冰川冻土, 2020, 42(1): 1-10 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0001

冰冻圈与全球变化

面向可持续发展的冰冻圈科学

秦大河,1,2,3, 姚檀栋3,5, 丁永建,1,3,4, 任贾文1,3

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000

2.中国气象局, 北京 100081

3.中国科学院大学, 北京 100049

4.中国科学院 内陆河流域生态水文重点实验室, 甘肃 兰州 730000

5.中国科学院 青藏高原研究所, 北京 100101

The Cryospheric Science for sustainable development

QIN Dahe,1,2,3, YAO Tandong3,5, DING Yongjian,1,3,4, REN Jiawen1,3

1.State Key Laboratory of Cryospheric Science，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.China Meteorological Administration，Beijing 100081，China

3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

4.Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

5.Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China

通讯作者: 丁永建， 研究员， 从事寒区水文与水资源、 寒旱区环境与全球变化研究. E-mail： dyj@lzb.ac.cn.

编委: 武俊杰

收稿日期: 2020-04-21   修回日期: 2020-05-14  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41690140.  41730751.  41421061

Received: 2020-04-21   Revised: 2020-05-14  

作者简介 About authors

秦大河（1947-），男，山东泰安人，研究员，中国科学院院士，从事冰冻圈与全球变化研究.E-mail：qdh@cma.gov.cn , E-mail：qdh@cma.gov.cn

摘要

21世纪以来， 在全球气候变暖的大背景下， 冰冻圈科学发展快速。在梳理国际冰冻圈相关研究态势、 分析中国相关研究动向的基础上， 总结了“冰冻圈科学”发展的历程并简要介绍了冰冻圈科学的基本框架。研究指出， 自20世纪70年代冰冻圈概念正式提出以来， 国际社会以推出气候与冰冻圈（WCRP-CliC）计划和成立国际冰冻圈科学协会（IACS）为标志， 并在深化冰冻圈自身机理、 过程认识的同时， 更加关注与其他圈层之间相互作用中的冰冻圈效应， 表明冰冻圈研究趋向变化 - 影响 - 适应这一主线发展， 在一定程度显现出了“冰冻圈科学”的核心特征。中国冰冻圈研究近20年、 尤其是近10年发展迅猛， 沿着冰冻圈科学的主体思路， 在冰冻圈变化， 冰冻圈变化对生态、 水文、 气候、 地表环境以及社会经济的影响等方面取得了系统性成果， 对冰冻圈科学的内涵和外延有了系统的认识。在分析国际冰冻圈科学孕育和发展背景并简要总结中国冰冻圈研究近况基础上， 对冰冻圈科学学科框架体系从科学内涵和外延、 研究构架和学科组成等方面进行了论述， 冰冻圈科学已经成为一门涉及广泛、 过程机理研究与可持续发展密切关联的全新学科。

关键词： 冰冻圈 ; 冰冻圈科学 ; 冰冻圈变化 ; 影响与适应 ; 可持续发展

Abstract

The Cryospheric Science has developed rapidly since 21st century under the background of global warming. This paper summarizes the development process and briefly introduces the basic framework of Cryospheric Science on the basis of reviewing the international and Chinese relevant researches on cryosphere. Since the concept of cryosphere was officially proposed in the 1970s， the international community has taken more attention on the impacts of cryosphere in the interactions between other spheres while deepening the understanding of the mechanisms and process of the cryosphere， which can be marked with the launch of the Climate and Cryosphere （WCRP-CliC） plan and the establishment of the International Association of Cryospheric Sciences （IACS）. It indicates that the study of the cryosphere tends to along the mainline of change - impact - adaption， and has illustrated the core characteristics of Cryospheric Science in a certain extent. The study on Chinese cryosphere has been developing rapidly following the mainline of Cryospheric Science in the past 20 years， especially in the past 10 years. It has presented systematic achievements in terms of changes in the cryosphere and the impacts of changes in the cryosphere on ecology， hydrology， climate， surface environment， society and economy， and also get systematic understanding of the connotation and extension of the Cryospheric Science. Based on short introduction on the background of the gestation and development of the Cryospheric Science and a brief summary of the current status of cryospheric research in China， the paper discusses the disciplinary framework of Cryospheric Science from the scientific connotation and extension， research methods， to discipline constitutes. It suggested that Cryospheric Science has become a new discipline involving a wide range from process and mechanisms to impacts and adaptation， which closely related to sustainable development.

