冰冻圈科学概论
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作者秦大河
出版社科学出版社
ISBN9787030539359
出版时间2017-08
装帧平装
开本其他
定价238元
货号25147074
上书时间2024-11-01
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前言
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导语摘要
《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，内容涵盖冰冻圈各要素的形成发育、演化和研究方法，以及冰冻圈与气候系统其他圈层的相互作用、社会经济可持续发展和地缘政策等热点问题。
作者简介
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目录
目录
序一
序二
前言
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学 1
1.1 冰冻圈 1
1.1.1 地球上的冰冻圈 1
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征 3
1.1.3 冰冻圈变化 4
1.2 冰冻圈科学 7
1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴 7
1.2.2 学科体系和研究方法 9
1.2.3 国际重大科学计划中的冰冻圈科学 11
1.2.4 冰冻圈科学在中国 12
1.3 冰冻圈与气候系统 13
1.3.1 冰冻圈的发育机理、过程和变化 13
1.3.2 冰冻圈发育的时空尺度 14
1.3.3 冰冻圈与其他圈层的相互作用 16
1.3.4 冰冻圈在气候系统中的作用 18
1.4 冰冻圈科学在经济社会发展中的作用 20
1.4.1 水循环和水资源 21
1.4.2 矿产资源和工程建设 22
1.4.3 冰冻圈地区探险与旅游 23
1.4.4 冰冻圈灾害 25
1.4.5 冰冻圈地缘政策 26
1.5 行星冰冻圈 27
1.5.1 火星冰冻圈的特征 28
1.5.2 火星水冰的证据 30
思考题 32
延伸阅读 32
第2章 冰冻圈的分类和地理分布 35
2.1 冰冻圈的全球分布、组成与分类 35
2.1.1 冰冻圈分布的地带性 35
2.1.2 冰冻圈的组成和分布特征 36
2.1.3 海洋冰冻圈、陆地冰冻圈和大气冰冻圈 37
2.2 陆地冰冻圈的分类与分布 39
2.2.1 冰川与冰盖的分类与分布 39
2.2.2 冻土的分类与分布 49
2.2.3 积雪的分类与分布 55
2.2.4 河/湖冰的分类与分布 62
2.3 海洋冰冻圈的分类与分布 67
2.3.1 冰架与冰山的分类与分布 67
2.3.2 海冰的分类与分布 73
2.3.3 海底多年冻土的分类与分布 78
2.4 大气冰冻圈的分类与分布 80
2.4.1 大气冰冻圈的分类 80
2.4.2 大气冰冻圈的分布 80
思考题 83
延伸阅读 84
第3章 冰冻圈的形成和发育 87
3.1 冰冻圈形成与发育的条件 87
3.1.1 积雪的形成与发育条件 87
3.1.2 冰川的形成与发育条件 88
3.1.3 多年冻土的形成与发育条件 90
3.1.4 河/湖冰的形成与发育条件 91
3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成与发育条件 91
3.2 冰冻圈形成与发育的物理基础 92
3.2.1 冰冻圈表面的能量平衡物理基础 92
3.2.2 冰冻圈表面的水量平衡物理基础 92
3.2.3 冰冻圈介质中的热量传输物理基础 93
3.2.4 冰冻圈物质平衡的物理基础 93
3.2.5 土壤中水分迁移/运动的物理机制 96
3.3 积雪与固态降水的形成与发育 98
3.3.1 冰晶和雪花的形成与发育 98
3.3.2 霰、冰粒和冰雹的形成与发育 100
3.4 冰川(盖)的形成与发育 101
3.4.1 成冰作用 101
3.4.2 冰盖的形成 103
3.5 冻土的形成与发育 104
3.5.1 季节冻土的冻结与融化 104
3.5.2 多年冻土的形成 105
3.5.3 地下冰和冻土组构 105
3.6 海冰的形成与发育 107
3.6.1 海冰的形成过程 107
3.6.2 海冰的结构与变化 108
