冰冻圈水资源服务功能区划研究综述

冰冻圈作为气候系统五大圈层之一,是我国干旱区和寒区重要的水源地和固态水库,对生态、水、环境及气候等均具有重要影响。长期以来对冰冻圈产品及社会经济服务功能研究不足,遑论从地域主体功能角度对冰冻圈水资源服务功能进行区划。水资源服务作为冰冻圈资源的重要功能,是进行冰冻圈服务功能及其区划研究的重要突破口。基于冰冻圈科学、人文地理学、生态学等多学科交叉的理论和方法,重点从冰冻圈水资源分布与监测、地域功能区划、水资源服务功能分类和评估等三个方面进行了研究综述,并提出了生态系统服务功能与三生空间研究相结合的冰冻圈水资源服务功能分类体系和基于冰冻圈水资源特性、供给能力、社会经济发展水资源需求和利用效率的冰冻圈水资源服务功能评估指标体系。最后基于研究综述、已构建的冰冻圈水资源服务功能分类和评估体系,综合已有的自然地理综合区划、地域功能区划等区划实践,并探讨了未来可行的冰冻圈水资源服务功能研究方案设想,为进行全国乃至全球的冰冻圈水资源服务功能区划工作提供了理论与实践基础。     

浅析江河源区生态系统脆弱性研究的科学问题

长江、黄河源区位于青藏高原腹地,是我国气候变化的敏感区和脆弱区,面对全球气候变化以及我国冰冻圈萎缩的压力,明晰基于冰冻圈变化条件下江河源区生态系统脆弱性的科学问题,是长江、黄河流域生态安全保障及社会经济持续发展的客观要求。在分析江河源区范围、江河源区和我国冰冻圈的关系、目前生态系统脆弱性研究的基本特点的基础上,在全球气候变化和冰冻圈变化的复杂背景下,提出并阐述了江河源区生态系统脆弱性研究的5个重要科学问题：（1）脆弱性概念的延伸和拓展;（2）气候系统的非线性作用;（3）脆弱性评价的时空尺度;（4）脆弱性评价的临界阈值;（5）脆弱性评价的界面链接等。     

第二届亚洲气候与冰冻圈国际学术大会在兰州举行

第二届亚洲气候与冰冻圈(Asia CliC)国际学术大会于2007年10月22-26日在兰州市召开.来自中国、日本、俄罗斯、蒙古、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、印度、巴基斯坦、尼泊尔、韩国、美国、加拿大、英国、挪威等国家的148位代表出席了大会.会议主题是"亚洲冰冻圈的现状与未来"(The State and Fate of Asia Cryopshere),与会人员就涉及亚洲冰冻圈的如下科学问题展开了广泛交流:(1)冰川分布及其变化;(2)冻土/多年冻土的分布及其变化;(3)积雪、寒区水文及水资源;(4)寒区及高山区的陆面过程及大气过程;(5)大尺度的冰冻圈-大气圈之间的相互作用;(6)冰冻圈的预测与预估;(7)冰冻圈数据库;(8)未来冰冻圈研究的发展战略.共有51人做了口头报告,33人做展板报告.     

气候变化研究中若干不确定性的认识问题

气候变化研究已取得重要进展,但很多研究结果存在不确定性。本文选择对气候变化研究有重要意义但已有的研究结果存在不确定性的几个方面进行综述,包括过去两千年气候变化的状况(中世纪暖期和小冰期是否存在、20世纪温暖程度是否为过去千年最大、20世纪增温趋势是否停止)、温室效应(对温室效应机理的不同认识、温室气体排放与气温变化的关系、水汽对温室效应及增温的贡献)、气候模式模拟(模拟与实测结果的比较、模式本身的缺陷)以及2℃阈值(来源及其物理意义、对2℃阈值的不同认识)等问题。气候系统变化的复杂性决定了人类对气候变化问题的认识产生分歧和争议在所难免,当前人类对气候变化的诸多研究结论并非是最终定论,很多问题有待进一步研究;进而对未来一段时期深入开展气候变化研究需要重点关注的5个领域及其主要科学问题进行了探讨。     