Keywords： cryosphere ; Cryospheric Science ; cryospheric change ; impact and adaptation ; sustainable development

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本文引用格式

秦大河, 姚檀栋, 丁永建, 任贾文. 面向可持续发展的冰冻圈科学[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 1-10 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0001

QIN Dahe, YAO Tandong, DING Yongjian, REN Jiawen. The Cryospheric Science for sustainable development[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 1-10 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0001

0 引言

冰冻圈作为气候系统的一个特殊圈层， 以其对全球环境变化高度敏感性、 对气候变暖的显著指示性， 以及对大气圈、 水圈、 生物圈、 岩石圈和人类圈的强烈影响， 显示出独特而又重要的作用。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［1］， 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， 冰冻圈的变化及对海平面、 气候、 生态、 淡水资源、 环境以及碳循环等的影响， 关系区域和全球可持续发展， 已经成为国际社会广泛关注的热点。

自1972年在斯德哥尔摩人类环境会议上， 由世界气象组织（WMO）提出冰冻圈作为与大气圈、 水圈、 岩石圈及生物圈并列的气候系统五大圈层后， 与冰冻圈相关的科学研究得到快速发展。尤其是进入21世纪后， 在国际社会推动下， 冰冻圈研究得到了前所未有的发展， 其中最重要的标志是， 2000年世界气候研究计划推出的“气候与冰冻圈”（WCRP-CliC）核心计划， 以及国际大地测量和地球物理联合会（IUGG）2007年做出的其成立80多年来史无前例的决定： 鉴于冰冻圈科学在全球变化中的重要作用， 增设新的科学协会——国际冰冻圈科学协会（IACS）。此后， 冰冻圈研究基本上沿着两条主线并行前进， 一是提高对冰冻圈与气候系统之间相互作用的物理过程与反馈机制的理解， 关键是增加评估和量化对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； 另一条主线是以“冰冻圈科学”（Cryospheric Science）为核心， 着力推动冰冻圈科学向体系化方向发展［1］。尽管冰冻圈与气候变化关系的研究得到国际社会高度关注， 但冰冻圈科学理论和方法体系建设却远远滞后于科学研究的迅猛发展。中国科学家团队抓住了国际冰冻圈科学发展的大势， 在冰冻圈科学体系化建设方面走在了国际前列， 其重要标志就是在国际上率先建立了冰冻圈科学学科体系［2］， 在冰冻圈科学的理论、 方法和体系化方面引领着这一新兴学科的发展。

在IACS成立之前， 国际社会还在探讨冰冻圈科学未来方向之际， 中国科学院于2007年3月在兰州成立了世界上第一个以“冰冻圈科学”命名的“冰冻圈科学国家重点实验室”， 7月科技部又启动了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“我国冰冻圈动态过程及其对气候、 水文和生态的影响机理与适应对策”。2010年启动了全球变化研究国家重大科学研究计划项目“北半球冰冻圈变化及其对气候环境的影响与适应对策”， 针对冰冻圈与气候开展专门研究。可见， 中国成立冰冻圈科学研究实体早于IACS， 在冰冻圈科学学科体系化方面也率先迈出了实质性步伐， 又针对冰冻圈变化对气候、 水文、 生态和可持续发展等方面的影响及其适应率先开展系统性研究， 在这些实践中创新性地提出了冰冻圈科学的理论体系及学科构成。中国科学家不仅关注冰冻圈自身的变化， 更关注这一变化产生的系列影响。2013年启动的国家重点基础研究发展计划A类项目“冰冻圈变化及其影响”， 进一步梳理了国内外科学发展动态和趋势， 明确了冰冻圈科学的核心脉络， 确立了学科主线， 即机理 - 变化 - 影响 - 适应， 构建了冰冻圈科学的整体框架［2］。与此同时， 又先后出版了《英汉冰冻圈科学词汇》［3］和《冰冻圈科学辞典》［4］， 匡正了冰冻圈科学的定义、 内涵和科学术语， 完成了冰冻圈科学奠基性工作。

