方兴未艾的冰冻圈科学分支学科——冰冻圈气候学

20世纪80年代以来,现代气候系统理论的建立和发展推动了冰冻圈科学和气候学的交叉融合,进而催生了冰冻圈气候学。冰冻圈的形成演化和地球气候有着密切关系。冰冻圈不仅是一定条件下气候的产物,其变化也影响到天气和气候,影响人类社会经济和可持续发展。冰冻圈气候学就是研究冰冻圈变化与大气圈的互馈作用及其物理机制的科学。文章从介绍冰冻圈气候学的发展历史入手,系统阐释冰冻圈气候学的基本概念和学科特点。冰冻圈气候学重点研究冰冻圈在天气气候及大气环流形成与变异中的作用、冰冻圈-大气圈相互作用的过程与机理、气候系统和冰冻圈模式的发展、气候变化与冰冻圈变化的预估,以及冰冻圈气候学对经济社会的服务功能。继续深化对冰冻圈和大气圈相互作用过程与机理的认识,推动陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈过程参数化方案向精细化、定量化、复杂性方向发展,特别是重点考虑冰冻圈不同分量和要素非线性作用的时空尺度,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气候学的未来发展趋势。     

冰冻圈微生物：机遇与挑战

近年来,冰冻圈微生物的研究受到广泛重视。冰冻圈的低温和严酷的生存条件,选择了具有独特适应性和多样性的微生物,这些微生物是地球生命系统和生物多样性的独特组分。冰冻圈微生物大多为冷适应微生物;其中,有许多新微生物类群,是极其重要的物种和基因资源。嗜冷微生物是揭示生物冷适应机制的模式生物,其细胞及细胞组分在低温生物工艺上显示出巨大的应用价值。冰冻圈中也封存着一些古老的未知致病性微生物。冰冻圈是地球上对气候变化最为敏感的圈层,地球的升温正加速冰冻圈的退化和消融,冰冻圈微生物赖以生存的生境正在消失,且伴随着微生物的释放。这些微生物的释放可能是人类面临的不可预知的威胁。因此,亟待开展冰冻圈微生物调查与研究,探讨其对全球变化的响应及其适应机制。     

冰冻圈水文学：解密地球最大淡水库

冰冻圈水体以固态存在,固态水融化后在流域、区域乃至全球尺度上影响水文、水资源和水循环。文章从水文学视角,重点从冰冻圈水文功能、融水径流过程及其影响、冰冻圈水文生态与环境效应等方面介绍冰冻圈水文研究的内容和最新进展。冰冻圈水文功能主要表现在水源涵养、径流补给、水资源调节3个方面。在气候变暖的背景下,冰冻圈水文过程已经发生了显著变化,冰川消融期提前,冰川融水径流增多;融雪期提前,多年冻土退化导致冬季径流增加,对流域径流的年内调节能力增加。预估未来气候变化情景下,冰川融水持续减少,其变化对我国西北地区的水资源管理带来更大挑战。冰冻圈水文过程变化也对寒区生态系统和生态工程、洪水灾害及可持续发展、乃至地缘政治有重要影响。     

冰冻圈与全球变化

本文简要地阐述了冰冻圈的定义与分布并详细地讨论了冰冻圈与大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等的相互作用,本文最后还对冰冻圈今后的主要研究内容提出了建议。     

第四纪冰冻圈——全球变化长尺度研究

第四纪是以大冰期为标志的最新地质历史时期。这个大冰期的基本特征是轨道尺度的冰期-间冰期交替及亚轨道尺度的冰阶-间冰阶变化。现在是比较温暖的间冰期,冰川只覆盖陆地面积的10%。而在冰期最盛时,冰川覆盖全球陆地面积的30%,冻土扩展,气候干旱,风沙盛行,海平面降低130—150 m,植被向低纬度收缩10o以上,垂直带谱下移1 000 m以上。冰期天文理论成功解释了冰期-间冰期循环周期问题,但还存在诸多挑战。第四纪也是古人类向现代人发展的时期。古人类诞生于东非,约200万年前曾向欧亚大陆有限扩散,但一直到了末次间冰期才大规模扩散;尤其在随后的末次冰期中,人类更是借助于大陆桥扩散到美洲和澳洲。新仙女木事件后,气候变暖,人类进入细石器时代并逐渐过渡到农业社会。工业革命开始,人类发展深刻影响到了地球的自然进程,导致全球变暖,预示着一个"人类纪"的到来。     

冰冻圈人文社会学的重要视角：功能与服务

冰冻圈与人类社会(人类圈)息息相关,随着全球变暖和冰冻圈普遍退缩,冰冻圈对人类社会的致利和致灾效应均在发生深刻的变化:一方面,冰冻圈灾害以频发的极端事件加剧呈现;另一方面,冰冻圈服务能力整体将不断减弱乃至丧失。文章在介绍冰冻圈核心区及其主要影响区域的人文社会特征基础上,对冰冻圈功能与服务及其价值理论进行论述,并以全球高山"水塔"的重要性和极地系统变化为例阐述冰冻圈功能和服务变化及其影响,最后进一步讨论了提升冰冻圈影响区社会生态-系统恢复力的路径。     

