本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第4期
专刊：冰冻圈科学与可持续发展 >>>
秦大河1,3 姚檀栋2,3 丁永建1,3 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
2 中国科学院青藏高原研究所
3 中国科学院大学
编者按
冰冻圈是地球系统中水体处于冻结状态的负温圈层，主要分布在地球两极和高山地区。在人类演化与进步的漫长过程中，冰冻圈起到了重要作用。一方面，冰冻圈服务为人类社会提供了各种惠益和福祉，如淡水资源供给、水文调节、生态调节等；另一方面，冰冻圈灾害，如雪崩、冰川泥石流等，也给人类经济社会带来了严峻挑战。
自18世纪工业化时代以来，人类活动造成全球气候变暖、海平面上升、冰冻圈退缩等诸多后果。如今，亚健康的地球能否继续惠益巨大的人口，能否保障人类繁衍和生存，是人类面临的重大考题。作为气候系统五大圈层之一，冰冻圈是气候系统的重要组成部分，也是气候变化最为敏感和明显的证据。
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。随着全球变暖，冰冻圈正在变得愈发脆弱，这不仅影响自然系统，也将对全球的人文、经济、社会甚至是世界地缘战略格局产生深刻影响。如何应对地球面临的集自然与社会问题于一体的挑战，“人类命运共同体”的理念如何得到体现，这些都是冰冻圈科学需要研究的课题。本期“冰冻圈科学与可持续发展”专刊由中国科学院西北生态环境资源研究院秦大河院士指导推进。
在地球漫长的46亿年历史长河中，人类既是地球文明创造者，也是地球气候环境和资源破坏者。进入人类世以来，特别是20世纪50年代以来，气候环境风险急剧增加。2019年地球人口已超过78亿，21世纪中叶可能达到100亿，这进一步加重了地球的压力，加速气候环境生态系统不可逆转的破坏，进而制约地球支撑人类发展的能力。
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：18世纪50年代工业革命以来，人类活动排放的温室气体、气溶胶、颗粒物、化学物质和其他杂质，以及土地利用情况的变化，这些因素导致了全球变暖效应。20世纪50年代以来，全球温升的一半以上是人类活动造成的（信度达 95% 以上）。
IPCC AR5 还给出了未来不同经济社会情景下的温升、影响、适应和对策。但为维系地球可持续发展，仅用温升指标来衡量还不够，还应对地球生命支持系统的能源、淡水、食物安全，以及陆地、海洋、生物多样性等关键要素，建立一套类似《巴黎协定》规定的“为全球温升不超过工业化前 2℃，力争不超过 1.5℃”的定量表达，以指导社会经济走上可持续发展之路，最终实现联合国提出的《2030年可持续发展议程》中的17项目标。
冰冻圈是气候系统五大圈层之一，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有重要影响。冰冻圈发育的地带性特征，决定了它的变化首先会影响到世界经济最发达的中高纬地区的国家和经济体，对中纬度地区的影响亦不可低估，加上其变化对海洋的影响，使低纬地区和小岛国家也不可避免，“牵一发而动全身”，从而波及全球。
为全面研究冰冻圈及其变化的内在机理、对其他圈层和社会经济的影响及适应对策，短时期内冰冻圈科学从初创到向体系化发展，正在形成以圈层整体为核心，既综合了各要素的共同属性，又深入开展各要素相关过程的研究构架。冰冻圈科学研究内容涉及冰冻圈的物理学、化学和生物学过程，以及气候和水文、生态和资源、工程灾害、人文地缘、地理与地质地貌等多个方面。时间尺度从第四纪到未来几百年，空间上则从地球向行星拓展。其目标是不断发展与时俱进的学科内涵，为人类建设健康地球和实现可持续发展作出重要贡献。
1 冰冻圈和冰冻圈科学地球上的冰冻圈
冰冻圈（cryosphere），是指地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层，圈内的水体一般处于冻结状态。在陆地表层，冰冻圈分布于地面及地面以下数十米至数百米，包括冰川（含冰盖）、冻土（多年冻土和季节冻土）、积雪、河冰、湖冰等，属于陆地冰冻圈。在海洋上，冰冻圈分布在水面上下数米至数百米，以及大陆架向下数百米范围内，如海冰、冰架、冰山和海底多年冻土等，属于海洋冰冻圈。冰冻圈还存在于大气圈 0℃ 线高度以上的对流层和平流层内，如雪花、冰晶等冻结状水体，属于大气冰冻圈。水平方位上，地球高海拔和高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带（图 1），在竖直方向上，冰冻圈覆盖了从海底以下数百米到对流层中高层。
图1 陆地和海洋冰冻圈的全球分布示意图