围绕学科建设， 2016年正式启动了《冰冻圈科学系列丛书》的编写。根据中国学者提出的冰冻圈科学学科体系， 在《冰冻圈科学概论》［5-6］作为学科总论统领下， 包括冰冻圈物理学、 冰冻圈化学、 冰冻圈地理学、 冰冻圈气候学、 冰冻圈水文学、 冰冻圈生物学、 冰冻圈微生物学、 冰冻圈环境学、 第四纪冰冻圈、 冰冻圈工程学、 冰冻圈灾害学、 冰冻圈人文社会学、 冰冻圈遥感学、 行星冰冻圈学、 冰冻圈地缘政治学等15个分支学科。内容涉及冰冻圈自身的物理、 化学过程和分布、 类型、 形成演化（地理、 第四纪）， 冰冻圈多圈层相互作用（气候、 水文、 生物、 环境）， 冰冻圈变化适应与可持续发展（工程、 灾害、 人文和地缘）等冰冻圈相关领域， 以及冰冻圈科学重要的方法学——冰冻圈遥感学， 而行星冰冻圈学则是更前沿、 面向未来的相关知识。这一学科组成体系内容涵盖面之广、 涉及知识面之宽、 学科领域之新， 均无前例可循， 从学科建设的角度来看， 也是开拓性、 创新性的知识领域。本文将立足于整个冰冻圈科学体系， 对冰冻圈科学产生的国际研究背景、 国内研究趋势进行梳理， 并简要介绍学科框架及组成。

1 冰冻圈科学产生的国际研究背景

源自希腊语“寒冷”（kryos）一词的“冰冻圈”（cryosphere）， 自1972年在斯德哥尔摩人类环境会议上提出后， 在气候变化和全球环境变化推动下， 其相关研究得到快速发展。最初起到国际影响的行动是北极气候系统研究计划（Arctic Climate System Study， ACSYS）， 在这一计划带动和影响下， 有了之后的世界气候研究计划中“气候与冰冻圈”（WCRP-CliC）核心计划， 以及国际冰冻圈科学协会的成立。WCRP-CliC计划启动之初首次提出了“冰冻圈科学”（Cryospheric Sciences）概念， 意在将冰川、 冰盖、 冻土、 海冰、 河湖冰、 积雪等纳入到统一圈层进行研究， 注意到此时“Cryospheric Sciences”中的“Sciences”是复数， 实际上是冰冻圈各要素各自学科的累加， 并非单一学科。在此之后， 冰冻圈研究内容的深度和研究领域的广度在不断得到加强和发展。早在2005年， 北极气候变化评估［7］中就指出， 在未来冰冻圈研究中应增强对次区域尺度或者是地方尺度冰冻圈变化影响的研究， 区域或流域冰冻圈变化的影响与人类生存的关系更加密切； 需要定量确定冰冻圈在社会经济领域的影响， 如在油气生产、 采矿、 交通运输、 渔业、 森林及旅游业等领域。Slaymaker等［8］从全球环境变化的视角， 将冰冻圈诸要素进行了分别论述， 特别是其最后通过冰冻圈变化及脆弱性的分析， 讨论了冰冻圈与社会经济的关系。种种迹象表明， 冰冻圈科学应该是从机理、 变化到影响乃至适应， 从冰冻圈自然过程到社会经济领域一体化、 整体性的一门学科（Cryospheric Science）， “Science”应为单数， 而不应是复数。

