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媒体：文汇报 作者：秦大河
专业号：梅泥
2008/7/6 15:08:27
冰冻圈：气候研究核心
  我国的冰冻圈集中在西部和东部，共有冰川46000多条，面积59425平方公里，冰储量5.6万亿立方米。多年冻土220万平方公里，占国土面积23%，冰储量9.5万亿立方米。稳定积雪420万平方公里，水当量750亿立方米。  日本国立极地研究所的研究人员展示100万年前的冰芯样本  南极协和圆丘：欧洲南极冰芯钻探项目（EPICA）冰芯钻取点  2008年3月8日傍晚，我国第24次南极科学考察队员在冰山上采集冰芯样品  全球气温、海平面、北半球积雪变化 |
□秦大河 秦大河，中国科学院院士，第三世界科学院院士，原中国气象局局长。现任中科院地学部主任，中国气象学会理事长，中科院冰冻圈科学国家重点实验室主任。地理学家，长期从事冰冻圈与全球气候变化研究，多次参加、主持南北极、青藏高原和中国西部地区科学考察和研究，取得多项创新性成果。 ●冰冻圈与大气圈、水圈、岩石圈、生物圈一起,被认为是影响气候系统的五大圈层。 ●在全球变暖导致冰冻圈加速萎缩的现实背景下，国际上冰冻圈的研究已受到前所未有的重视，成为气候系统研究中最活跃的领域之一。也是当前全球变化和可持续发展研究领域关注的热点。 ●作为冰冻圈发育大国，我国的冰冻圈研究不仅具有科学上的重要性，而且显示出其在国家战略需求上的紧迫性。 冰冻圈是指地球表层由冰川、极地冰盖、积雪、冻土、海（湖、河）冰等固态水组成的圈层。冰冻圈科学主要研究冰冻圈各组成部分形成、演化的内在机理与过程以及与其他圈层之间的相互作用。 什么是冰冻圈 冰冻圈，是指地球表面水以固态形式存在的部分，包括所有种类的冰、雪和冻结土，如冰川（包括山地冰川、冰帽、极地冰盖、冰架等）、积雪、冻土（多年冻土和季节冻土）、海冰、河冰、湖冰等。研究冰冻圈各组成部分的各种特性、生消过程、演化机理、古环境记录、与其他圈层相互作用以及对人类社会的影响等，均属于冰冻圈科学的范畴。冰冻圈由于对气候的高度敏感性和重要的反馈作用而与大气圈、水圈、岩石圈（陆地表层）、生物圈一起，被认为是影响气候系统的五大圈层。 人类活动引起的全球气候系统变暖已成为21世纪全球可持续发展的一个重大问题。IPCC(政府间气候变化专门委员会)第四次评估报告明确指出：在过去的一个多世纪中，100年（1906-2005）里全球平均地表温度上升了0.74摄氏度，与此同时，海水温度升高、大范围积雪融化、冰川退缩以及海平面上升等都表明气候系统的变暖是毋庸置疑的，而人类活动“很可能”是气候系统变暖的主要原因。 地球表层发育的冰川（盖）、积雪、冻土、江、河、湖、海冰，以及大气圈中的固态水组成了地球冰冻圈。我国冰冻圈分布广泛，不仅有重要的气候效应，还是干旱区和绿洲经济发展以及保障寒区生态系统稳定的重要水源，关系到西部大开发战略实施和国家重大工程建设的安全。中国冰冻圈还是亚洲大江大河的源头区域，直接滋润着流域内27亿人口。在全球变暖、冰冻圈退缩的背景下，冰冻圈科学受到前所未有的重视，已成为国际气候系统及全球变化研究中最活跃的领域之一，也是当前全球变化和可持续发展研究领域关注的热点。 