在上方北半球图中，海冰覆盖显示的是北半球夏季海冰范围最小时（2012 年 9 月13日）的状态， 30 年平均海冰范围（黄线）显示的是年最小海冰南界（海冰密集度 15%） 1979—2012 年的平均值，所以在下方南半球图中显示的分别是最大海冰覆盖和年最大海冰北界的多年平均值；该图为极射赤面投影，未能表现低纬度冰川和积雪的信息
地球陆地冰冻圈覆盖了全球陆地面积的52%—55%。其中，山地冰川和南极冰盖、格陵兰冰盖覆盖了全球陆地面积的10%；积雪覆盖陆地范围平均为1.3%—30.6%，北半球多年平均最大积雪范围可占北半球陆地表面的 49%；多年冻土区占全球陆地的9%—12%，北半球季节冻土（含多年冻土活动层）为33%。也有资料显示，北半球季节冻土多年平均最大可占到北半球陆地面积的 56% 以上，极端寒冷年份高达80% 以上。
冰冻圈储存了地球淡水资源的75%，其中冰川和冰盖约占全球淡水资源的70%。全球 5.3%—7.3% 的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰最大范围可达约 15×106 km2，夏季最小时约为6×106 km2。南大洋海冰范围于每年 9 月最大，约为18×106 km2；2月最小，约为3×106 km2。南极冰盖外缘的诸多冰架总面积约1.617×106 km2，占全球海洋面积的0.45%；北极地区的格陵兰冰盖和某些岛屿上的冰帽边缘也有冰架分布，但冰架体量远小于南极地区。全球海底多年冻土主要在北极地区，约占海洋面积的 0.8%。大气圈内的含水总量为 1.14×105 t，和陆地、海洋冰冻圈比，冰量最少、寿命很短。
冰冻圈科学
冰冻圈科学是研究自然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一门新兴交叉学科。冰冻圈科学的目的是认识自然规律，服务人类社会，促进可持续发展。
如果把冰冻圈作为一个整体，需要将其所有要素的共性进行归纳分类、综合分析、系统阐述，从圈层层面来开展研究，如冰冻圈的物理和化学性质、形成发育和演化规律、生物地球化学过程、观测与模拟、冰冻圈变化及其影响和适应对策、经济社会可持续发展、地缘政策等诸多方面。
强调冰冻圈圈层的整体性和注重圈层组成要素的个性并不矛盾，前者是学科发展的需要，后者是学科持续深入发展的基础。在对区域发展的影响方面，整个圈层的作用往往是问题的关键所在。例如，在某干旱区，其上游的冰冻圈对区域发展有制约作用，主要矛盾是水资源供给，其中就有很多问题需要解答：水资源在何时能提供？能提供多少？对区域发展的最大承载能力是多少？全球温升 2℃ 时水资源如何变化？怎么避免这类风险？……
要回答这类问题，如果仅从过去的冰川学或冻土学等单要素学科知识出发，很难较圆满解决，需要利用冰川、积雪、冻土综合研究，集成冰冻圈各个要素的水文特点，搞清圈层的时空变化，联系下游地区，特别是干旱区人文经济社会情况，再进行综合设计规划，方显示圈层整体的作用。
冰冻圈科学主要由冰冻圈各个要素的水热和动力机制和过程监测、变化、影响和适应研究4个阶层组成（图 2）。
图2 冰冻圈科学体系结构框架
冰冻圈的主体是地球表层自然固态水，不可避免地要与水有关的学科交叉，如山地冰川、积雪和水文水资源、冻土变化与生物多样性变化、海冰与海洋、大气冰冻圈与气象等。此外，冰冻圈还与自然灾害、工程地质、区域发展、地缘政治等相关。这些都说明冰冻圈科学是一门自然和人文深度交叉的综合科学。
2 冰冻圈科学体系的建立冰冻圈科学专门研究机构的建立
西方科学家提出了冰冻圈概念，中国科学家发展并初步建成了冰冻圈科学体系。由于发展阶段、方式和理念不同，所处自然条件和人口结构各异，西方虽然最早提出了冰冻圈概念，但在冰冻圈科学上发展却比较缓慢。1972年世界气象组织（WMO）在斯德哥尔摩联合国人类环境会议上，首次将“冰冻圈”这一独特自然环境综合体与大气圈、水圈、生物圈和岩石圈并列，明确了五大圈层之间的相互作用与反馈，奠定了气候系统的理论。2000年，世界气候研究计划（WCRP）科学委员会决定设立“气候与冰冻圈”（CliC）计划，旨在定量评估气候变化对冰冻圈各要素的影响，以及冰冻圈在气候系统中的作用。
经过长期的学术积累，结合气候变化、可持续发展和健康地球建设，中国学者提出了冰冻圈科学的概念和理论框架，并建立了国际上首个以冰冻圈科学命名的专门研究机构。早在20世纪20年代初，竺可桢在教授《地学通论》时就设立专章讲述冰川。20世纪50年代后期，施雅风组织祁连山和天山现代冰川考察，后在兰州设立中国科学院兰州冰川冻土研究所，该研究所成为中国冰冻圈科学研究基地。
20世纪80年代起，冰冻圈在全球变化研究中的作用日益受到重视，2007 年 4 月冰冻圈科学国家重点实验室成为国际上第一个以“冰冻圈科学”命名的研究机构。该实验室将冰冻圈过程与机理、冰冻圈与其他圈层相互作用和冰冻圈变化影响的适应与对策确定为3个重要研究方向，以期为社会经济可持续发展服务。冰冻圈科学国家重点实验室的建立和学科定位，显示了冰冻圈科学研究由单要素向圈层综合的转变和将自然科学与社会经济可持续发展有结合起来的转变，标志着冰冻圈科学的发展进入了新时代（图 3）。
