任賈文:冰凍圈物理研究的新視野

本文刊載於《中國科學院院刊》2020年第4期

專刊：冰凍圈科學與可持續發展

任賈文1,2

1 中國科學院西北生態環境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室

2 中國科學院大學 資源與環境學院

冰凍圈物理研究旨在探究冰凍圈各要素的物理性質、冰凍圈各要素形成與演化，以及冰凍圈與其他圈層相互作用等諸多過程中的物理機制，為冰凍圈科學研究的各個方面提供理論支撐；冰凍圈物理研究是冰凍圈科學基礎研究的核心，貫穿於冰凍圈科學研究的各個方面。

冰凍圈要素種類較多，包括冰川（含冰蓋）、凍土、積雪、河冰和湖冰、海冰、冰架、冰山、海底凍土，以及大氣中的固態水等。這些冰凍圈要素因其物質組成、形成和發育條件、演化過程等存在差異，其物理性質和各種過程的物理機制有所不同。另外，過去長時期內冰凍圈各要素的研究都是相對獨立發展，研究歷史不盡相同，發展也不平衡。

隨著冰凍圈科學體系的建立，不僅要系統性地從圈層整體出發開展冰凍圈物理研究，也要對各個冰凍圈要素的物理過程繼續深入研究，研究內容十分廣泛，不同研究內容的時空尺度和精細程度也有很大差異。因此，有必要根據學科發展的動態和國家重大需求，對冰凍圈物理研究的發展給予一些梳理和思考。

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冰凍圈物理研究的發展

所有冰凍圈要素中的核心物質是冰，了解冰的各種物理性質是探究冰凍圈各要素物理過程的基本前提。因此，可從冰物理學和冰凍圈各要素物理學兩方面簡略概述冰凍圈物理研究的發展過程。

冰的基本物理性質

自古以來，人們對自然界廣泛存在的冰和雪並不陌生，儘管冰的一些奇妙特性一直吸引著人們的興趣，但對其基本物理性質的認識長期停留在肉眼觀察和表觀感知上。

近百年來，隨著精密儀器和實驗技術的迅猛發展，冰因其特性在許多領域的應用迅速增長，如冰凍圈科學、大氣科學、地質和地球物理學、冰工程學、低溫生物學等，冰的微觀結構和物理性質的相關研究也得到了快速發展。20 世紀早期的實驗觀測明確了自然界中的冰為六方晶體物質，冰在某些方面的性質與其他晶體物質（如某些金屬和礦物等）具有一定程度的相似性。20 世紀 40 年代後期，冶金學和材料力學等研究方法的引入，使得對冰的物理性質和力學特性的實驗研究得以廣泛開展。

到 20 世紀 50 年代末，研究人員已明確了冰的基本力學特性，揭示出冰雖然作為固體具有剛體脆性，但在高溫下（自然界的冰都較為接近熔點）儘管還有一定的彈性，其塑性特徵卻是最主要的，且主要變形屬於蠕變範疇，可表述為冪函數蠕變規律。與此同時，對冰的其他物理性質的實驗觀測也大量開展，到 20 世紀 60—70 年代，研究人員對冰的各種物理性質已經有了大致了解，這奠定了冰物理性質的基本概念。

冰的物理性質受多種因素的影響，如溫度、受力狀況、雜質成分和含量，以及冰的結構（如組構特徵、晶粒尺寸、密度、氣泡等）等。如果是巨大冰體，這些影響因素往往在空間上不均一，在時間上也有變化；因而，對各種各樣冰體物理性質的現場觀測和實驗研究一直在持續探索中。這使得冰的物理性質的基本概念不斷完善，各種類型冰的實驗觀測數據也得以不斷豐富。

冰凍圈主要要素物理特徵研究

由於冰凍圈不同要素的主要物理過程不盡相同，對其物理特徵的研究重點也有差異，但總體上主要以水-熱和動力過程為主。

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在冰川動力學方面

就冰川來說，冰體流動及其相關過程是最為核心的內容。因此，19 世紀以前就已有對冰體流動機理的探索。然而，由於對於冰的微觀結構和流變特性的認識不是很清晰，關於冰川運動的機理長期處於各種假設和爭論中。直到 20 世紀中期，冰的蠕變規律的大量實驗結果湧現以後，研究人員才對冰川的流動機制有了一致的認識，建立了冰體在自重作用下的蠕變變形和當底部溫度達到或接近熔點時的滑動運動的基本理論。由於冰的真實變形規律為冪函數，在冰川運動模擬中的數學處理非常困難，因此用理想塑性體或黏性流體近似描述冰體變形也比較普遍。

