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。     

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。     

冰冻圈化学：解密气候环境和人类活动的指纹

冰冻圈化学是一门新兴学科,是冰冻圈科学的重要分支。自工业革命以来,人类活动排放的污染物深刻影响了冰冻圈的化学成分,而全球变暖导致的冰冻圈快速退缩,也影响到冰冻圈乃至全球的生物地球化学循环,并产生了显著的气候和环境效应。文章介绍了冰冻圈化学在冰冻圈科学体系中的定位,构建了冰冻圈化学的学科框架;通过举例阐明冰冻圈化学与气候和环境变化及人类活动的联系,特别是冰冻圈化学在全球变化研究中的作用;对当今冰冻圈化学相关研究热点进行了回顾和展望。冰冻圈化学研究的不断深入,将为应对人类所面临的气候和环境问题提供重要科技支撑。     

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

正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始建于1991年,2007年10月通过科技部论证,被批准成为国家重点实验室。实验室基于长期野外定位观测、面上考察和实验室分析模拟,建立了国际上最全面的山地冰冻圈综合监测网络和实验室分析研究平台,以"冰冻圈过程、机理和模拟""冰冻圈与其他圈层相互作用"和"冰冻圈灾害、影响与适应对策"三大研究方向为主线,在中国西部、南极和北极地区系统开展与冰冻圈相关的基础研究和应用基础研究。实验室在国际上率先建立了冰冻圈科学学科体系,促进了自然科学和社会科学的交叉融合。近年来,实验室在不断完善     

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。     

冰冻圈灾害特征、影响及其学科发展展望

冰冻圈灾害包括陆地冰冻圈灾害、海洋冰冻圈灾害和大气冰冻圈灾害,冰冻圈灾害分布广泛,对社会造成的损失和影响巨大。气候变暖导致冰冻圈灾害的发生频率和强度越来越高,使冰冻圈及其影响地区消除贫困、气候变化减缓与适应,以及经济社会可持续发展面临严峻挑战。早期,冰冻圈灾害学主要以单灾种的致灾事件、灾害影响和防治研究为主,且多集中于雪崩、冰湖溃决和冰川泥石流灾害。20世纪80年代以来,冰冻圈灾害学研究范畴扩大,冻土灾害、海冰灾害、冰凌灾害等得到广泛关注和深入研究。近10年,伴随冰冻圈科学体系的建立、完善,冰冻圈灾害学学科体系正在孕育发展,且在冰冻圈灾害风险、影响与适应方面进展显著。基于已有研究,文章详细阐述了冰冻圈灾害学学科内涵,评述了冰冻圈灾害时空特征及其综合影响,进而提出了未来冰冻圈灾害学学科建设和发展的建议。     

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。     

冰冻圈物理研究的新视野

冰是冰冻圈核心物质,但不同冰冻圈要素因冰的含量及其他物质组成有所不同,物理性质及各种物理过程存在明显差异。经过20世纪中后期对冰的物理性质的大量实验研究和冰冻圈主要要素物理特征的广泛调查,冰的物理性质和冰冻圈主要要素物理特征的基本概念得以明确。随着冰冻圈科学体系的建立和服务于社会经济发展的需要,冰冻圈物理研究在3个方面要着力发展:(1)提高冰和冰冻圈要素物理性质的定量刻画精度,为过程模拟、冰冻圈灾害防治和冰冻圈服务提供关键参数支持;(2)加强冰冻圈主要要素综合物理过程的模拟研究,特别是要开展实体和相似性模拟实验;(3)推进冰冻圈多模式及其与其他圈层模式的耦合研究。     

冰冻圈科学发展的基础研究问题刍议

发展与资源环境的矛盾,是人类面临的全球性挑战,地球上由两极冰帽、大陆冰川、冻土、积雪、海冰等构成的冰冻圈影响和控制着全球气候、自然景观及人类的生活、生产。我国是冰川冻土大国,随着我国寒区经济的发展,要抓紧冰冻圈科学基础研究的规划和实施,本世纪末内应从七个方面展开。     

中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站

<正>中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站(简称"高原冰冻圈站")于1987年由中科院正式批准,由原中科院兰州冰川冻土所和原中科院兰州高原大气物理所联合筹建,当时定名为"青藏高原综合观测研究站"。2001年成为中科院特殊环境与灾害网络野外台站;2004年,由中科院批准更名为"青藏高原冰冻圈观测研究站";2005年经科技部遴选,成为国家级特殊环境与灾害野外科学观测研究站,并被命名为"藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站";2009年度荣获第一次"全国优秀野外科技工作集体"表彰。高原冰冻圈站是全球针对高海拔多年冻土监测研究的重要平台,也是"国际全球监测系统"中"多年冻土温度监测网"(GOSGTNP)、国际多年冻土协会活动层监测网(CALM)以及国际雪冰冻土数据网络中心的相关监测网络的重要组成部分。     

中国生物多样性科学研究进展评述

近20年来,我国生物多样性研究快速发展,在生物多样性志书编研、生物多样性起源与演化、生物多样性维持机制及与生态系统功能和服务的关系、生物多样性威胁因素及对全球变化的响应、生物多样性与生态安全,以及生物多样性研究平台建设等方面都取得了长足进步,但生物多样性科学方面的理论性突破仍较少。为促进生物多样性研究的进一步发展,我们建议:(1)加强生物多样性科学与生物多样性保护实践及可持续利用的结合;(2)加强新技术与新方法在生物多样性研究中的应用;(3)加强与扩大国际合作。     

地球之外的冰雪世界——行星冰冻圈研究综述

文章介绍了太阳系和太阳系外行星冰冻圈。太阳系各行星和卫星的表面温度差异很大,它们的冰冻圈发育各不相同。水星和月球的两极陨石坑的永久阴影区中可能有水冰存在。金星太热,表面既没有液态水,也不可能有水冰存在。火星两极存在永久性冰帽,包括水冰和干冰(固态CO2)。在太阳系雪线之外,存在很多冰卫星和富含水的矮行星,它们的主要是由水冰组成的;在极低的温度下,水冰甚至比地球上的岩石还要坚硬,并成为这些星体的壳层。除了水冰,其他易挥发组分如CO2、CH4、N2、CO等在极低温度下都会凝固为冰,形成不同于水冰的冰冻圈。因此,行星冰冻圈具有与地球冰冻圈迥然不同的丰富多样性。对行星冰冻圈的研究有助于我们扩大视野,更深入地理解地球冰冻圈,也将有助于我们理解太阳系的形成、地球水分的来源、地球深时古气候环境和生命演化,以及开展未来的系外生命探测。     

遥感图像增强的MATLAB实现

随着空间技术、电子计算机技术等当代科技的迅速发展,以及地学、生物学等学科发展的需要,遥感技术已经发展成为一门新兴的科学技术。对遥感图像增强的方法进行了研究。     

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。