21世纪初期启动了世界气候研究计划（WCRP）新的核心计划——气候与冰冻圈计划（CliC,Climate and Cryosphere），我国是WCRP/CliC计划的主要发起国之一。将冰冻圈视为一个整体，通过多学科交叉、新技术应用、重大计划推动，开展全球尺度的系统性、集成性研究已成国际趋势。 世界气候研究核心计划 过去半个多世纪，国际冰冻圈研究在如下领域获得了较大进展：大尺度冰川（盖）、积雪、海冰、冻土变化的监测与归因；雪冰下垫面与大气相互作用模拟；冰川/盖与海平面变化的测算与模拟；南北极海冰与气候变化的诊断与模拟；全球变暖现实条件和未来情景下的冰川动力学（包括西南极冰盖和格陵兰冰盖的稳定性）及其影响评估；冰川快速崩解（融化）与大洋传输带停滞以及气候突变的关系、长序列江/河/湖冰变化及其对气候变化的响应、冰芯及其他寒区介质中的气候与环境记录等。 21世纪初期启动了世界气候研究计划（WCRP）新的核心计划——气候与冰冻圈计划 （CliC,Climate and Cryosphere），CliC计划的启动是冰冻圈研究成为国际热点的标志。CliC确立了国际冰冻圈研究的四大领域：陆地冰冻圈与寒区水文气象、冰川（盖、帽）与海平面变化、海洋冰冻圈与高纬海洋-大气相互作用关系、冰冻圈与全球气候变化的联系。 我国是WCRP/CliC计划的主要发起国之一，并在国际上率先成立了WCRP/CliC国家委员会，下设9个专业工作组，分别是冰川/冻土工作组、寒区水文工作组、气候与寒区海洋/陆地生态工作组、海冰/海洋/大气相互作用工作组、冰冻圈遥感探测与数据库工作组、冰冻圈变化与气候预测工作组、寒区经济社会可持续发展组、冰冻圈变化对寒区工程影响评价工作组、影响减缓/适应综合评估工作组，凝聚了我国冰冻圈研究队伍的中坚力量。 将冰冻圈视为一个整体，通过多学科交叉、新技术应用、重大计划推动，开展全球尺度的系统性、集成性研究已成国际趋势。国际科学联盟和世界气象组织联合发起的国际极地年计划（IPY2007～2008），强调通过国际合作、多学科交叉，在极地地区建立完善的观测体系的基础上，增强对极地与全球关系的认知。全球陆地冰空间观测计划（CLIMS）则通过遥感技术对全球冰川变化进行动态监测，评估其影响；国际横穿南极科学考察计划（ITASE）和国际冰芯研究伙伴计划（IPICS）则正在计划更精细化和更大范围的冰芯记录研究。上述计划均突出了研究的区域甚至全球尺度、国际间多学科联合攻关、新的观测与模拟技术的推广应用。 我国以冰川、冻土和积雪为代表的冰冻圈分布面积广、影响区域大，其变化直接影响着干旱区绿洲存亡、湖泊消涨、寒区生态演替、区域气候变化、山区灾害等。冰冻圈对我国西部水文、生态的影响具有牵一发动全身的作用。 我国冰冻圈特点 我国是中、低纬度地区冰冻圈最发育的国家，冰冻圈的状态与我国的水安全息息相关。我国冰川面积达59425平方公里，占全球中、低纬度冰川面积的50%以上；多年冻土区面积约220万平方公里；稳定积雪区（积雪日数超过60天）面积约420万平方公里。冰雪和冻土的广泛发育，对我国乃至亚洲众多大江大河都有重要影响。 冰川是我国极其重要的固体水资源，冰储量约为5600平方公里，折合水量约为50000×108立方米，相当于5条长江年径流量以固态形式储存于西部高山。通过冰川不断的补给和消融，调节着西部的江河径流，每年平均冰川融水量约为600×108立方米。 