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在冰川熱力學方面

冰川熱力學研究也有較長歷史，起初主要以溫度場描述開展，後來則是伴隨冰川動力學研究將其耦合到冰體動力學模擬研究中，冰川表面能量平衡和物質平衡也由統計經驗模式向物理模式、由單點向分布式模式發展。

凍土物理特徵研究

凍土物理特徵的重點是土壤凍融過程中水-熱輸運的耦合機制和凍土力學特性。相比於冰川研究，凍土研究歷史較短，尤其是凍土區工程相關問題研究於 20 世紀中後期才迅速發展起來。水-熱耦合作用是凍土學研究的核心科學問題，主要因為水分遷移和相變對溫度起著決定性影響，溫度及其梯度又直接影響土壤水分遷移及相變。凍土力學既是凍土物理學的主要內容之一，又是凍土學的一個重要分支，因其是處理凍土工程問題的基礎，一直受到格外重視。

由於凍土的物質組成極為複雜多樣，正凍土和正融土中的水-熱過程也伴隨著力學過程，從而引起土體的凍脹和融沉。因此，水-熱-力三場耦合成為了凍土研究的本質問題。又因為土體中和水分中常含有鹽分，鹽分介入對水-熱-力三場耦合作用機制具有極大影響，從而也影響著土體的凍脹和融沉，於是近年來水-熱-力-鹽四場耦合問題受到關注。凍土物理特徵的研究更多依賴於實驗室各種土體樣品的觀測和實驗。

積雪物理特徵研究

積雪物理特徵研究常常與氣象學和水文學聯繫在一起。因為積雪的存在改變了地表作為大氣下墊面的特性，特別是雪面的高反照率對地表能量平衡有重要影響，而積雪融化又是地表水文過程的一個重要方面。積雪物理特徵研究的重點是不同類型積雪變化過程中的各種物理特性定量描述、雪的粒雪化過程、在溫度梯度作用下雪層內水汽遷移及再凍結、深霜及雪板的形成、雪的光學性質和積雪融化等。受監測手段制約，早期的研究以積雪的主要物理特性和變化特徵的定性描述和分類居多，隨著遙感應用及數值模擬的發展，積雪的能量和質量遷移模式不斷優化。

海冰物理特徵研究

冰的物理特徵研究歷史也較短，可分為 2 個方面。

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大範圍海冰（主要是北極海冰和南極海冰）的形成和演化過程的物理機制

重點描述海冰相關的物理參數分布，為建立海冰模式和預測其變化服務。其中，北極海冰研究歷史相對較長，但也基本在百年以內，這方面研究中熱力學內容佔的比重較大，主要基於能量平衡和物質平衡來開展。較早研究因受實地監測資料限制，對某個參數的分散研究較多。20 世紀 90 年代初以來，隨著遙感應用的發展，大範圍多參數實時監測資料迅速豐富，對海冰各種物理參數和相關過程的系統研究快速發展。

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針對海冰工程問題的物理特性研究

以冰力學為主要內容，實驗研究較為突出。這方面研究因主要針對港口等具體工程問題，相對比較分散。

河冰物理特徵研究

主要針對河冰的形成、融化解體及冰凌問題，以冰的熱力學和河流水力學的耦合為重點。相比於冰凍圈其他要素，河冰物理研究歷史較短，針對工程和災害的研究特點比較突出。相對來說，北美的研究歷史較長，但也主要是 20 世紀中期以後才發展起來。

概括來說，20 世紀中後期是冰物理和冰凍圈物理過程研究迅猛發展的時期，冰的基本物理性質和冰凍圈各要素物理過程的基本概念得以大致明確。早期冰凍圈各要素研究相對比較獨立，21 世紀以來冰凍圈多要素綜合研究得到重視。

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冰凍圈變化及其影響的研究亟待物理學過程精細化研究的支持

在冰凍圈科學研究中，冰凍圈如何變化及其會產生怎樣的影響是最受關注的科學問題。冰凍圈的模擬和冰凍圈與其他圈層相互作用的模擬，決定了對冰凍圈變化及評估其變化所產生影響的預測，而這些模擬研究的基礎就是對冰凍圈所涉及的各個物理過程的描述。對冰凍圈相關物理過程描述的準確性和精細程度決定著模擬結果的可靠性，因此冰凍圈物理研究在支持冰凍圈變化和影響模擬方面的發展需要重點加強。

