拉雅山脉独特的局地风场是污染物跨境传输至珠峰地区的重要原因。
黑碳被认为是除温室气体外对气候变暖贡献最大的辐射强迫因子。三极（北极、南极和青藏高原）地区是全球雪冰分布最集中的区域，沉积至雪冰中的黑碳可反映人类活动的历史变化，并可能导致反照率降低而影响物质能量平衡。通过系统回顾三极地区雪冰黑碳的研究方法、空间分布、时间变化及其造成的辐射强迫，得到的研究结果表明： 由于处于不同的地理位置和环境条件，三极雪冰中黑碳的时空分布及其辐射强迫差异较大，其中青藏高原是浓度和辐射强迫影响最大的地区，也是对水资源和生态安全潜在影响最严重的区域。三极地区雪冰中保存着长时间序列的黑碳沉积记录，是研究自然变率、人类活动影响黑碳沉积历史（如北极与青藏高原冰芯中记录的工业革命以来黑碳沉积的快速上升）的良好介质，同样为模型预测未来变化提供了数据支持。三极地区是全球变化的指示器和放大器，在全球变暖不断加剧的背景下，黑碳必然会在未来的三极地区气候演变中扮演更为重要的角色。
在全球气候持续变暖背景下，北极地区冻土退化、冰川退缩、海冰减少等导致了一系列的生态环境问题，同时也使得资源勘探开发与国际新航道开通成为可能，北极地区的重要性日益凸显。依据2009—2019年6月期间有关北极研究的408篇ESI高影响论文，对发文量、主要作者、研究机构、国家、研究方向等字段进行分析，从自然科学角度，宏观而概要地了解北极研究中最具影响力的研究力量、研究领域，为中国的北极研究提供最精要的科研信息整体分析，并通过内容分析揭示北极研究中的重要方面和中国在当前北极研究中存在的问题及或可行的策略途径。分析发现：美国引领并以绝对优势（论文数量、主要作者、机构、资助基金）占据北极研究领域。北极自然科学研究已形成以气候变暖为核心和背景，辐射相关海冰和海洋、生物与典型生态系统（生物多样性适应与保护、北方针叶林、苔原、微生物）、冰川退缩与冻土退化、大气天气与气候系统等领域的整体研究格局，呈现全面推进态势。研究已取得大量进展，研究手段呈现出大数据支持、模型运算为主的显著特征，但“不确定性”几乎渗透在其各个方面。中国以合作参与、外围相关、微量切入的形式开展北极研究，存在多重限制因素，我国或可利用已有冰冻圈研究积累，积极参与各方面研究及数据共建共享，着重北极对中纬度气候影响等与我国社会经济密切相关的领域，从而为提升北极研究的科学话语权、为我国的防灾减灾和生态环境改善提供支持。
以2017年9月钻取自青藏高原西部阿汝冰崩区长度55.29 m的阿汝冰芯为研究对象，通过冰芯δ18O记录与Nye模型重建了冰芯上部17.87 m的时间序列是1917—2016年。结合冰芯邻近的改则、狮泉河气象站1973—2016年夏季平均气温数据，通过相关性分析及线性回归法、Mann-Kendall（M-K）检验分析，发现冰芯与气象站记录的过去44年气温显著升高；根据M-K突变检验得出，20世纪80年代是气温变化由高—低—高的转折时期，且阿汝冰芯记录的突变年份1981年前后气温上升约1.97 ℃。同样地，采用线性回归法、M-K检验分析阿汝冰芯与邻近的古里雅冰芯共同记录的1917—1991年气温变化情况，发现两支冰芯记录的75年间气温变化总体呈上升趋势；根据M-K突变检验得出，升温始于20世纪30年代中后期并于50年代达到显著升温的趋势，且阿汝冰芯记录的突变年份1949年前后气温上升了约1.1 ℃。阿汝冰芯与气象站和古里雅冰芯记录的气温变化具有一致的升温趋势，但阿汝冰芯记录的增温幅度比气象站记录高，同时比古里雅冰芯记录的增温幅度小。