3.6.3 海冰的融化过程 111
3.7 河/湖冰的形成 112
3.7.1 河冰 112
3.7.2 湖冰 114
思考题 115
延伸阅读 115
第4章 冰冻圈的物理特征 117
4.1 冰的主要物理性质概述 117
4.1.1 冰的晶体结构 117
4.1.2 冰的力学性质 120
4.1.3 冰的热学性质 123
4.1.4 冰的电学和光学性质 126
4.2 冰冻圈主要要素动力学特征 127
4.2.1 冰川运动和动力学特征 127
4.2.2 冻土力学特征 132
4.2.3 积雪的动力学特征 140
4.2.4 海/河/湖冰动力学特征 141
4.3 冰冻圈主要要素热学特征 142
4.3.1 冰川和积雪热学特征 142
4.3.2 冻土中的水热迁移 147
4.3.3 海/河/湖冰的热力学特征 152
4.4 冰冻圈主要要素的其他物理特征 155
4.4.1 反照率特征 155
4.4.2 电磁学特征 157
思考题 159
延伸阅读 159
第5章 冰冻圈的化学特征 161
5.1 冰冻圈化学成分的来源 161
5.1.1 大气化学成分进入冰冻圈的主要过程 163
5.1.2 冰冻圈化学对气候环境的影响 163
5.2 冰川化学 164
5.2.1 无机成分 164
5.2.2 有机成分 171
5.2.3 微生物 172
5.2.4 不溶性微粒 173
5.2.5 稳定同位素比率 175
5.3 冻土化学 176
5.3.1 已冻结土及正冻土的化学过程 176
5.3.2 天然气水合物 179
5.4 河/湖冰化学特征 182
5.4.1 氢-氧稳定同位素比率在冰-水两相间的变化与影响因素 182
5.4.2 电导率与离子变化 184
5.4.3 痕量气体在河/湖冰中的分布 185
5.4.4 河/湖冰中有色可溶性有机物的排斥效应与光学特性 185
5.5 海冰化学 186
5.5.1 现代海水的化学组成 187
5.5.2 海冰盐度及其演化 189
5.5.3 海冰相图 193
5.5.4 海冰中的气体 195
5.5.5 生物过程对海冰化学的影响 195
思考题 197
延伸阅读 197
第6章 冰冻圈内的气候环境记录 198
6.1 冰冻圈介质中的气候环境指标 198
6.1.1 冰川 198
6.1.2 冻土 200
6.1.3 树木年轮 200
6.1.4 湖泊沉积 201
6.2 冰芯记录 202
6.2.1 冰芯断代方法 203
6.2.2 极地冰盖记录 204
6.2.3 山地冰川记录 210
6.3 冻土记录 213
6.3.1 冰楔记录 214
6.3.2 冻胀丘泥炭层记录 216
6.4 树木年轮记录 218
6.4.1 寒区树木年轮记录的重大气候事件 218
6.4.2 寒区树木年轮记录的冰川末端进退 219
6.4.3 寒区树木年轮记录的冻土环境变化 221
6.4.4 树轮记录的积雪变化 221
6.5 寒区湖泊记录 223
6.6 寒区其他介质记录 223
思考题 227
延伸阅读 227
第7章 不同尺度的冰冻圈演化 229
7.1 构造尺度冰冻圈演化 229
7.1.1 前寒武纪大冰期 229
7.1.2 石炭-二叠纪大冰期 231
7.1.3 第四纪大冰期 232
7.1.4 三大冰期形成原因 234
7.2 轨道尺度冰冻圈演变-更新世气候演变与米兰科维奇理论 235
7.2.1 冰期天文理论的创立过程 235
7.2.2 冰期天文理论的基本原理 236
7.2.3 冰期天文理论的修正 239
7.2.4 冰期天文理论面临的挑战 240
7.3 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变 240
7.3.1 气候变化若干重要事件及其基本概念 241
7.3.2 末次冰期以来冰冻圈各要素演变 243
7.4 百年来冰冻圈变化 251
7.4.1 南极冰盖百年际变化 251
7.4.2 山地冰川变化 256
7.4.3 全球冻土变化 260
7.4.4 北半球积雪变化 265
7.5 年际至季节尺度变化 267
7.5.1 冰川变化 267
7.5.2 冻土变化 271
7.5.3 北半球积雪变化 273
7.5.4 两极海冰年际-年代际尺度变化 273
思考题 277
延伸阅读 277
第8章 冰冻圈与其他圈层的相互作用 279
8.1 冰冻圈与大气圈 279
8.1.1 冰雪-反照率反馈机制 280
8.1.2 冰-气潜热和感热交换 281
8.1.3 冰-气动量交换 282
8.1.4 冰冻圈与气候相互作用——案例研究 284