实际上，正是由于众多冰川的存在，才使得我国深居内陆腹地的干旱区形成了许多人类赖以生存的绿洲，也使得我国干旱区有别于世界上其他地带性干旱区。这种冰川-绿洲景观及其相关的水文和生态系统稳定和持续存在的核心是冰川，没有冰川就没有绿洲，也就没有在那里千百年来生息的人民。 冰冻圈变化对亚洲和我国的水安全有突出影响。我国冰冻圈作用区是亚洲10条大江大河（长江、黄河、塔里木河、怒江、澜沧江、伊犁河、额尔齐斯河、雅鲁藏布江、印度河、恒河等）的源区，冰川、冻土和积雪对这些江河水资源的形成与变化有着十分重要的影响。冰川变化对水资源的影响表现为：短期内，冰川的加速萎缩可导致河川径流增加，随着冰川的大幅度萎缩，势必引发河川径流的持续减少，不仅减少水资源量，更使冰川失去对河川径流的调节作用，导致水资源－生态与环境恶化的连锁反应，进而影响人类发展。同时，冻土的水资源效应也应给予高度重视并展开研究。 冰冻圈维系着我国西部高寒和干旱区生态系统的稳定。以冰川、冻土和积雪为核心要素构成的我国冰冻圈系统对高寒和干旱区生态系统有重要影响。冰川变化影响寒区和干旱区河川径流、湖泊湿地等水域的变化，通过水循环的改变，影响生态系统的变化。由于冻土分布面积广阔，冻融过程中的水量、能量循环对水文、生态和气候的影响十分显著。 冰冻圈是气候系统的重要组成部分，其变化对我国及周边地区的气候有重要影响。冰冻圈作为冻结的水体，对气候变化十分敏感，气候变化影响冰冻圈的变化，反之，冰冻圈通过其反照率、温室气体源汇、气溶胶等作用影响气候变化，冰冻圈的扩展或萎缩会导致参与局地、区域或全球能水循环的能量和水量减少或增加，并伴随着能水平衡的改变使其与气候、水文、环境和生态等之间产生一系列相互作用过程。 我国是受冰冻圈灾害影响最为严重的国家之一。随着全球变暖，冰川的加速融化和冻土的退化，已引起了与之相关的冰湖溃决、洪水/泥石流、冰崩、雪崩以及冻土热融等各类冰冻圈灾害发生频率、强度、范围的增加，严重威胁到人民生命财产的安全以及交通、建筑、信息等的畅通。同时，青藏高原和东北多年冻土区工程众多，如青藏公路、青藏铁路、格－拉输油管线、兰－西－拉光缆线等。随着气候变暖，冻土的热融等灾害问题将会越来越突出，直接威胁着我国多年冻土区工程的建设、安全运营与维护。因此，为了保障我国西部地区经济社会发展和国家信息安全及畅通，冰冻圈灾害问题已成为值得关注的重大问题。 围绕国际科学前沿和国家需求，进行冰冻圈科学研究的综合集成并形成冰冻圈科学体系是我国未来冰冻圈研究的主要趋势。 冰冻圈研究进展 冰冻圈研究的科学意义及其应用前景。首先，冰冻圈研究可为系统评估水资源、生态环境的影响提供科学依据。当前，世界范围内冰冻圈萎缩成为普遍现象，各方面的影响逐步显现。冰川变化是我国西部水资源和灾害的重要因子，对未来西部水资源可持续利用、灾害防治影响深远，广泛分布的雪盖和冻土变化是高海拔和高危地区地表土壤墒情变化的关键决定因素，对地表植被、土壤水分、地下水系统的影响极为重要。深入开展这些方面的研究，不仅有利于改善西部地区人们生存环境，也有利于经济社会发展。其次，冰冻圈研究可为认识地球气候变化机制、提高气候模式的预测能力提供理论基础，为国家长远发展战略的制定提供依据。 总之，我国以冰川、冻土和积雪为代表的冰冻圈分布面积广、影响区域大，其变化直接影响着干旱区绿洲存亡、湖泊消涨、寒区生态演替、区域气候变化、山区灾害等。