近年来，青藏高原冰川持续退缩，显著影响区域气候与生物地球化学循环。作为重要的营养元素，氮在生态系统中的循环备受关注。冰川中含氮化合物的迁移转化是冰冻圈地区氮循环的重要环节。基于青藏高原地区冰川氮记录研究，综述了近年来冰芯氮记录的历史变化，指出不同区域的变化趋势存在差异，认为一定程度上受亚洲地区人类活动排放污染物的影响。通过全面的雪冰氮（总氮以及NO3-、NH4+等）数据收集与分析，阐明了冰川雪冰中可溶无机氮北高南低的整体空间分布特征。利用冰川物质平衡数据，评估了气候变化背景下青藏高原冰川氮的释放量，结果表明：可溶无机氮年均释放量可达4 700 t?a-1以上。基于目前的研究与认识，提出了冰冻圈地区冰川雪冰氮研究的薄弱环节并进行了展望。在未来的研究中特别关注有机氮以及氮同位素的研究，加强冰川氮释放迁移对青藏高原冰冻圈地区氮循环的影响研究。
雪冰反照率能够改变冰川表面能量收支平衡，是影响冰川消融的重要因素之一。利用祁连山地区冰川面积矢量数据、MODIS逐日积雪反照率、气温和降水以及冰川物质平衡等数据，探讨了祁连山典型冰川区雪冰反照率特征及其对冰川物质平衡的影响。结果表明：祁连山地区冰川多年平均反照率为0.532，冰川区面积大小与其多年平均反照率之间呈显著正相关（R2=0.16，P<0.05，N=91），即冰川面积缩减1 km2，对应的平均反照率下降0.0025。祁连山老虎沟12号冰川反照率在夏季有明显的海拔效应，且强于其他时段，达到0.047?（100m）-1。典型冰川年均物质平衡量与冰川表面夏季（6—8月）平均反照率之间存在显著的正相关关系，老虎沟12号冰川和七一冰川决定系数R2分别达到了0.48（P<0.05）和0.66（P <0.05）。冰川表面夏季平均反照率这一指标能够较好地衡量青藏高原北部祁连山地区冰川物质平衡的变化。
祁连山区位于青藏高原东北边缘，是亚洲水塔重要的组成部分，多年冻土的变化对生态系统和水资源平衡有着重要影响。基于青藏高原第二次综合科学考察、道路勘察钻孔点以及前人所获得的多年冻土下界资料，回归得出祁连山区多年冻土下界统计模型，借助ArcGIS平台在DEM数据的支持下，模拟出祁连山区多年冻土空间分布图。结果表明：祁连山区多年冻土分布的下界具有良好的地带性规律，表现为随经纬度增加而降低的规律；祁连山区多年冻土在空间分布上呈现出以哈拉湖为中心向四周扩散的分布格局；祁连山区总面积约为16.90×104 km2，其中多年冻土面积约为8.03×104 km2，占总面积约47.51%。多年冻土区与季节冻土区之间存在着有不连续多年冻土分布的过渡区，过渡区面积约1.43×104 km2，占总面积约8.46%。
“阶梯式发展”是我国地质学家、原地质矿产部部长、全国政协第八届委员会秘书长朱训同志，1992年在其所著《找矿哲学概论》一书中，作为找矿规律，首次提出的。他认为，矿产勘查过程，从普查、详查到勘探，是发现矿产、评价矿产、探明矿产的三个阶梯，三者之间具有不可分割的内在联系，是找矿工作必须遵循的客观规律。阶梯式发展广泛存在于自然、社会、思想各个领域的理论，阶梯式发展经过20多年的研究，已上升为一个哲学范畴，是一种普遍现象，是一切实际活动和认识活动都必须遵循的普遍规律。基于这一思想，通过梳理冻土学系统的研究历程，运用阶梯式发展理论，将冻土研究的分系统的发展过程分解出来，进行纵向和横向的对比研究，对今后的研究方式和学科走向提出展望。
多年冻土工程地质制图是区域和历史冻土学研究的基础内容之一。多年冻土工程地质制图是根据需要和制图原则，在特定时空尺度分析多年冻土特征，以及各种自然、工程、环境要素共同影响下的多年冻土属性的量化描述。多年冻土工程地质制图所解决的科学问题从多年冻土的分布、规律和格局、冻土功能，认识不断提高。制图的内容从研究多年冻土的基本要素，特征要素，到功能要素，制图的实用性不断增强。制图方法从基本地理和工程地质方法逐步发展到系统论方法。总之，多年冻土工程地质制图表现出时间尺度上阶段性和空间坐标上的台阶性，在认识的深度和广度上均不断深化。为多年冻土区基础科学研究、工程建设、寒区资源环境等方面的工作提供基础数据和技术支持。