冰冻圈服务综合区划理论与方法

冰冻圈是全球气候系统的主要圈层之一,既具有不可替代的气候效应,又维系着寒旱地区社会经济和自然生态系统良好运行,而中国是中低纬度地区冰川、积雪、冻土发育程度最高的国家。长期以来,针对冰冻圈“致害性”的研究众多,而聚焦冰冻圈服务的“致利性”研究则相对滞后,在此背景下着眼于人类福祉的冰冻圈服务识别与综合区划研究成为冰冻圈科学、人地系统可持续发展等的关键科学问题之一,也是目前迫切需要开展的研究方向。首先,确定以地域分异规律理论、人地关系地域系统理论、集合论和信息编码论等跨学科理论为研究基础;尔后,构建面向综合区划研究的冰冻圈服务分类体系,先以供需均衡模型为核心进行单项服务重要性空间识别,再以服务最大化模型为指导,通过区位熵算法判定冰冻圈主导服务的空间分布;最后,以三维魔方展开法为核心制定冰冻圈服务综合区划方案,将研究区划分多重空间层级、彼此独立完整、相互联系密切的冰冻圈服务单元。综上,形成综合自然供给和人文需求因素且适应地区特色的冰冻圈服务空间识别与综合区划技术体系和方法流程,为冰冻圈服务供给与社会经济发展需要架起一座桥梁,是满足国家重大战略需求和合理利用冰冻圈服务的必由之路。     

北极冰雪表面能量平衡研究进展

北极地区冰/雪-大气相互作用的过程,尤其是冰雪表面反照率的变化,是制约我们认识北极地区气候系统快速变化的关键科学问题。目前已有的研究表明,随着观测技术和方法的进步,北极冰雪表面能量平衡研究取得了较大的进展,但由于缺乏高质量、时空连续的观测试验数据,大部分参数化方案、遥感及模式产品等在北极不同区域的适用性仍待评估。因此,北极地区观测站点的加密、综合观测试验的开展和多源卫星遥感体系的进一步完善,能为遥感卫星产品及复杂参数化方案在北极的评估验证提供数据支撑,也可以揭示更多潜在的冰雪表面能量平衡相关的过程和机理,加深对极地海-冰/雪-气相互作用的理解,更好地服务于极地冰冻圈与气候变化研究。     

气候变化对冰冻圈国家领土博弈的地缘影响

冰冻圈变化的自然过程影响着国家领土博弈地缘关系的建构。基于人地关系思想,以变化-影响-适应为主线建立气候变化影响下冰冻圈国家领土博弈的研究框架,分析自然因素对冰冻圈地缘结构的塑造和对冰冻圈国家身份-利益的建构,以及极地海权、陆权和其他地区领土博弈所形成的双多边地缘关系。研究结果：① 冰冻圈领土博弈地缘结构初步形成。理念层面,自然要素成为气候政治的力量之一,冰冻圈领土博弈体现出传统地缘逻辑;空间层面,气候变化释放极地、高山等新运筹空间,北极、南极成为大国博弈焦点;物质层面,极地海权和陆权利益是大国博弈的主要目标。② 冰冻圈国家身份-利益影响其冰冻圈地缘政治行为,其身份认同的客观基础之一是在冰冻圈分布结构的相对位置。③ 冰冻圈国家领土博弈地缘关系有“趋利”“避害”两类。“利”指为赢得极地海权、陆权,气候变化下西方大国和地区大国开始争夺南北极200海里外大陆架权属,加强极地实质性“硬、软存在”战略布局,美国和丹麦强化格陵兰岛北极战略支点作用;“害”指冰冻圈灾害引起的跨境气候移民等国家利益受损问题。     

西藏冰冻圈消融退缩现状及其对生态环境的影响

气候变暖是全球性问题,而西藏对全球变化的响应尤为剧烈。以西藏冰冻圈为研究对象,在已有研究成果基础上,论述了西藏冰冻圈的消融退缩与全球气候变化之间的关系,认为西藏冰冻圈消融与退缩是对全球气候变暖的直接响应。西藏冰冻圈的消融退缩对该区生态环境产生了重要影响,主要包括:冰川消融直接导致了河川径流量变化以及冰川型泥石流、冰湖溃决等灾害的频发;高原冻土层的消融导致了冻融侵蚀增强、高寒草甸以及高寒沼泽草甸的退化和种群演替,同时还导致了地表向干化方向发展,加剧了区域荒漠化趋势。     