冰冻圈科学体系的建立及其意义

冰冻圈是气候系统五大圈层之一,其存在和变化对大气、水资源和水循环、生态系统、陆地和海洋环境以及社会经济可持续发展具有重要影响,在地球系统中扮演重要角色。从冰冻圈形成和变化机理与过程,与大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用,到冰冻圈变化的影响和适应,以及区域和全球经济社会的服务功能等的集成,发展成一门新兴交叉学科——冰冻圈科学。冰冻圈科学体系的建立和发展,与"未来地球""地球委员会"等倡导的方向相一致,具有国际前瞻性。     

中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室

该实验室始建于1991年10月,1997年4月被批准被为中国科学院重点实验室,2007年4月被科技部批准进入国家重点实验室建设实施期。     

服务冬奥、支撑发展：冰冻圈科学的延拓

冰冻圈科学作为一门自然和人文深度交叉的新兴学科，其目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。近年来，中国冰冻圈研究实现了从传统基础研究到服务国家重大需求的跨越，这标志着学科的日臻成熟。北京冬奥会是我国重要历史节点的重大标志性活动。早在2016年冬奥会申办成功之初，当意识到国际顶级赛事对雪冰特殊需求“近在眼前”后，冰冻圈科学国家重点实验室即以国家自然科学基金创新研究群体项目（三期）和中国科学院学部院士咨询项目为依托，率先在河北张家口滑雪场开展了观测研究。过去5年来，冬奥雪务需求牵引着我国冰冻圈科学团队在雪冰物理关键技术环节上集中攻关，推动了学科向应用领域的延拓，取得了预期成果。文章总结研究团队研发的冬奥雪务保障关键技术，展望我国冰雪产业发展路径，从战略思维、科学积淀及实践创新的角度阐述冰冻圈科学的应用及拓展，提出了相关思考和建议。     

冰冻圈微生物演变与生物安全

冰冻圈独特而极端的生态环境蕴藏着丰富的微生物资源,保存了关于古微生物多样性和进化历史的珍贵记录。气候变化和人类活动正在对全球生态系统造成显著影响,冰冻圈加速消融缩减使原本冻存其中的微生物被“解封”,一些微生物适应新的环境条件从而复苏存活,随之构成对生态环境和人类健康的未知威胁。为此,亟待联合多学科研究力量,调查研究冰冻圈微生物资源,解析其中病原微生物的致病和传播机制,充分评估休眠微生物复苏释放带来的生物安全风险。     

大学物理混合式教学模式中引入物理学史的研究

针对当代大学生学习方式和理念的变化,以及应用型本科院校大学物理教学学时大幅度减少和教学效果普遍不佳等实际情况,研究和探索在大学物理混合式教学模式中引入物理学史的作用,从而提高大学物理课程的教学质量。     

冰冻圈遥感：助力“三极”大科学计划

冰冻圈遥感学是冰冻圈科学体系中的一个重要分支,也是一门新型的交叉学科。文章对冰冻圈遥感学的研究对象及基本遥感方法进行了概述,并通过典型案例介绍了冰冻圈遥感的总体进展,重点对我国冰冻圈遥感的发展现状进行了简要描述。最后对冰冻圈遥感学的发展提出了建议,探讨了冰冻圈遥感助力我国即将开展的"三极"大科学计划。     

大学物理实验教学中的过程化控制

本文针对大学物理实验教学中出现的问题,提出大学物理实验教学中的过程化控制,通过对三个实验环节的过程化控制,实现学生基本实验能力的提升,培养学生的创新意识。     

大学物理教学中创造力培养的研究

本文以培养大学生的创造力为目的,利用大学物理课程的高普及度,从教学大纲、教学内容、教学方式、考核方式等多方面入手,对现有大学物理教学模式中的各个环节进行完善和改进,可以解决目前传统大学物理教学中存在的一些问题,也能够使学生的创造力得到很好的培养。     

基于研究性学习的半导体物理课程教学改革

本文将问题导向的研究性学习教学模式应用到半导体物理的教学实践中,将理论与实验、教学手段多样化融为一体,启发学生进行探究式学习,培养学生的积极性与创新意识。     

模块化实验仪器对物理实验教学的影响研究

将模块化的设计理念引入物理实验仪器的设计,相比于传统实验仪器形式更加多变、更具有可操作性和趣味性。本文总结了模块化实验仪器的优势并简要分析了其对于物理实验教育的影响。     

浅谈物理教学中的新课导入

新课导入是课堂教学成功与否的重要环节,本文论述了物理教学中如何进行新课导入,以供广大教育工作者参考借鉴。     

新课标下导入物理新课做法的思考

从作者多年的教学实践出发,结合新课程理念,介绍自己在现行物理实验教学中培养学生创新能力的几种具体做法。