系统的适应能力需要更好地理解脆弱性及受多重影响的程度， 这些认识正不断得到重视。为适应冰冻圈变化的不利影响， 关注区域或地方尺度的脆弱性， 才能更好地理解冰冻圈影响的程度， 从而寻找到合理的适应途径。在对加拿大寒区的研究总结中， French等［9］强调了寒区环境变化与所在地人类的相互关系， 尤其强调了冰冻圈过程中人与环境的协调发展。与北极冰冻圈有关的局地、 区域和全球尺度影响研究中［10-15］， 将陆地冰雪与海冰反照率作用、 冰盖和冰川变化对海平面的影响、 多年冻土与碳排放及地表和地球化学过程、 冰雪与海冰对大洋的淡水效应、 湖冰的生态效应、 冰川的水文效应等北极地区冰冻圈正在影响的领域作为了关注重点。在大尺度影响欧洲的6个潜在子气候逆转因子（tipping elements）评估中［16］， 涉及到了格陵兰和西南极冰盖、 北大西洋温盐环流、 北极海冰、 山地冰川及北半球平流层臭氧， 其中的5个因子与冰冻圈相关。对中国冰冻圈的评估指出， 冰冻圈变化已经广泛影响到气候、 水资源、 生态、 地表环境（冰冻圈灾害、 地表侵蚀）等方面［17］， 适应和应对冰冻圈变化的影响面临众多挑战。政府间气候变化评估报告将冰冻圈的影响归结为地表能量收支、 水循环、 初级生产力、 地表气体交换和海平面等5个方面［18-19］。

上述研究表明， 冰冻圈研究在强调与气候相互作用的同时， 突出冰冻圈变化与海平面、 全球淡水循环与地方水资源、 生态过程及寒区环境的影响， 也就是说， 冰冻圈研究在深化自身机理、 过程认识的同时， 更加关注与其他圈层之间的相互作用以及在这种相互作用过程中的冰冻圈效应。这些反映趋势性的冰冻圈研究进展表明， 冰冻圈研究正在向变化 - 影响 - 适应这一主线方向发展， 这也正是“冰冻圈科学”核心方向所在， 也是冰冻圈研究内容不断丰富、 向“冰冻圈科学”迈进的重要特征。这一特征与国际环境变化研究发展趋势完全一致。通过整合国际相关研究计划推出的“未来地球”国际计划， 体现的就是多圈层的综合、 基础研究与应用研究的贯通、 自然与人文的结合， 可持续发展是核心目标［20-21］。在将冰冻圈作为全球环境的一个子系统考虑时， 从基础到应用、 从冰冻圈自然过程到与社会经济的结合， 无疑是“冰冻圈科学”体系化的必然走向。

然而， 什么是冰冻圈科学， 其学科体系的内涵和外延是什么？学科的组成、 构架又如何？尽管国际上“冰冻圈科学”这一词频繁提及， 国际冰冻圈科学协会（IACS）也已经成立十多年， 但对冰冻圈科学从学科体系化的视角还没有涉及。

2 中国冰冻圈科学研究与学科发展

中国冰冻圈科学研究始于20世纪50年代， 发端于国家对解决冰川、 冻土问题的实际需求。冰川研究开始于祁连山冰雪水资源利用， 冻土研究则是因为青藏公路建设的需要。为满足国家社会经济发展建设的需求， 1958年在“大跃进”背景下， 中国科学院受命组织了祁连山现代冰川考察， 初衷是向祁连山索要更多冰雪融水资源， 满足河西走廊农业灌溉的需求。之后， 青藏公路如何安全通过高原的多年冻土区， 如何应对天山山区公路的冬春季积雪、 雪崩和吹雪造成的灾害等一系列亟待解决的冰冻圈科技问题， 摆在了新中国建设者的面前， 给科技工作者提出了课题和任务。来自四面八方的年轻科学家们， 齐聚在皋兰山下、 黄河之畔的兰州， 忘我地投身到研究， 却发现大家对冰川、 冻土、 积雪组成的冰冷世界知之不多， 认识不够。中国冰冻圈科学研究就是在这样的背景下， “以任务带学科”， 踏上了它六十余载的艰辛求索之路！