8.2 冰冻圈与生物圈 287
8.2.1 冰冻圈与寒区生态 287
8.2.2 冰冻圈与寒区碳氮循环 298
8.2.3 极地海洋生物 302
8.3 冰冻圈与水圈 305
8.3.1 概述 305
8.3.2 冰冻圈与大尺度水循环 310
8.3.3 冰冻圈与海平面 316
8.3.4 冰冻圈与陆地水文 319
8.4 冰冻圈与岩石圈 341
8.4.1 构造运动与冰期地表过程响应 341
8.4.2 冰川侵蚀、搬运与堆积作用 344
8.4.3 多年冻土与岩石圈表层 349
思考题 353
延伸阅读 354
第9章 冰冻圈变化与可持续发展 358
9.1 冰冻圈变化影响的评估方法与适应框架 358
9.1.1 脆弱性及其评估方法 358
9.1.2 冰冻圈变化的适应框架 362
9.2 冰冻圈变化影响的适应案例 363
9.2.1 冰冻圈变化对水文-生态影响的适应案例 363
9.2.2 工程适应案例：青藏铁路适应多年冻土变化 366
9.2.3 规划适应案例：印北城镇水资源供给适应冰川变化 367
9.2.4 政策适应案例：瑞士旅游业适应阿尔卑斯山冰雪变化 367
9.3 冰冻圈灾害与风险评估 368
9.3.1 灾害风险与风险管理 368
9.3.2 冰冻圈灾害风险评估 369
9.4 冰冻圈区重大工程建设 385
9.4.1 寒区铁路、公路与冻土融沉 385
9.4.2 南水北调西线工程 390
9.4.3 冻土区输油管道 392
9.4.4 海冰区港口 395
9.5 冰冻圈旅游 396
9.5.1 冰冻圈旅游内涵 396
9.5.2 冰冻圈旅游资源特点 397
9.5.3 国际冰冻圈旅游发展概况 397
9.5.4 冰冻圈旅游资源开发案例 398
9.6 冰冻圈服务功能及其价值 399
思考题 402
延伸阅读 402
第10章 冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估 405
10.1 冰冻圈模式及其在地球系统模式中的地位 405
10.1.1 气候模式的发展 405
10.1.2 地球系统中的冰冻圈模式 408
10.2 冰冻圈过程的模拟 420
10.2.1 冰川物质平衡模拟 420
10.2.2 冰盖物质平衡模拟 421
10.2.3 冻土分布与气候响应模拟 421
10.2.4 积雪模拟 423
10.2.5 海冰模拟 424
10.2.6 河/湖冰模拟 424
10.3 冰冻圈变化的预估 426
10
内容摘要
《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，内容涵盖冰冻圈各要素的形成发育、演化和研究方法，以及冰冻圈与气候系统其他圈层的相互作用、社会经济可持续发展和地缘政策等热点问题。
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精彩内容
第1章 冰冻圈与冰冻圈科学
主笔：秦大河 张廷军
主要作者：王宁练 康世昌 效存德 丁永建 任贾文
自然界的冰体对全球升温特别敏感。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)指出，1750年工业革命以来，人类活动排放温室气体、气溶胶和其他杂质及化学物质，加上土地利用和变化，极有可能是造成观测到的20 世纪中叶以来变暖的主要原因。气候系统变暖，意味着冰冻圈也在变暖，冰川、积雪和冻土等冰冻圈各要素整体上呈退缩和减少。
冰冻圈变化对全球和区域气候、生态系统和人类福祉都有很大影响。南极冰盖和格陵兰冰盖的形成发育与气候相关，它们的变化影响大洋环流和海平面升降；积雪与海冰体量虽小但覆盖范围大，它们的变化对地球的能量收支、辐射平衡和大气环流的关键过程与反馈作用至关紧要；多年冻土冻融过程变化直接影响陆地土壤含水量、植被发育及生态系统。气候变暖条件下，“蛰伏”在多年冻土内的有机碳通过微生物的降解过程，释放温室气体到大气层，增加大气圈内甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)含量，加速变暖；多年冻土区内土壤不均匀冻胀与融沉，造成工程建筑被破坏及*终废弃。冰川、河冰、湖冰等冰冻圈组成要素变化及其灾害，在区域尺度上影响水资源、生态系统和人类经济社会活动；北冰洋海冰退缩为开发北极海底资源、开拓北冰洋航道，创造了前所未有的机遇，同时也增加了环北极国家之间的领土和资源纷争， 上述冰冻圈的种种“作用”，与诸多学科交叉，和人类活动关联，同国家利益相关，内容丰富且实用，过程复杂而有意义，成为冰冻圈和冰冻圈科学的主要内涵。
