冰川冻土, 2021, 43(2): 675-680 doi:

“冰冻圈科学丛书”简介

编委: 周成林

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中国科学家经过深思熟虑和深入研究,在国际上率先建立了冰冻圈科学学科体系,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。围绕学科建设,2016年正式启动了“冰冻圈科学丛书”(以下简称“丛书”)的编写。根据中国学者提出的冰冻圈科学学科体系,“丛书”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》《冰冻圈生态学》《冰冻圈微生物学》《冰冻圈气候环境记录》《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》《冰冻圈地缘政治学》分卷,共计15册。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。“丛书”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,一定有不少不足,我们热切期待读者批评指正,以便修改、补充,不断深化和完善这一新兴学科。

这套“丛书”除具备学术特色,供相关专业人士阅读参考外,还兼顾普及冰冻圈科学知识的目的。冰冻圈在自然界独具特色,引人注目。山地冰川、南极冰盖、巨大的冰山和大片的海冰,吸引着爱好者的眼球。今天,全球变暖已是不争事实,冰冻圈在全球气候变化中的作用日渐突出,大众的参与无疑会促进科学的发展,迫切需要普及冰冻圈科学知识。希望“丛书”能起到“普及冰冻圈科学知识,提高全民科学素质”的作用。


《冰冻圈科学概论》从冰冻圈科学理论框架角度系统介绍了冰冻圈科学,内容涵盖冰冻圈组成各要素的形成发育、演化和研究方法,冰冻圈与气候系统其他圈层及人类圈的相互作用,涉及社会经济可持续发展和地缘政策等热点问题。

全书共分为11章,对冰冻圈科学的有关问题进行了较为系统的论述。第1章是冰冻圈与冰冻圈科学,系统讲述冰冻圈科学的定义和研究简史,以及冰冻圈在全球变化和社会发展中的作用等;第2章是冰冻圈的分类和地理分布,主要阐述冰冻圈各要素在全球的地理分布以及各要素的分类;第3章是冰冻圈的形成和发育,介绍冰冻圈发育的地带性,以及冰冻圈各要素的形成机制和发育条件等;第4章是冰冻圈的物理特征,从力学、热学、电学、磁学等方面介绍冰川、冻土、积雪、海冰等要素的物理特征;第5章是冰冻圈的化学特征,主要包括冰川的雪冰化学特征、冻土的化学特征,以及海冰的化学特征;第6章是冰冻圈内的气候环境记录,系统介绍从冰芯、冻土、树木年轮及寒区其他介质记录反映的气候演变;第7章是不同尺度的冰冻圈演化,主要从构造尺度、轨道/亚轨道尺度、千年尺度、百年-年代际尺度到年际-季节尺度介绍冰冻圈各要素的变化特征;第8章是冰冻圈与其他圈层的相互作用,讨论了冰冻圈与气候系统其他四大圈层之间相互作用关系,主要介绍其中密切关联的交叉部分;第9章是冰冻圈与可持续发展,介绍了冰冻圈变化对社会的影响、冰冻圈灾害与风险管理、冰冻圈区重大工程建设等与社会经济发展密切相关的内容;第10章是冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估,介绍了冰冻圈各要素现有的模式,并讨论了冰冻圈过程与气候的耦合模拟;第11章是冰冻圈科学观测和实验技术,对冰冻圈探测的传统方法和实验室分析技术进行了系统介绍,并讨论了冰冻圈科学加速发展所使用的新技术和新方法。可以预料,未来十几年有关冰冻圈科学的研究将有更全面的进展,本书中提到的一些冰冻圈科学问题也将有更全面的结论,尤其是冰冻圈与其他圈层相互作用、冰冻圈变化与可持续发展等当前研究热点,一定会有更加成熟的结论。从这一点讲,本书作为“概论”,可将其视为冰冻圈科学的“初级阶段”,是进一步研究的基础。


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。随着冰冻圈科学概念的提出和学科体系不断完善,《冰冻圈科学概论》出版以后,编写与之配套的系列丛书的计划也在付诸实施。《冰冻圈物理学》为其中的一个分册,已于2020年11月由科学出版社出版。