冰凍圈物理參數的獲取能力亟待提升

深入理解冰凍圈物理過程和模擬研究，需要全面、系統的監測數據，足夠長的監測時間，以及更高的監測效率和數據共享能力。

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完善地面監測網絡

在現有監測網絡基礎上，完善監測地點布局，優化監測設備和數據採集系統，提高地面監測能力。

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發展自主遙感和空基監測手段

研發和搭載冰凍圈衛星遙感傳感器，同時研發和應用航空監測技術，提升空-天監測能力。

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提高數據傳輸和資料庫應用能力

發展並建立地面監測數據傳輸系統，建立遙感和航空監測數據融合系統；通過大數據和雲計算等新技術的應用，加速研發數據產品，達到數據共享，提高對冰凍圈物理學過程和模擬研究支持的效率。

冰凍圈實驗室建設及研究亟待系統性加強

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實驗室研究是冰凍圈物理學研究中至關重要的環節

通過實驗室內的樣品測試和模擬實驗等一系列研究，可達到精確測量某些重要物理參數、觀察重要的物理過程、揭示某些參數之間相互影響等方面的目的。實驗室研究在科研條件上需要很大的經費投入，如建造實驗室、建立各種實驗環境控制系統、配備相關的儀器設備等；因此，目前冰凍圈實驗室主要以小型和分散的實驗研究為主，側重於對樣品某些物理參數的測定和單一物理過程的實驗觀測。由於自然界的冰凍圈變化是各種物理過程綜合作用的結果，通過實驗室人為控制環境條件來考察 2 種或多種物理過程，揭示幾種重要物理過程之間的相互影響，對建立冰凍圈模擬耦合模式十分必要。因此，需要加強實驗室建設，特別是要著力發展實體模擬實驗和相似性模擬實驗研究。

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實體模擬實驗室是冰凍圈實驗室研究的發展目標之一

實體模擬實驗可以是單個目標或單個參數的模擬實驗，如風吹雪的起動和運動實驗、靜態水和流動水體結冰實驗等；也可以是具有一定綜合性特徵的實驗，如凍土凍脹-融沉及變化過程實驗、不同形式河冰與水流相互作用實驗等。這類實驗研究的特點是能夠在人為控制條件下真實再現需要研究的物理過程，以便建立比較準確的有關參數之間的定量關係。由於在室內很難將一個完整的冰凍圈要素或者很大一部分實體再現，建造與自然狀態具有相似性的模擬體進行觀測研究是實驗室研究的發展目標之一。比如，要精細地了解冰川、海冰和河冰等運動過程，可以在室內按幾何相似和物理相似原則建造相似性模型，通過人為控制坡度、水流、壓力、溫度等條件進行相似性樣本運動過程觀測。

冰凍圈多模式以及與其他圈層模式的耦合研究需緊密結合

如前所述，冰凍圈變化及其影響是多種物理過程的綜合體現，因而對其研究迫切需要多模式耦合以提高冰凍圈變化和影響的定量化水平。

在冰凍圈自身的模擬方面，能量-物質平衡、力學-動力學與熱力學過程、水分遷移和熱量傳遞等許多過程都是相互影響的；因此，要準確地描述某一個過程，必須要考慮與之密切相關的另外過程。例如，對冰川運動來說，溫度不僅是冰的蠕變變形中至關重要的參數，也決定著冰川底部的運動和動力學條件，而冰的應變和冰體滑動又會產生熱量從而改變溫度；因此，要想很好地描述冰川動態變化，就需要將冰川動力學模式與熱力學模式耦合起來。物質平衡是冰川變化的驅動因子，要獲得比較準確的物質平衡時空變化，必須依賴分布式能量-物質平衡模式；凍土中的水和熱更是密不可分，發展水分遷移和熱量傳遞的耦合模式研究是凍土模式研究的核心，而凍土的力學問題也與凍土水-熱過程密切相關；積雪變化不僅涉及能量平衡，還涉及到融水下滲和流失等過程；海冰消長雖取決於表面和內部的能量-物質平衡過程，但與海水之間的相互作用也極為重要。

由於冰凍圈是在氣候環境等條件變化的驅動下發生變化，反過來其變化又影響氣候、水文、生態等，在冰凍圈變化和影響研究中，必然要將冰凍圈與其他圈層的模式研究進行耦合。過去長時期內，一方面冰凍圈各要素模式發展不平衡，另一方面因冰凍圈與氣候系統其他圈層的模式研究在時空尺度和解析度上不夠匹配，冰凍圈模式與其他圈層模式研究的耦合進展緩慢。因此，未來需要將冰凍圈模式研究與其他圈層模式研究緊密結合，促進冰凍圈變化及其影響研究的發展。