1.1 冰冻圈
1.1.1 地球上的冰冻圈
冰冻圈是指地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层，亦称为冰雪圈、冰圈或冷圈。冰冻圈内的水体应处于冻结状态。冰冻圈在大气圈内位于0℃线高度以上的对流层和平流层内，如降雪、冰雹等，属于大气冰冻圈；在岩石圈内是寒区从地面向下一定深度(数十米至上千米)的表层岩土，如冰川、冻土等，属于陆地冰冻圈；在水圈主要位于两极海表上下数米至上百米，以及周边大陆架向下数百米范围内，如海冰、冰架、海底多年冻土等，属于海洋冰冻圈。
冰冻圈的英文为cryosphere，源自希腊文的kryos，含义是“冰冷”。在中国，由于冰川、冻土和积雪的作用、价值和影响，以及冰川学和冻土学在中国发展过程中相辅相成的历史渊源，学术界习惯上将cryosphere 称为冰冻圈。
冰冻圈的组成要素包括冰川(含冰盖)、冻土(包括多年冻土、季节冻土)、河冰、湖冰和积雪，冰架、冰山、海冰和海底多年冻土，以及大气圈对流层和平流层内的冻结状水体。在地球表面水平方位上，冰冻圈组成要素的分布颇不均匀，地球中、高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带(图1.1)。
图1.1 冰冻圈的全球分布示意图(IPCC AR5 WGI，2013)
Figure1.1 Distribution of Global Cryosphere(after IPCC AR5 WGI，2013)
注：①在北半球图上，海冰覆盖显示的是北半球夏季海冰范围*小时(2012年9月13日)的状态，30年平均海冰范围(黄线)显示的是年*小海冰南界(海冰密集度15%)在1979~2012年的平均值，所以在南半球显示的分别是**海冰覆盖和年**海冰北界的多年平均值；②该图为极射赤面投影，未表现低纬度的冰川和积雪信息
需要指出的是，在负温条件下，冰晶表面存在有“准分子厚度”的薄膜水，冻土内部因为毛细作用和土壤颗粒吸附作用，发育有未冻水。尽管它们处于“未冻结状态”，但仍属冰冻圈范畴。也就是说，冰川、积雪、海冰、冻土等要素里所含的未冻水，都参与这些要素的各种过程，且对这些要素的性质和变化产生重要影响，不能按是否冻结而将其排除在冰冻圈范畴之外。此外，南大洋和北冰洋表层的海水，温度在0℃以下，未冻结成冰，它们不属于冰冻圈的范畴。
1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征
在讨论本教科书的基本框架时，中国科学家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)3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，两个学科交叉合作，但又各有侧重。
陆地冰冻圈占全球陆地面积的52.0%~55.0%。其中，山地冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地表面的10%(南极冰盖和格陵兰冰盖占9.5%，山地冰川占0.5%)。积雪覆盖范围跨度比较大，为1.3%~30.6%，北半球多年平均**积雪范围可占陆地表面的49%。多年冻土区占陆地面积的9%~12%，季节冻土(包括多年冻土活动层)为33%。也有资料显示，季节冻土(包括多年冻土活动层)多年平均**占到北半球陆地面积的56%以上，**寒冷年份可高达80%以上。
冰冻圈内储存了地球淡水资源的75%，其中现代冰川和格陵兰冰盖、南极冰盖约占全球淡水资源的70%。南极冰盖和格陵兰冰盖的冰体总和折合水量，全部释放到海洋后，全球海平面分别上升约58.3m 和7.36m，山地冰川的当量仅为0.41m，多年冻土内过饱和冰的当量约为0.10m。全球变暖，冰冻圈内的冰量融化，已导致全球海平面上升，在1993~2010年，陆地冰冻圈内的冰量融化，使全球海平面平均每年上升1.36mm。
在海洋上，从多年平均值看，5.3%~7.3%的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰**范围可达到约1.5×107km2，夏季*小时仅约为6×106km2。南大洋的海冰范围季节变化更大，9月**时约为1.8×107km2，2月*小时仅约为3×106km2。根据冰龄，海冰又分为当年冰、隔年冰和多年冰。大部分的海冰都是移动的浮冰群中的一部分，在风与大洋表面洋流的作用下漂流。浮冰在厚度、冰龄、雪的覆盖以及开阔水域的分布都极不均匀，空间尺度在几米到几百千米。南极冰盖外缘的诸多冰架，总面积约1.617×107km2，占全球海洋面积的0.45%。全球海底多年冻土约占海洋面积的0.8%。大气圈内水体含量很低，总量为1.14×105t，是3个冰冻圈类型中冰量*少、寿命*短的(表1.1)。