冰冻圈的组成要素种类较多,包括冰川(含冰盖)、冻土、积雪、河冰和湖冰、海冰、冰架、冰山、海底冻土以及大气中的固态水,等等。所有这些冰冻圈组成要素因形成和发育的条件、物质组成、演化过程等存在差异,它们的物理性质和各种过程的物理机制有所不同。而且,一直以来,冰冻圈各组成要素的研究都是相对独立发展,研究历史不尽相同,发展也不平衡。于是,有些冰冻圈要素物理学研究甚或某个方面的研究已形成体系,不断有专题论著涌现,如冰川物理学、冰川动力学、冻土力学、冻土热学、冰力学和工程学,等等。

编写涵盖冰冻圈各要素的冰冻圈物理学专著具有很大挑战性。首先,冰冻圈物理学编写范畴不够明确。由于物理过程贯穿于冰冻圈的各个方面,冰冻圈各组成要素与物理过程有关的内容极为广泛,一部专著难以容纳。其次,如果将冰冻圈各组成要素的物理学内容简单地堆砌在一起,则不能体现冰冻圈科学圈层概念的系统性,而要从圈层整体性去阐述,不同冰冻圈要素物理过程又有很大的差异。

作为首次编写尝试,本专著力争从圈层角度去阐述冰冻圈各要素主要物理性质和物理过程的共性特征和普遍性原理,然后按陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈主要要素指出其中的差异,主要内容限定在纯净冰的基本物理性质、冰冻圈形成和变化过程中的能量-物质平衡、冰冻圈力学和动力学特征、冰冻圈水热过程等几个重要方面。全书25.5万字,图41幅,公式141条,重点介绍基本概念和经典理论原理,对重要问题给出共识性结论,避免大量具体研究成果阐述,但对研究趋势和需要重点关注的问题给予一定关注。

目前冰冻圈物理学研究的发展趋势主要表现在三个方面:一是冰冻圈主要物理过程的精细化研究,二是冰冻圈要素多种物理过程的耦合模拟和基于物理模型的区域尺度未来变化预估,三是多个冰冻圈要素的综合研究。

在冰冻圈主要物理过程的精细化研究方面,主要是对关键机理和过程进行精细刻画,如冰冻圈不同要素的动力学、热力学和水分迁移机理,不仅定量化要进一步提高,更要达到对动态过程的精细描述。因此,对某个物理参数既要求能够给出空间分布,还要求给出随时间的变化,亦即分布式时间序列。同时要将研究从定点扩展到区域上,因为定点精细研究固然重要,但空间大尺度研究则更能满足冰冻圈变化预估重大需求。

目前对冰冻圈各个要素的主要物理过程都有大量的研究成果,而且大多已建立了很好的模型,但冰冻圈研究最关注的是这些冰冻圈要素的时空变化和产生的影响。因此,对这些冰冻圈要素的多种物理过程进行耦合研究,如热力-动力-水分迁移的耦合,建立区域尺度各个冰冻圈要素变化的预测或预估模型,比单点或者小区域的研究更为迫切。例如,某一区域内冰川储量究竟变化多少对区域水资源利用、生态环境影响等显然比单条冰川变化要重要得多。

在许多冰冻圈作用区,冰冻圈要素往往并不是单一的,冰冻圈对地表能量平衡、水文水资源和生态环境等方面的影响是冰冻圈多个要素综合作用的结果。所以,对冰冻圈多要素进行综合研究的重要性显而易见。冰冻圈多要素综合研究又包括多个方面:对某一物理过程研究时需要同时考虑多个冰冻圈要素,如研究某一高山区或高原区地表反照率变化对能量平衡影响时需要将冰川、冻土和积雪的反照率变化综合起来;对某一个冰冻圈要素的变化研究涉及到其他冰冻圈要素的影响,如研究冰架变化时需要考虑冰盖和海冰与冰架之间的相互作用;对冰冻圈与其他某一圈层的相互作用研究,需要将研究区各个冰冻圈要素都综合在一起,如研究某一区域冰冻圈对水文水资源的影响时,需要研究各个冰冻圈要素的融化和产流过程以及它们的相互影响和综合效应。