进入20世纪70年代末期， 中国冰冻圈研究在观测试验、 形成演化、 分区分类、 空间分布等方面取得显著进步， 积累了大量科学数据， 科学认知大大提高。80年代以后， 随着中国的改革开放， 科学研究重新得到重视， 冰川、 冻土、 积雪研究也驶入发展的快车道， 针对冰冻圈组成要素形成演化的过程、 机理研究， 基于小流域的观测试验及理论等取得重要进展。同时， 针对河湖冰变化的研究也逐渐展开， 尤其是针对北极海冰与北半球积雪变化对中国天气/气候影响的研究， 成为新的关注领域。研究区域也从中国西部扩展到南极和北极地区， 同时实验室建设、 遥感技术应用等方法和手段也有了长足发展， 中国的冰冻圈研究实现了国际接轨， 研究工作进入了平稳、 快速的发展阶段。

21世纪以来， 随着全球气候变暖进一步显现， 受到科学界和社会的高度关注， 同时， 冰冻圈变化及其带来的一系列科技和社会经济问题也引起了广泛注意。近10年来， 中国学者沿着冰冻圈科学的主体思路， 在冰冻圈变化［22-27］， 冰冻圈变化对生态影响［27-28］、 水文水资源影响［27，29］及气候影响［23，27，30-38］等方面开展了一系列研究， 取得了系统性成果， 使中国冰冻圈变化及影响研究迈向了新的高度。

在上述研究开展的同时， 冰冻圈变化对社会经济可持续发展的影响也得到广泛重视， 总结而言， 冰冻圈在正反二个层面影响着自然和社会系统（图1）。正面影响主要表现在冰冻圈的功能与服务方面， 例如冰冻圈对维系寒区生态系统和提供可调节的水资源具有强大功能［1，29，39］， 冰冻圈是重要的旅游资源［40-41］， 冰冻圈地区工程建设、 能源开发、 种质资源和动物栖息地保护离不开冰冻圈的科学支撑［42-44］。简单来说， 冰冻圈服务指人类社会从冰冻圈获取的各种惠益， 包括直接或间接从冰冻圈系统获得的资源、 产品和福利等［45］。中国科学家首先提出了冰冻圈服务的概念， 并在近期开展了一系列研究［41-52］。这些研究均是国际上最新的成果， 尽管在科学认识、 研究方法和不确定性方面还存在许多问题， 但无疑是对冰冻圈变化影响研究的巨大推动， 是冰冻圈科学进入到社会经济领域的重要成果。

图1

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图1   冰冻圈变化对社会经济可持续发展的影响

Fig.1   Impacts of cryospheric changes on the sustainable development of society and economy


冰冻圈变化所产生的负面影响主要表现在冰冻圈灾害和对社会经济的不利方面， 如雪崩、 冰川泥石流、 冰川洪水等， 冻胀与融沉、 热融滑塌对工程和地表的影响等， 海平面上升对沿岸的影响， 北极冻土退化对海岸侵蚀的影响， 雪灾及低温雨雪冰冻灾害等， 冰冻圈变化对生态系统的不利影响， 冰雪水资源的减少对干旱区及山区发展的影响等。针对冰冻圈灾害及冰冻圈变化所产生的脆弱性影响， 近期中国科学家针对冰冻圈灾害［53-61］、 灾害风险评估［62-63］及脆弱性［64-67］等开展了工作， 既有针对冰冻圈变化新特征引发频繁灾害的研究， 又有针对冰冻圈变化影响下的脆弱性研究， 尤其是脆弱性研究在国际上具有创新性。

研究冰冻圈变化影响、 灾害及脆弱性的最终目的， 在于适应冰冻圈变化带来的各种影响。基于冰冻圈变化影响的适应研究， 现在刚刚起步， 国外学者文献鲜见， 主要是中国科学家的工作［27，64-65，68-72］。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。气候变化的脆弱性、 风险、 恢复力和适应研究， 对于冰冻圈变化的影响研究同样具有指向性和指导性［65］。因此， 在突出冰冻圈变化及其自身特点的基础上， 完全可以沿用气候变化适应的研究思路和脉络， 开展冰冻圈变化的适应研究。