表1.1 全球冰冻圈各要素统计
Table 1.1 Representative statistics for cryospheric components indicating their general
a. 全球陆地面积按14760×104km2，全球海洋面积按约36250×104km2 计算。
b. 冰密度为917 kg/m3，海水密度1028 kg/m3，海平面以下冰体以等量海水替代。
c. 南极冰盖面积(不包含冰架)为1229.5×104km2。
d. 该冰盖及其外围冰川面积为180.1×104km2。
e. 包括格陵兰和南极周边的冰川。海平面当量资料来源见IPCC AR5 WGI 表4.2。
f. 多年冻土面积(不包括冰盖下伏的多年冻土)为1320×104~1800×104km2。
g. 该数值系指北半球多年冻土的估计值。
h. **季节冻土面积(不包含南半球)多年平均值为4810×104km2。
i. 该值只包含北半球。
j. 淡水(湖冰和河冰)范围和体积来源于模式估计的季节**范围。
k. 多年冻土和季节冻土也被积雪覆盖，总面积不包含积雪。
l. 南极南半球秋季(春季)；和北极北半球秋季(冬季)。
m. 面积相当于161.7×104km2。
n. IPCC AR5 WGI评估中**和*小范围，见IPCC AR5 WGI 4.2.2节和4.2.3节。
o. 关于海底多年冻土面积计算的文献很少。该数据来源于Gruber的论文总结而成，其数据中280×104km2有很大的不确定性。
p. 夏季和冬季分开进行评估。
资料来源：IPCC AR5，2013
1.1.3 冰冻圈变化
早在1939年，苏联地理学家C.B.卡列斯尼克就得出，“冰川首先是一定气候状况下的产物”的结论。随着科学家们对这种响应复杂性的深入研究和理解，科学家发现冰冻圈的各个要素更应被视为“天然的气候指示计(nature climate-meter)”。冰冻圈对气候系统的变化非常敏感，各组成要素对温度和其他气候变量(如降水)都很敏感。
研究冰冻圈变化，首先要明白什么是气候变化，这里先给出IPCC关于气候变化的定义：气候变化是指可识别的(如使用统计检验)持续较长一段时间(典型的为几十年或更长)的气候状态的变化，包括气候平均值和/或变率的变化。气候变化的原因可能是自然界内部过程，或是外部强 迫，如太阳周期、火山爆发，或者是人为地持续对大气成分和土地利用的改变。
联合国气候变化框架公约(UNFCCC)将气候变化定义为“在可比时期内所观测到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化”。由此可见，UNFCCC对可归因于人类活动改变大气成分导致的气候变化，与可归因于自然原因导致的气候变率作了明确区分。
当代的气候变化是指气候系统变化，即气候系统五大圈层的变化。气候系统五大圈层中的任何一个圈层的变化都应当视为气候变化。例如，全球变暖不仅表现在器测数据显示的地表平均温度的上升，其他如海洋热含量增加、冰川退缩、多年冻土活动层厚度增加、积雪和海冰范围减小、生物多样性锐减，等等，都是气候变暖的佐证。
冰冻圈是气候系统五大圈层之一，它的变化是气候内部变率而不是外强迫，所以也被视为气候变化的组成部分。广义地讲，冰冻圈变化是指冰冻圈内热状况及其空间分布的变化。具体地讲，是指冰冻圈各组成要素的变化，包括冰川/冰盖面积、厚度、冰量及末端/边缘变化；冻土(包括多年冻土和季节冻土/活动层)面积、厚度及温度变化；积雪范围和雪水当量变化；海冰范围和厚度变化；河冰、湖冰封冻和解冻日期，以及冻结日数、厚度的变化等。此外，冰冻圈内部的变化，如温度、物质结构、几何形态与体积的变化，也属于不定期变化的内容。
自2007年IPCC发布第四次评估报告(AR4)以来，新的观测数据进一步证明，全球气候系统的变暖“毋庸置疑”。冰冻圈作为气候系统的组成部分，海冰、冰川、冻土等冰冻圈组成要素的性质发生显著而广泛的变化时，又被用来作为气候变化影响的表征，是全球变暖的佐证，也是气候系统变暖的指示器(图1.2)。
冰冻圈是全球气候变化研究的热点地区和领域之一。IPCC AR5**工作组(WGI)报告认
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