冰冻圈对我国西部水文、生态的影响具有牵一发动全身的作用。鉴于冰冻圈过程及其影响的复杂性，需要从全局出发，深入、综合、集成地开展系统研究，为国家西部发展提供科学积累和支撑，为满足国家需求提供科学依据，是十分必要和紧迫的。 围绕国际科学前沿和国家需求，进行冰冻圈科学研究的综合集成并形成冰冻圈科学体系是我国未来冰冻圈研究的主要趋势。我国冰冻圈研究正在紧扣国际前沿和趋势，结合中国国情和实际，形成冰冻圈科学理论体系。主要表现在： 在研究手段上，强化了遥感、地理信息系统、地球定位系统、野外自动监测系统、室内计算机模拟等在冰冻圈研究中的应用； 在机理研究方面更加关注不同模型的建立和应用；在青藏高原及亚洲其他山地冰芯气候环境记录研究方面更加强调综合集成，而不仅限于“一孔之见”；在南极地区冰川I研究方面，在继续关注表层雪冰过程研究的同时，积极开展深孔冰芯气候环境记录和区域物质平衡研究，拓展对于全球变化的认识水平； 在冰冻圈气候模式方面，在区域气候模式中已关注到冰川、积雪和冻土下垫面的气候效应。 与此同时，冰冻圈变化的影响研究也得到了高度重视，对冰川I变化的水文与水资源效应、冻土变化的水文与生态效应、冰冻圈变化的环境效应等已成为我国冰冻圈研究的重点内容；在冰冻圈变化适应对策研究方面，以综合评估为重点的研究成果也使我国冰冻圈变化的综合认识提高到新的水平。 “冰芯”:无言的诉说 冰冻圈变化是气候变化的敏感指示器。储存于冰冻圈内的气候环境信息十分丰富，如积雪、河湖海冰、冰川与极地冰盖的范围与冰量变化、冰层内物理化学生物等浓度、冰缘地貌、泥炭沉积、地下冰、钻孔温度等均能反映不同时间尺度上的气候变化。因此，冰冻圈介质，尤其是冰芯，可为全球变化研究提供丰富的、高分辨率的气候环境记录，深化全球变化的认识水平，成为各国科学家“抢手”的研究对象。 2006年1月24日，日本第47次南极观测队在“富士圆顶”观测点成功钻取到南极冰盖以下3028.5米的一块100万年前的冰芯样本。 对这块百万年冰的研究发现，目前南极的二氧化碳和甲烷浓度比过去65万年里任何时候都要高。日本的研究小组还希望通过这个冰芯样本，研究冻在里面的微生物进化情况。 “欧洲南极冰芯钻探项目”科考小组，今年3月12日荣获了笛卡尔研究奖，以表彰他们在科学领域的卓越表现。该项目成员来自欧洲10个国家(德国、比利时、丹麦、法国、意大利、挪威、荷兰、英国、瑞典和瑞士)的12位合作者。该国际合作研究团队于1995年着手钻取的第一个南极冰芯长3190米，可以重现80万年前南极洲温度变化和温室效应引起的大气组成成分变化。2001年第二个冰芯以详细形式显示了南北半球气候的接合。 巴西、智利和美国科学家目前正在南极大陆钻取一个深133米的冰芯，以研究近250年来的全球气候变化。钻探工作于2007年12月启动，钻探地点选在海拔2000米的南极底特律高原，目前已获得一些样品。 我国科学家在冰芯钻探方面也取得了令人瞩目的进展——2006年3月25日，中国第21次南极考察队顺利凯旋。此次考察的最大收获之一是在南极冰盖最高点domeA上，成功钻取了长达135米的冰芯，成为世界上迄今为止在南极冰盖最高点区域获取的惟一一支冰盖顶点冰芯。 南极冰山大都是由降雪积压生成，南极内陆降的雪变成冰山的时间，平均超过1万年。因此，南极冰山又称为“万年冰”，具有很高的科学研究价值。