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加強冰凍圈物理研究是推進冰凍圈災害和服務研究的關鍵

冰凍圈科學發展的一個重要方向是將冰凍圈研究與社會經濟發展緊密結合，為解決國家重大需求和地方的可持續發展服務。依據我國冰凍圈分布狀況及其影響區域，以及國家對冰雪運動產業的需求，近期內冰凍圈物理研究應主要針對冰凍圈災害防治和冰凍圈服務來開展。

冰凍圈災害物理機制和防治措施技術研究

冰凍圈災害種類繁多，分布廣泛。在氣候變暖背景下，冰凍圈快速變化特徵明顯，冰凍圈災害頻發的風險和影響日趨嚴重。特別是近年來冰川躍動、冰崩、冰湖潰決、洪水、冰川泥石流、多年凍土滑塌等造成的危害劇增；風吹雪和雪崩、冰凍雨雪及暴風雪、河流冰凌等災害也引起更多關注。目前，對這些災害分布的調查、危險性評估和風險管控研究雖已有開展，但仍缺乏對可採取的工程防治措施的研究。隨著冰凍圈災害發生概率的加劇，相關工程防治措施將成為必要的選擇。為此，應當針對冰凍圈災害發生的機理、工程措施中的關鍵物理參數、災害過程模擬和工程效率實驗等開展系統研究，為災害的防治提供基礎科學支撐。

冰凍圈服務——冰雪體育和冰雪旅遊產業中的冰雪物理研究

冰雪體育和大眾冰雪娛樂活動是以冰雪為界面的第三產業新興產品，屬於冰凍圈人文服務。不同類別的冰雪產業對冰雪物理性質具有不同的要求。我國冰雪資源豐富，冰雪體育和冰雪旅遊產業的發展具有廣闊前景。尤其是以 2022 年北京冬季奧林匹克運動會為契機，推動我國廣大民眾參與冰雪體育和發展冰雪旅遊產業已成為全社會的共識。

目前，以滑雪場建設為標誌的冰雪體育和旅遊產業已蓬勃興起，全國已建成運營的滑雪場達上千個，還有更多滑雪場正在籌建或計劃中。但是，與國外相比，我國單個滑雪場的規模、質量、運營效率都普遍低下，特別是雪道和雪質不夠規範。從體育賽事角度來看，作為我國雪上運動訓練基地的歷史較長的東北地區某些滑雪場，甚至是北京冬奧會張家口賽區滑雪場，在如何使雪道和雪質滿足要求、保證賽事圓滿也存在挑戰。

因此，需要開展冰雪物理基礎研究以為其提供科學支撐，主要研究內容包括：不同溫度、溼度和壓力（包括風速）等組合條件下雪粒的形成，粒徑、密度、水分和硬度等的變化，雪層內部黏聚力和表面摩擦特性，風雪流和雪霧的影響，人造雪技術指標，以及不同規模儲雪技術等。如有必要，還可以開展滑冰場建設和維護中的有關冰物理參數方面的研究。

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結語

20 世紀中後期是冰凍圈物理研究迅速發展的時期，冰的基本物理性質和冰凍圈各要素主要物理特徵的基本概念得以確定。20 世紀末以來，冰凍圈對氣候環境的重要作用使氣候學成為冰凍圈研究的主線，專門的冰凍圈物理研究開展較少。

目前，隨著冰凍圈科學體系的構建，冰凍圈變化及其影響的定量研究，以及冰凍圈為社會經濟發展服務等多個方面都迫切需要對冰凍圈物理過程給予更深入的研究，某些研究內容更需要進一步明確冰和雪的微觀物理性質和相關過程。

可以說，冰凍圈科學的發展和人類社會可持續發展的需求對冰凍圈物理研究提出了新的要求。冰凍圈物理研究近期主要發展方向為：著力提高監測技術和數據獲取能力，開展實驗室實體和相似模擬研究，發展多圈層耦合模式，以及進一步開展冰和雪微觀物理過程精細化研究等。

任賈文中國科學院西北生態環境資源研究院研究員、博士生導師。主要從事冰川學和冰凍圈與氣候環境變化研究，主要研究方向為冰川物理學。

文章源自：

任賈文.冰凍圈物理研究的新視野[J].中國科學院院刊,2020,35(4):450-455.

總監製：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：百裡

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