总之,冰冻圈科学是一门新兴的交叉性很强的学科,冰冻圈物理学是其中最基础的部分。将冰冻圈各组成要素的物理学研究综合归纳到一个体系,形成冰冻圈物理学,以适应冰冻圈科学的发展,非常新颖,无疑要经历从起步到逐步完善的过程。


冰冻圈灾害是冰冻圈地区社会经济可持续发展的重要制约因素。降低冰冻圈灾害风险,减轻灾害造成的巨大损失和影响是保障冰冻圈作用和影响区居民生命财产安全和可持续发展的关键。本书以作者在该领域多年的教学和科研积累为基础,结合国内外最新的前沿理论和实践进行编写,主要内容包括冰冻圈灾害的基本概念、理论与方法,冰冻圈灾害风险分析的基本方法,冰冻圈灾害类型、时空分布,气候变化与冰冻圈灾害,陆地冰冻圈灾害、海洋冰冻圈灾害和大气冰冻圈灾害的成因、影响和防治,以及冰冻圈灾害风险管理等。

本书适合作为高等院校冰冻圈、地理、气象与气候、灾害风险管理、应急管理等相关专业的本科生和研究生教材,也可以供冰冻圈地区可持续发展、防灾减灾、风险管理相关领域的研究者和从业者阅读参考。


本书从冰冻圈遥感原理、冰冻圈各要素的遥感监测方法和技术以及冰冻圈信息系统三大方面介绍了冰冻圈遥感学的内容,其具体内容由6章组成。第1章为冰冻圈遥感学概述,主要介绍冰冻圈遥感学的定义、发展简史,已有的用于冰冻圈监测的遥感平台和传感器;第2章根据不同的遥感类型介绍了冰冻圈遥感原理,包括可见光遥感、主被动微波遥感、激光雷达遥感等不同遥感方式;第3~5章分别描述了陆地冰冻圈遥感、海洋冰冻圈遥感及大气冰冻圈遥感的原理、方法,并给出了相应的研究案例;第6章从冰冻圈数据同化与冰冻圈信息系统两个方面概述了冰冻圈遥感的应用。

本书可供与冰冻圈科学、遥感学及其相关的科研和技术人员,以及大专院校的教师、研究生和高年级本科生参考使用。


冰冻圈作为气候系统的一个重要圈层,其影响受到越来越广泛的关注,其中冰冻圈的水文影响,是全球关注的重点之一。冰冻圈的固液态相变水文特性及对气候变化的敏感属性使其在流域、区域乃至全球水文循环中显示出独特而重要的作用。随着气候变化影响的不断加剧,从北极到青藏高原,从安第斯山到阿尔卑斯山,从内陆河流域到西伯利亚,从高纬度海洋到全球海平面变化,冰冻圈变化的水文影响已经不断显现,冰冻圈水文已经成为全球变化中的水问题热点。冰冻圈水文学正是应国际全球变化研究大势、顺应冰冻圈科学发展所需而形成的一门新兴学科。

本书从研究方法、水文过程、流域水文作用及全球水文影响等方面对冰冻圈水文学进行了系统论述。研究方法包括野外观测与试验、室内实验与分析、遥感与地理信息应用和数理统计与模型;水文过程着重从消融及产汇流过程、径流变化过程及泥沙与水化学三方面进行阐述;流域水文作用涉及水源涵养作用、径流补给作用、水资源调节作用和流域极端水文事件;全球水文影响主要从冰冻圈与大洋中的淡水组成、冰冻圈与全球水循环和冰冻圈与海平面变化三方面对冰冻圈的大尺度水文影响进行了讨论。

本书可供水文、冰冻圈、地理、地质、地貌、大气、生态、环境、海洋和区域经济社会可持续发展等领域有关科研和技术人员、大专院校相关专业师生使用,也可供在经济、社会、人文等领域和部门工作的同仁参考。


冰冻圈地理学是冰冻圈科学学科体系的重要分支学科之一,其主要研究冰冻圈要素的形成过程、地理分布、动态变化及其与人文系统的相互作用,是支撑冰冻圈科学其他分支学科的基础,是人们认识冰冻圈重要性、冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用机理、冰冻圈变化及其影响的一扇窗户,是开展相关过程与影响研究的知识储备。