融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一。通过室内试验，针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土，在-8~24 ℃之间正弦波动的周期温度边界条件下，分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验（试样的初始温度为-1 ℃），研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程。结果表明：温度边界相同时，在不同荷载作用下试样内部温度响应过程差异显著，反映了荷载对冻土融化速率的影响。在无荷载作用下，试样的竖向变形呈线性发展趋势，每次冻融过程中的融沉变形变化不大。在静荷载和动荷载作用下，试样的竖向变形呈先快速增加后逐渐稳定的趋势，且融化沉降变形主要发生在前3~4个冻融循环过程。试验结束时，在静、动荷载作用下试样最终变形量大于无荷载作用下，且干密度较小时竖向变形较大。在动荷载作用下，试样内部孔隙水压力变化幅度大于静荷载，且在前3次冻融循环过程中，动荷载作用下试样内部孔隙水压力消散数值大于静荷载，之后随着冻融循环次数的增加两者差异逐渐减小。试样融沉变形过程与温度变化、孔隙水压力的积累和消散过程密切相关。试验结果可为复杂边界条件下融化固结理论研究和工程中地基土体的融沉变形预测提供依据。
多年冻土是含有冰的特殊土体，在自然环境变化及工程扰动下易发生冻胀融沉变形，严重威胁着青藏高原工程建筑物的安全稳定，特别对青藏铁路的畅通运营提出了严峻挑战。以青藏铁路五道梁地区路基断面为研究对象，采用颗粒离散单元法，通过建立热-力离散元计算模型，对路基的温度场和变形进行了计算和预测。结果表明：离散单元法克服了有限元方法无法模拟颗粒间导热与接触粘结作用的瓶颈，能够从微观层面阐释宏观变化，较为真实地反映冻土的导热和力学变形；离散单元法数值计算分析发现，随着运营时间的增加，路基存在冻土退化问题，而且路基中颗粒间热交换复杂，在0 ℃等温线区域和路基坡脚处，颗粒间相互作用更为突出。热-力耦合离散元为冻土工程研究提供了新思路，可更好地为寒区工程服务。
基于季节冻土区冻融循环条件，利用高低温交变试验箱与静态应变仪，进行了不同配比水泥改良路基土的温缩试验研究。结果表明：水泥改良土的温缩应变呈“螺旋式”变化，温缩应变随水泥掺量增加逐渐增加，初始温度循环对水泥改良土影响较大，经历三次温度循环后水泥土温缩应变特性已相当明显且变化规律趋于稳定，土体内部物化反应也达到平稳，但多次循环后掺量6%的水泥土内部反应机理较其他掺量不同，且对温度变化的敏感度较低，温缩应变与系数相对较小。在冀北地区，掺量6%水泥土可用作季节冻土区道路的基层或底基层，为水泥土在季节冻土区的应用提供了试验依据。
近年来，气候变化背景下的水资源问题得到日益增加的关注，其研究从水资源短缺、供需平衡等内容转向适应可持续发展的综合研究。基于投入产出理论的水资源研究，从系统循环的角度分析资源的流动性和持续性，能够揭示水资源-经济社会复合系统中各要素的内在数量关系，提出面向可持续发展的水资源价值观和方法论。首先，从模型拓展和实际应用两条主线梳理了国内外基于投入产出理论的水资源相关研究。在模型方面，概括了投入占用产出模型、水资源投入产出模型和区域间投入产出模型的发展和适用性，对比分析了不同区域间投入产出模型的优缺点。在应用方面，分别从不同时空尺度、驱动力因素等方面对虚拟水、水足迹和水资源优化配置三个热点内容进行了整理，并指出：基于投入产出理论的水资源研究基本建立在价值型模型的基础上；区域间投入产出模型已成为分析区域间经济结构、资源流动等环境问题的重要工具。其次，讨论了投入产出模型在冰冻圈水资源管理中的应用，提出基于服务角度的水资源管理模式。最后，展望了投入产出理论在水资源研究中的应用，以期能够为决策者提供额外的信息以便更好的管理水资源。