综上所述， 中国冰冻圈研究已经沿着冰冻圈变化 - 影响 - 适应这一主线系统开展。在上述一系列研究的基础上， 通过对冰冻圈、 冰冻圈科学、 影响和适应等一系列概念、 内容和研究成果的梳理， 对冰冻圈科学的内涵和外延有了系统的认识， 提出了冰冻圈科学的学科框架和学科体系［2］。

3 冰冻圈科学学科框架

3.1　冰冻圈与冰冻圈科学

冰冻圈可简单地看作是地球上各种雪和冰的形成物［73-74］， 或者说它是地球系统中由冻结水所组成的地球圈层， 包括冰川、 冰盖、 积雪、 海冰、 河湖冰、 冻土及固态降水等［9，75］。在天体生物学百科全书中， 将冰冻圈定义为地球和其他星球中低温和固态水组成的圈层系统， 并强调在地球上， 除上述冰冻圈组成要素外还包括寒漠， 对冰冻圈定义有所扩展［76］。而在古气候和古环境百科全书中， 强调冰冻圈由六大要素组成， 即积雪、 海冰、 冻土、 冰盖、 河湖冰及山地冰川和小冰帽［77］， 特别将云中的冰排除在外。尽管对冰冻圈的定义存在一些差异， 但总体上， 从冰冻圈的组成要素上看， 冰川、 冰盖、 积雪、 海冰、 河湖冰及冻土是其最主要的组成部分， 尤其是冻土， 它是冰冻圈要素中面积分布最广的组分。根据国际冻土协会（IPA）对多年冻土的定义， 是指温度在0 ℃或低于0 ℃至少连续存在两年的岩土层， 也就是说多年冻土是根据温度定义的， 并没有水分条件。这就与“地球表层冻结的水体”这一冰冻圈定义内涵有矛盾。综合对冰冻圈的认识及未来发展， 我们将冰冻圈定义为地球或其他星球上处于负温状态、 连续分布且具一定厚度的圈层系统［2，5］。根据这一定义， 在地球上， 冰冻圈包括大气圈内位于0 ℃线高度以上的对流层和平流层， 在岩石圈内是地面向下一定深度（数十厘米至上千米）的表层负温岩土， 这样的定义更加符合圈层概念， 冰冻圈就是一个封闭圈层而非斑状分布， 有利于学科的完整性表达。

综合上述定义， 根据冰冻圈要素形成发育的动力、 热力条件和地理分布， 将地球冰冻圈划分为陆地冰冻圈（continental cryosphere）、 海洋冰冻圈（marine cryosphere ）和大气冰冻圈（aerial cryosphere）三个类型。陆地冰冻圈由发育在大陆上的各个要素组成， 包括冰川（含冰盖）、 积雪、 冻土（含季节冻土、 多年冻土和地下冰， 但不含海底多年冻土）、 湖冰和河冰； 海洋冰冻圈包括海冰、 冰架、 冰山和海底多年冻土， 这些要素均与海洋紧密关联； 大气圈内处于冻结状态的水体， 包括雪花、 冰晶等， 构成了大气冰冻圈。大气冰冻圈也属于气象学范畴， 两个学科相互交叉， 但各有侧重［2，5］。

关于冰冻圈科学， 目前在研究文献中还找不出确切定义。但冰冻圈科学的研究内容相对明确， 且涉及的研究范围也越来越广泛。纵观冰冻圈科学研究及其发展态势和国际环境科学研究的大趋势， 我们认为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［2，5］。冰冻圈科学的范畴包括： （1）冰冻圈自身各组成要素的形成、 发育、 演化规律， 冰冻圈各要素的变化机理， 以及各要素之间相互作用关系； （2）冰冻圈各要素和整体与其他圈层（大气圈、 水圈、 岩石圈和生物圈）之间相互作用关系； （3）冰冻圈变化对其他圈层的影响及其风险， 冰冻圈与社会经济可持续发展之间的关系， 特别是全球和区域冰冻圈变化影响的适应和对策研究［2，5］。