"美丽冰冻圈"融入区域发展的途径与模式

在探讨“美丽冰冻圈”内涵的基础上,从自然属性与社会经济两个层面、致利与致害两条线,分析了“美丽冰冻圈”与区域可持续发展的关系,“美丽冰冻圈”、区域社会经济发展、人类福祉构成冰冻圈—人类社会经济复合命运共同体。基于中国冰冻圈要素及其变化影响的区域差异性,选取祁连山—河西地区、青藏高原三江源地区、横断山大香格里拉地区,分别代表冰冻圈水资源影响区、冰冻圈灾害影响区、冰冻圈旅游经济区,围绕冰冻圈水资源服务与绿洲经济、雪灾害风险与畜牧业经济、冰雪旅游与区域经济等核心问题,从冰冻圈资源服务与灾害风险视角,详细阐述了冰冻圈融入不同区域发展的途径与模式。在干旱半干旱内陆地区,冰冻圈主要以水源涵养、水量供给与径流调节服务,融入绿洲社会经济发展,是一种冰冻圈水资源支撑型区域发展模式;在青藏高原高寒区,冰冻圈生态环境决定了畜牧业经济的脆弱性,冰冻圈灾害负向影响畜牧业经济,是一种冰冻圈生态支撑+灾害影响型区域发展模式;在冰冻圈旅游经济区,直接依托冰雪资源发展冰雪旅游业,是一种基于冰冻圈资源的旅游经济驱动型区域发展模式。     

青藏高原黑碳气溶胶外源传输及气候效应模拟研究进展与展望

青藏高原毗邻全球大气污染物排放增长最快速的地区,受西风和南亚季风的影响,中亚、南亚等高原周边排放的污染物通过大气环流传输,进入高原并对其气候环境产生重要影响。观测事实表明：近几十年青藏高原东部和南部雪冰中黑碳含量呈显著上升趋势,这可能导致冰川加速融化和积雪持续时间缩短,最终影响青藏高原的水循环过程。前人对青藏高原黑碳的外源输送,特别是南亚大气污染物的贡献及其对高原气候、冰冻圈变化的影响,还没有较清晰和统一的认识。青藏高原污染物定点监测网络的发展及高分辨率区域气候—大气化学模式的应用,为定量评估高原污染物外源输送及气候效应提供了契机。本文在国家自然科学基金青年科学基金项目“南亚黑碳气溶胶跨境传输及其对青藏高原气候影响的数值模拟研究”的资助下,在以下三个方面取得了进展：①系统性论证了高分辨率区域气候—大气化学模式在高原的适用性,模拟了青藏高原及周边区域黑碳时空分布、传输和沉降过程;②揭示了污染物扩散的机制,评估了大气黑碳的气候及雪冰效应,并对比了自然源粉尘和人为源黑碳对青藏高原气候的影响;③定量估算了不同区域排放对高原黑碳外源输送的贡献率,其中来自南亚的黑碳对青藏高原外源输送的贡献率最高,在非季风期为61.3%,季风期为19.4%。本文揭示了外源输送黑碳对青藏高原气候的影响,为提高一带一路核心区冰冻圈与水资源的管理及预测能力,制定应对环境变化策略及国家气候外交谈判提供科学依据。     

A review of the interaction between the cryosphere and atmosphere

The interaction between the cryosphere and atmosphere is an essential and extremely sensitive mutual action process on the earth. Due to global warming and the cryospheric melting, more and more attention has been paid to the interaction process between the cryosphere and atmosphere, especially the feedback of the cryosphere change to the atmosphere. A comprehensive review of the studies on the interaction between the cryosphere and atmosphere is conducted from two aspects: (1) effects of climate change on the cryosphere or responses of the cryosphere to climate change; and (2) feedback of the cryosphere change to the climate. The response of the cryosphere to climate change is lagging. Such a lagging and cumulative effect of temperature rise within the cryosphere have resulted in a rapid change in the cryosphere in the 21st century, and its impacts have become more significant. The feedback from cryosphere change on the climate are omnifarious. Among them, the effects of sea ice loss and snow cover change, especially the Arctic sea ice loss and the Northern Hemisphere snow cover change, are the most prominent. The Arctic amplification (AA) associated with sea ice feedback is disturbing , and the feedback generated by the effect of temperature rise on snow properties in the Northern Hemisphere is also of great concern. There are growing evidence of the impact of the Arctic cryosphere melting on mid-latitude weather and climate. Weakened storm troughs, steered jet stream and amplified planetary waves associated with energy propagation become the key to explaining the links between Arctic cryosphere change and atmospheric circulation. There is still a great deal of uncertainty about how cryosphere change affects the weather and climate through different atmospheric circulation processes at different spatial and temporal scales due to observation and simulation problems.     