HSPF （Hydrological Simulation Program-Fortran）模型是在Stanford水文模型的基础上发展起来的。作为半分布式水文水质模型的优秀代表， HSPF模型能够综合模拟河道水力、 流域径流、 土壤流失、 污染物迁移等过程， 从而被广泛应用于流域水文与水环境研究中。通过概述HSPF模型研发与整合的发展历程， 以及模型中PERLND、 IMPLND与RCHRES等3个主要模块结构， 且综述了模型在土地利用变化、 水文过程、 非点源污染模拟以及模型参数校验等方面的研究进展。研究表明： HSPF模型对于经验公式和假设估计仍然存在改进与完善的空间； 对参数的深入分析研究参有助于降低模拟结果的不确定性； HSPF模型对采集数据精度和规范性的要求也较高。最后， 从经验公式完善、 参数不确定性探讨和模拟精度提高等方面对模型的完善提出相关建议， 供相关研究提供参考。
祁连山森林草原带为典型的山地森林和草原镶嵌景观，带内植被呈显著的斑块状分布格局，与地形因子密切相关。探究森林草原带内地形因子与土壤和植被的关系，对该区生态恢复具有重要意义。采用样地-样方调查法，研究了祁连山森林草原带土壤属性和植被生物量随坡向（南、西南、西和北）和坡位（山顶、上坡、中坡、下坡和山谷）的变化特征及其与水热因子的关系。结果表明：坡向梯度上，北坡土壤有机碳含量为50.79 g·kg-1，全氮含量为2.82 g·kg-1，土壤含水量为32.86%，地上和地下生物量为5.09和6.39 kg C·m-2，分别为南坡的2.54、3.97、2.07、24.62和149.30倍。坡位梯度上，土壤有机碳、全氮、全磷、土壤含水量在山谷最大，分别为50.23 g·kg-1、3.47 g·kg-1、0.80 g·kg-1和32.01%，是山顶的1.73、1.69、1.56和1.30倍，山坡的1.92、2.85、1.74和1.46倍。回归分析显示，土壤含水量是限制祁连山森林草原带土壤碳氮含量和草地生物量分布的主要环境因子，复相关系数在0.74~0.93之间。
农业用水是人类开发利用水资源以及影响生态系统的主要扰动因素，科学定量农业用水是合理配置与调控区域水资源的基础工作。传统的农业用水统计只是记录了可测量的用水量，而水足迹则完整刻画了人类活动对水资源系统的压力表现。从水足迹理论出发，采用Cropwat软件计算了新疆1988—2015年近20种农作物生产水足迹总量，并利用Mann-Kendall趋势和突变检验的方法，分析了28年间新疆农作物水足迹的时空变化，探讨了农作物水足迹驱动因素及机制。结果表明：新疆农作物水足迹在28年间总量增加了256%；水足迹序列在2005年前后增长出现了突变，后一阶段增长率是前一阶段的3倍以上；从农作物水足迹中蓝水足迹与绿水足迹的构成看，农作物绿水足迹呈持续增加趋势，但其在农作物水足迹总量中的比例略有下降。进一步分析表明，农业种植规模的快速扩张是新疆农作物水足迹大幅度增加的根本原因，而脱贫致富、扶贫攻坚等经济发展需求下的政策（战略）支持是农业种植规模（灌溉面积）持续快速增长的核心驱动力。通过探究农作物水足迹的变化及原因，揭示了新疆农业用水的时空变化，以及农作物水足迹与国家、地方政策和社会活动之间的关系，可为深入解析新疆农业增长与水资源开发利用及生态环境之间的时空演化关系和相关决策与政策制定提供参考。