本书共分7章。第1章,绪论,重点介绍冰冻圈地理学的研究对象与内容、任务与意义、与其他学科的关系以及研究历史回顾。第2章,冰冻圈形成机理及与其他圈层的联系,重点介绍冰冻圈的形成与发育条件、形成与发育机理,在此基础上介绍冰冻圈与其他圈层的相互作用。第3章,冰冻圈类型、分布及变化,重点介绍陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈的构成、全球分布与变化及其地带性和分异特征,以及末次冰期以来的冰冻圈演变。第4章,冰冻圈与人类活动,主要介绍冰冻圈地区的人文社会属性、资源禀赋、冰冻圈灾害,以及冰冻圈变化的影响与适应。第5章,极地地区,介绍全球分布范围最大、冰冻圈类别最齐全的北极和南极地区的区域冰冻圈特征、变化与影响。第6章,高原与高山地区,重点介绍青藏高原、全球其他高原和高山地区的冰冻圈分布、变化、影响及与社会经济活动的关系。第7章,冰冻圈地理学研究方法,包括定位监测、遥感监测、统计分析和数值模拟方法,以及野外工作技能等内容。


本书主要阐述了冰冻圈及其影响区的人文社会特征,从冰冻圈功能和服务、冰冻圈功能与服务区划、冰冻圈服务价值、冰冻圈影响区社会生态恢复力、冰冻圈地缘政治等方面阐述了冰冻圈与人类圈的关系。本书适合地理学、气候变化科学、大气学、海洋学、水文学、社会学等学科的院校师生,以及与冰冻圈相关的部门决策者阅读和参考。

本书第1章为绪论,概述了冰冻圈与人类社会的关系,介绍了本书的主要内容和学科性质。第2章阐释了冰冻圈及其影响区社会经济特征,侧重说明冰冻圈及其影响区社会形态(人口、经济、民族)及其演化,冰冻圈特色文化(历史、宗教、艺术等),冰冻圈原住民族区域自治与法律体系,以及冰冻圈要素与人文社会的互馈关系,等等。第3章着重介绍了冰冻圈人文社会学研究方法与工具,主要从社会调查方法,人地系统近、远程耦合,冰冻圈-社会水文耦合方法,系统动力学方法以及投入产出分析模型等方面入手,探索冰冻圈服务与人类社会相互作用的半定量和定量化方法,介绍地理区划的通用方法,从而为冰冻圈服务区划奠定基础。第4章系统阐述冰冻圈服务和人类社会的关系,给出了冰冻圈服务的分类体系,梳理了各类冰冻圈服务的形成过程和时空变化等,并探讨了冰冻圈服务与人类福祉之间的关系。第5章介绍了冰冻圈服务的区划原则和方法,根据冰冻圈服务的特殊性建立分类和相应的指标体系,针对水资源服务、生态服务、人文服务和工程服务进行冰冻圈服务的主体功能区划和综合区划;在梳理冰冻圈各类服务之间的权衡(trade-off)和协同(synergy)关系后,在不同时空尺度上表达冰冻圈服务对人类社会的影响;冰冻圈服务区划将有助于为全局、系统利用冰冻圈服务提供重要的决策依据。第6章主要阐述冰冻圈服务价值评估方法,基于冰冻圈服务分类体系讨论其经济价值,介绍定量评估冰冻圈供给、调节、文化、工程和支持服务价值的方法,突出冰冻圈的环境和社会经济服务价值,并对冰冻圈服务价值优化途径及其举措等方面加以讨论;介绍了如何计算冰冻圈服务价值,并辅以典型案例。第7章探讨了冰冻圈变化及其影响区社会生态系统恢复力,通过识别冰冻圈变化情景下经济社会和工程适应措施,特别是基于恢复力理念找出适应路径,寻求实现可持续发展目标的调控方法;阐述系统恢复力在冰冻圈变化适应中的作用,并列举了一些冰冻圈影响区增强恢复力的研究案例。第8章讨论冰冻圈地缘政治,主要内容包括冰冻圈地缘价值、冰冻圈与国际航道安全、冰冻圈与国际河流水冲突、冰冻圈与边疆演化及其军事、冰冻圈相关立法等,并提出经略冰冻圈的理念。

参考文献

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