Changes in the global cryosphere and their impacts: A review and new perspective

As one of the five components of Earth's climatic system, the cryosphere has been undergoing rapid shrinking due to global warming. Studies on the formation, evolution, distribution and dynamics of cryospheric components and their interactions with the human system are of increasing importance to society. In recent decades, the mass loss of glaciers, including the Greenland and Antarctic ice sheets, has accelerated. The extent of sea ice and snow cover has been shrinking, and permafrost has been degrading. The main sustainable development goals in cryospheric regions have been impacted. The shrinking of the cryosphere results in sea-level rise, which is currently affecting, or is soon expected to affect, 17 coastal megacities and some small island countries. In East Asia, South Asia and North America, climate anomalies are closely related to the extent of Arctic sea ice and snow cover in the Northern Hemisphere. Increasing freshwater melting from the ice sheets and sea ice may be one reason for the slowdown in Atlantic meridional overturning circulation in the Arctic and Southern Oceans. The foundations of ports and infrastructure in the circum-Arctic permafrost regions suffer from the consequences of permafrost degradation. In high plateaus and mountainous regions, the cryosphere's shrinking has led to fluctuations in river runoff, caused water shortages and increased flooding risks in certain areas. These changes in cryospheric components have shown significant heterogeneity at different temporal and spatial scales. Our results suggest that the quantitative evaluation of future changes in the cryosphere still needs to be improved by enhancing existing observations and model simulations. Theoretical and methodological innovations are required to strengthen social economies' resilience to the impact of cryospheric change.     

南极冰盖数值模拟研究进展与展望

数值模拟南极冰盖是提升人们认识南极冰盖演化行为的重要手段。通过数值模拟研究可以揭示某些观测数据包含的冰盖物理机理以及在缺乏观测数据的情形下预测冰盖的演化行为。本文在综述南极冰盖数值研究国际进展的基础上,分析了南极冰盖数值模拟方面几个主要模型的特点,特别针对南极冰盖的三维数值模拟展开讨论,分析并探讨了冰盖数值模拟可能会遇到的潜在不稳定源以及在拓展模型研究范围时会遇到的障碍。对目前三维冰盖数值模拟存在的几个问题进行了讨论,并对未来发展进行了展望。     

海冰离散元模型的研究回顾及展望

为描述极区及副极区海冰在不同尺度下的离散分布特性,以及海冰与海洋结构相互作用过程中的破碎性能,海冰的离散单元模型从上世纪80年代发展起来并不断完善。本文将海冰离散单元模型分为地球物理尺度( ~100km)、浮冰块尺度(10m ~ 10km)和海洋结构尺度(1m ~ 100m)等三种不同尺度,讨论了不同尺度下海冰的离散分布规律或海冰由连续状态向离散状态转化的动力过程。通过对块体、圆盘和颗粒不同形态的海冰离散单元模型的介绍,对其在极区海冰的动力特性、海冰重叠堆积及其与波浪的作用过程、海冰与海洋结构的相互作用中的应用进行了分析,对海冰强度的尺度效应进行了讨论。最后,讨论了海冰离散单元模型中存在的问题和重点研究内容。     

GIS and Field‐Based Spatiotemporal Analysis for Evaluation of Paleo–Ice Sheet Simulations*

Reconstructing paleo–ice sheets is significant for paleoclimate reconstructions and evaluations of sea level low stands. Accurate reconstructions of paleo–ice sheet dimensions and dynamics necessitate the combination of field evidence and process modeling. In this study, a GIS‐based technique was developed to quantitatively assess model output against geomorphic data. However, implementation of this technique is not straightforward and requires consideration of time‐space relationships, data representation, resolution, and analytical design. Combined use of two software tools holds considerable promise for the use, application, and interpretation of refined ice sheet models.     