利用冰川地貌定量重建冰期时的古气候特征是探讨冰川驱动机制的关键。利用冰川地貌反演古气候的模型主要有两类：基于物质平衡线高度变化和基于估算古冰川表面物质平衡的气候重建模型，因其原理、所需数据量的不同，适用性存在着差异，应用时需根据冰川区的具体特征选取多种模型重建古气候，提高模拟的精度。青藏高原及毗邻山地已有的基于古冰川的气候重建数据显示：MIS 6以来冰川变化为气温变化驱动，冰川规模还受降水量增多的影响；MIS 3中期冰川的规模较之末次冰盛期（Last Glacial Maximum，LGM）更大，主要是该较冷的亚阶段降水比LGM时期更为丰沛所致。
冰缘遗迹（特别是冷生楔形构造及融冻褶皱）是重建古气候及第四纪晚期多年冻土环境的重要证据。内蒙古鄂尔多斯高原是我国北方地区冰缘现象最为发育的地区之一。为准确了解鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及其分布特征、区域冻土演化历史等，中国科学院西北生态环境资源研究院和荷兰自由大学共同组成科研小组，于2018年5—6月组织了“鄂尔多斯高原冰缘遗迹科学考察”。考察区域涉及靖边—城川—乌审旗—鄂尔多斯东胜区一带约12 000 km2的范围。考察内容主要包括鄂尔多斯高原冰缘遗迹类型及特征、分布区域、各类型冰缘遗迹所指示的气候条件的初步推断等。结果表明：冻融褶皱和冷生楔体构造是鄂尔多斯高原主要存在的两大类冰缘遗迹。基于本次考察中关于冰缘遗迹的分布与特征等新发现，并综合前人研究成果，初步推断：在气温极低、多年冻土非常发育的时段，有利于形成各类冷生楔状构造，如冰楔假形和大型原生砂楔等；在气候转暖、多年冻土退化，但还没有全部融化完阶段，可能形成融冻褶皱；区域性大面积分布和成群出现的融冻褶皱一般反映较暖气候环境下，多年冻土层上部已退化到一定程度。基于光释光（OSL）年代测试结果，结合冰缘遗迹的特征及其所指示的古气候环境，初步重建了鄂尔多斯5万年以来的冻土环境变化序列。区内多年冻土在多年冻土最大期（LPM，25~19 ka BP）时最发育，以大面积连续多年冻土为主；之后，随气温转暖，总趋势呈退化状态，多年冻土分布逐渐变为片状→岛状→零星斑状，直至现今全部融完变为深季节冻土区。
南极、北极和青藏高原作为地球的“三极”是全球变化的敏感区和研究热点。随着天空地一体化对地观测技术的快速发展，三极时空信息呈现出海量、高时效、多维度的大数据特征。但由于缺乏有效的可视化手段，这些数据很难被非科研人员理解和认知。如何面向不同人群，快速直观地展示三极最新科学发现所产生的时空数据，已成为数据可视化研究迫切需要解决的问题。基于三极科学数据和成果的特点，设计了一个基于开源框架的三极科学发现展示的原型系统（三极球），重点突破数据分布式存储、数据自动预处理、三维开发引擎、多屏幕互操作，分析结果自动生成等关键技术，并以北极放大效应、三极冰雪冻融对比与关联及三极联动对东亚气候的影响三个典型场景为例，进行三极科学发现的三维场景展示，生动、直观的再现三极科学重大发现，有利于管理决策者与普通大众理解三极生态环境变化以及对我国天气和气候的影响等研究成果，对地学领域相关的信息展示也具有示范作用。
近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的“开关”，对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响。除了依靠传统观测手段判别地表冻融，被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中。利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三个主要过程，并基于不同的算法针对不同目的分别发布了不同地区、不同时间序列的近地表土壤冻融数据集。