3.2　冰冻圈科学的主要分支学科及学科组成

冰冻圈科学是以冰川（冰盖）、 冻土、 积雪、 河冰、 湖冰等陆地冰冻圈和海冰、 冰架、 冰山等海洋冰冻圈为主要研究对象， 以冰冻圈要素的形成和演化规律为基础， 以与其他圈层相互作用为重点， 以为社会经济可持续发展服务为目的的科学。冰冻圈科学主要由冰冻圈过程、 机理及变化规律， 冰冻圈变化的影响机制以及影响的适应研究等三个层阶组成， 这三个层阶从基础研究到应用基础研究再到应用研究， 渐次推进， 应用研究的效果取决于基础研究科学认识的深度。冰冻圈科学的研究框架可用冰冻圈科学树（图2）表示。

图2

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图2   冰冻圈科学的研究构架（冰冻圈科学树）［2，5］

Fig.2   Research framework of Cryospheric Science （Cryospheric Science Tree）［2，5］


冰冻圈科学是一门交叉学科， 涉及到大气圈、 水圈、 生物圈、 岩石圈、 人类圈相关的众多学科领域。其研究手段和方法包括数学、 物理学、 化学、 生物学、 人文和社会科学等相关的科学原理以及高技术等。根据前面对冰冻圈科学的定义， 冰冻圈科学不仅研究冰冻圈自身规律， 也关注与其他圈层间的相互作用。因此， 冰冻圈科学的学科也就与冰冻圈各要素及与其他圈层的相互关系密切相关， 并由此派生出冰冻圈科学的各分支学科（图3）， 这些分支学科的发展和完善， 也就奠定了冰冻圈科学的学科体系。

图3

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图3   冰冻圈科学学科组成

Fig.3   Disciplinary structure of Cryospheric Science


传统的冰冻圈研究涉及到冰川学、 冻土学、 第四纪冰川学、 河湖海冰研究等， 积雪研究更多被纳入到冰川学研究领域， 同时， 在冻土学和海冰研究中， 积雪也作为主要影响因子被综合考虑， 河湖冰在冰川学中多有涉及。可以看出， 在冰冻圈科学视角下， 形成了一个全新的分支学科体系。这些分支学科主要派生于冰冻圈科学的两个层面上， 一是由冰冻圈自身派生出的分支学科， 如冰冻圈物理学、 冰冻圈化学、 冰冻圈地理学、 冰冻圈环境学、 冰冻圈遥感学和行星冰冻圈学； 二是由冰冻圈与其他圈层相互作用， 交叉性很强的分支学科， 如冰冻圈气候学、 冰冻圈水文学、 冰冻圈生物学、 冰冻圈微生物学、 第四纪冰冻圈、 冰冻圈工程学、 冰冻圈灾害学、 冰冻圈人文学和冰冻圈地缘政治学。尽管有些学科还发展得尚不成熟， 但相关的研究领域已经受到越来越多的重视， 科学的认识也在不断深化， 从冰冻圈的视角研究圈层间关系的科学和应用需求日益广泛， 将它们作为冰冻圈的分支学科提出， 不仅是国际科学发展的实际需要和大势所趋， 也是推动冰冻圈科学迈向体系化的必然要求。

4 结语

进入21世纪后， 冰冻圈研究得到快速发展， 尤其是近10年来， 冰冻圈变化对社会经济可持续的影响受到越来越多的关注。冰冻圈研究的趋势和走向均已显露出向冰冻圈科学发展的征象。中国科学家抓住了这一国际科学发展的机遇， 并通过一系列实践将冰冻圈科学推向了学科体系化高度， 在国际上率先提出并初步建立了冰冻圈科学框架体系， 这是冰冻圈科学发展中迈出的实质性一步。未来应当将冰冻圈视为一个整体， 通过多学科交叉、 多手段集成、 新技术应用开展冰冻圈多要素综合研究， 明确冰冻圈变化的影响、 探索人类社会对冰冻圈变化的适应途径， 为实现人类社会经济可持续发展服务， 是冰冻圈科学发展的总体趋势。冰冻圈科学在气候变化、 环境演变、 地球系统科学和可持续发展等“未来地球”的需求下， 学科发展面临诸多科学问题， 这既是挑战， 也是冰冻圈科学发展的机遇， 吾辈当努力奋斗之！

参考文献

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