Mechanical and numerical models for sea ice dynamics on small-meso scale

On small-meso scale,the sea ice dynamic characteristics are quite different from that on large scale.To model the sea ice dynamics on small-meso scale,a new elastic-viscous-plastic(EVP) constitutive model and a hybrid Lagrangian-Eulerian (HLE) numerical method are developed based on continuum theory.While a modified discrete element model(DEM) is introduced to model the ice cover at discrete state.With the EVP constitutive model,the numerical simulation for ice ridging in an idealized rectangular basin is carried out and the results are comparable with the analytical solution of jam theory.Adopting the HLE numerical model,the sea ice dynamic process is simulated in a vortex wind field.The furthering application of DEM is discussed in details for modeling the discrete distribution of sea ice.With this study ,the mechanical and numerical models for sea ice dynamics can be improved with high precision and computational efficiency.     

中国2003年北极海冰调查及未来北极海冰研究战略

以建立气候模式中的海冰模式为主线 ,首先回顾了国际上海冰模式发展现状和趋势 ,从现有模式机理上存在的问题说明认识海冰各物理过程的现场和实验室调查研究的关键科学问题。之后介绍了中国第二次北极科学考察中的海冰调查内容。最后结合国内调查研究能力和国际上海冰科学发展走向 ,根据国内外资料和极地海冰的客观现象 ,提出 6项战略 ,希望作为以后中国北极海冰理论和模式为背景的现场和实验室研究的方向。     

Mass Balance of the Greenland Ice Sheet: Can Modern Observation Methods Reduce the Uncertainty?

The future contribution to sea level change from the large ice sheets in Greenland and Antarctica is composed of two terms: (i) a background trend determined by the past climate and dynamic history of the ice sheets on a range of time scales (decadal, millennial or even longer); and (ii) a rise/fall related to future climate change, whether due to anthropogenic effects or natural climate variability. The accelerating development of remote sensing techniques for monitoring ice sheet behaviour, and the use of high-resolution general circulation models to estimate temperature and precipitation changes are likely to result in improved estimates of the sensitivity of ice sheet mass balance to climate change and thereby to narrow down the uncertainty of contribution (ii). Contribution (i) is much more difficult to assess, because the mass balance displays large temporal variability on year-to-year and even on decadal time scales that masks the long-term trend. So, although modern remote sensing techniques enable accurate measurement of ice sheet surface elevation change, the mass changes derived from such measurements, even if performed over a period of several years, might just reflect a statistical fluctuation around the long-term background trend, which we must know in order to assess the future ice sheet contribution to sea level change on century and longer time scales. The measured volume changes must therefore be evaluated on the background of short- and long-term accumulation rates (e.g. determined from ice cores and high-resolution ice radar) and dynamic model studies of ice sheet evolution on century, millennial and longer time scales. The problems are illustrated by using the Greenland ice sheet as an example.     

南极冰盖内部等时层研究进展综述

南极冰盖内部等时层记录了不同时期冰盖表面的特征及其演变,蕴含了丰富的冰下环境信息。目前,已成为研究大空间尺度与长时间尺度上南极冰盖演化及其底部环境的重要媒介。地球物理观测和数值模拟技术的综合使用,实现了南极冰盖内部等时层在大陆尺度上的可视化。通过这些内部等时层,冰川学研究将南极冰盖内部的古冰流与千年至百万年时间尺度的地貌及冰下环境的变化细节联系起来,得到了一系列数量化的结果。针对南极冰盖,综述产生内部等时层的冰盖动力学物理机理及其在冰川学上的应用,评估在五个方面的运用:(1)深冰芯断代与选址;(2)冰盖动力学过程;(3)冰盖物质平衡;(4)冰盖稳定性;(5)冰下环境。另外,基于对内部等时层的已有认识,对未来在内部等时层研究中可能需要强化的领域进行了归纳:(1)发展更精细描述并测试内部等时层结构时空变化的数值模拟技术框架面临的挑战;(2)如何从内部等时层蕴含的信息推断鉴别以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化;(3)为获得更高分辨率的内部等时层结构图像,得到关于冰盖内部冰体形变与演化的更多数量化信息,如何强化冰盖冰下环境的重复观测。     

电磁感应技术在波罗的海海冰厚度探测中的应用研究

海冰作为冰雪圈的重要组成部分,对气候变化十分敏感,海冰物理过程研究需要得到精确的海冰厚度。本文介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在波罗的海(Baltic Sea)的成功应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁感应原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪直接观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的转换关系式,并对通过该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据,平均相对误差仅为12%。对波西尼亚海湾(Bothnian Bay)海冰厚度探测剖面的统计结果表明,2007年春季该区域平整冰厚度范围在0.4-0.6m之间。