以中国气象局435个气象台站观测的0 cm土壤温度为标准，对比分析了基于目前较为通用的双指标算法、单指标算法、决策树算法和判别式算法建立的近地表土壤冻融数据集的分类结果。结果表明：单指标算法数据集冻结指标的平均值与观测资料最接近，其偏差和均方根误差最小，而决策树算法由于全局采用单一的37 GHz垂直极化亮温阈值，低估了地表冻结，导致偏差和均方根误差最大。近地表土壤冻融数据集和观测资料均表明随着全球变暖，近地表土壤呈冻结首日推迟、冻结终日提前和冻结天数减少的趋势。通过对不同冻融数据集的比较研究，为未来被动微波卫星遥感算法改进、近地表土壤冻融数据的合理使用提供了可靠的科学依据。
湖冰物候是气候变化的敏感因子，不仅能反映区域气候变化特征，还可以反映区域气候与湖泊相互作用。利用长时间序列（1978—2018年）被动微波遥感18 GHz和19 GHz亮度温度数据、MODIS数据（2000—2018年）、实测湖冰厚度数据（1983—2018年）和气温、风速、降水（雪）数据（1961—2018年），分析青海湖湖冰变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：青海湖流域呈现显著的变暖趋势（1961—2018年），气温上升2.85 ℃，在这种气候条件下，青海湖湖冰封冻日推迟（0.23 d·a-1），消融日呈现明显的提前趋势（0.33 d·a-1），湖冰封冻期天数明显减少，减少速率为0.57 d·a-1；同时，湖冰厚度以0.29 cm·a-1的速率减薄。此外，总结归纳了青海湖冻结-融化空间特征，青海湖主要由东部海晏湾地区开始冻结，从西部黑马河等地区开始消融，冻结和消融过程存在空间差异。通过分析湖冰冻融特征和气候因子关系发现，青海湖流域冬季气温是影响青海湖湖冰物候变化的主要因素，同时风速和降水（雪）也是影响湖冰发育和消融的重要因素。
多年冻土的分布会受到局地地质、地形地貌和地表覆被等因素的影响。为探究各因子对多年冻土分布的影响强弱，选择青藏高原五个典型多年冻土区为研究区，基于MODIS和SRTM DEM数据提取研究区内2003—2012年平均地表温度、NDVI、地表反照率、积雪日数和坡度、坡向等因子，并采用地理探测器模型研究了各因子对研究区多年冻土分布的影响程度及差异。结果表明：在所有研究区内，地表温度是影响多年冻土分布最强的因子，其次为积雪日数。随着空间尺度范围的增大，坡度和坡向对多年冻土分布的影响逐渐减弱，地表温度的影响则逐渐增强。交互探测结果显示两个因子交互作用对多年冻土分布的影响程度都要大于单因子作用下的影响程度。本研究明确了青藏高原多年冻土分布的区域差异规律，为不同尺度多年冻土分布制图提供理论基础。
寒区高铁路基中粗颗粒填料水汽迁移可能是路基冻胀变形的来源，直观追踪冻融循环作用下土体水汽迁移过程，有助于研究水分迁移规律，为冻胀机理提供理论依据。基于此，提出采用荧光素示踪和图像处理技术方法，直观观测土体中水汽迁移的规律。首先开展荧光素示踪、蒸发试验及图像处理技术的研究，证明示踪剂可实现冻结锋面及外界液态水迁移的追踪；而后通过改进试样筒，加入液态水隔离装置等实现可视化装置系统的研发；最后通过开放和封闭条件下水汽混合迁移和气态水迁移试验，实现了水汽迁移过程的可视化追踪。验证性试验结果表明：在开放条件下，该试验装置能够有效追踪外界水迁移的时程变化；在封闭条件下，该装置能够实时监测冻结锋面的变化过程。在粗粒土中，气态水迁移是存在的，且水分重分布主要由气态水迁移引起。
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