下图为今年3月8日，我国第24次南极科学考察队员在南极冰山上采集冰芯样品。 极地地区对全球气候变化有“放大器”的作用。历史和现代的观测结果都表明，极地气候变化的幅度是中/低纬度地区的2倍，这说明在极地更易于监测到在中、低纬区不易察觉到的细微变化。 南极冰盖是过去全球气候环境变化最好的记录载体。南极冰盖以其沉积连续、单位时间内沉积量大、后生受到的干扰较少，保存了过去气候、环境变化高分辨率、连续的记录。在过去几十年到几十万年气候环境变化的研究中，南极冰芯研究占有独特地位。这也是各国争先在南极开展冰(雪)芯研究的主要原因。 相关链接 陆地冰冻圈 陆地冰冻圈（包括积雪、湖冰、河冰、冰川/盖、季节冻土、多年冻土）在气候系统的不同时间尺度上（日、季、年际、十年际、百年际）均产生重要作用。这些作用主要通过影响地球表面能水循环过程，比如影响辐射平衡过程（如雪冰反照率反馈机制），热调整，水汽、陆地海洋气体和其他物质通量交换，雪冰作为水循环过程中水的储备形式，影响径流（主要在冻土地带）等。其次，以天然气水合物和冻结态有机物形式存在的温室气体（CO2,CH4）的变化影响到碳循环，因而也影响到气候变化。 冰冻圈对理解、预测气候系统至关重要，尤其是对中、高纬度地区以及高海拔地区。需对冰冻圈关键过程在空间上高覆盖度、时间上高分辨率地进行持续监测。雪冰储量和范围变化会引起能水循环的巨大变化，进而产生一系列经济社会后果。所以，迫切需要就陆地冰冻圈对地面和大气的影响与反馈机制进行研究，以提高气候预测能力。 陆地冰冻圈在气候模式中的影响因子包括陆地雪盖、冻土（包括永久冻土）、湖（河）冰以及冰川。陆地冰冻圈关键问题主要包括：十年至百年尺度上陆地冰冻圈变化的形式、幅度及其变率，以及与之相关的水循环的变化。 海洋冰冻圈 海冰约占全球海洋表面的10%，极大地影响着海洋与大气之间的物质、能量过程与大气之间的物质、能量过程，主要改变表面辐射平衡，以及海洋/大气间动能、热能和物质交换。 海冰冻结会析出卤水使得海洋表面混合层加厚，反之，海冰融化产生含盐度较小的水体使混合层进一步分层。通过这些过程，海冰在全球热量平衡、全球热盐环流等方面起着重要作用。气候变化导致的海冰退缩产生全球尺度的气候影响，其反馈过程进一步加大气候变化。 全球气候模拟预测2050～2060年间北冰洋可能产生无冰季节。应在良好的冰参数化基础上进一步模拟，论证这种可能性。预测未来十年至百年尺度极地海冰变化，要进一步提高海/冰/气相互作用的理论研究并进行持续不断地观测。尤其对短时间尺度（季节、年、年代际）海冰变化预测在观测的基础上必须达到全面和准确。海洋冰冻圈模拟主要考虑海冰，但冰山和冰架也应考虑。海洋冰冻圈关键问题主要是：海冰变化规律，极地海冰物质平衡对气候变化的响应及其变率。 海平面在上升 过去100年间，海平面上升了10～26厘米，其中海洋热膨胀引起2～7厘米的上升量，其余主要归因于陆地冰的融化。影响全球海平面变化的诸因子中，最大的不确定因子是南北极冰盖。山地冰川目前多数处于退缩状态，因此也对海平面上升起很大作用。因此要研究当前海平面并预测未来，对冰盖/冰川（包括冰架）物质平衡观测研究十分重要。 冰冻圈与全球海平面变化关键问题是：冰川、冰帽和冰盖对十年至百年尺度全球海平面的影响。 |
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