羅勇 秦大河:方興未艾的冰凍圈科學分支學科——冰凍圈氣候學

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

羅勇1秦大河2, 3*翟盤茂4馬麗娟5周波濤6徐新武3,7

1 清華大學 地球系統科學系

2 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

3 中國氣象局

4 中國氣象科學研究院

5 中國氣象局國家氣候中心

6 南京信息工程大學 大氣科學學院

7 中國科學院大學 資源與環境學院

20 世紀 80 年代以來，隨著氣候系統理論的提出與發展，科學界打破了傳統冰凍圈科學和其他相關學科之間的界限，揭示出冰凍圈與大氣圈等圈層之間能量、質量（如水量）和動量交換的相互作用過程機理。

冰凍圈是氣候的產物，對溫度和降水非常敏感，氣候條件決定著冰凍圈及其各要素的生存壽命。氣候條件與地形因素的不同，使得冰凍圈各要素的發育、分布及其變化千差萬別，空間分布不同，生存時間各異。冰凍圈又是對全球氣候變化影響最快速、最顯著的圈層，對氣候變化具有高度敏感性。

反之，把佔據地球表面面積甚廣的陸地冰凍圈和海洋冰凍圈籠統地用均一下墊面來表達，這忽略了冰凍圈組成要素的變化特徵及其內在差別，會極大地限制氣候系統和氣候變化研究的發展。

現在，人們已經認識到，對地球各個系統過程的研究不應限定在單一的獨立學科內進行，如冰凍圈科學、大氣科學、水文學和生態學等，必須考慮學科之間、各組成要素之間相互作用的物理學、化學、生物學乃至經濟社會影響的交融互補，才能構成一個完整的科學研究體系。冰凍圈科學和氣候學的交叉融合，催生了一門新興的冰凍圈科學的分支學科——冰凍圈氣候學（Cryospheric Climatology）。

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冰凍圈氣候學的定義與發展

冰凍圈氣候學是研究冰凍圈與大氣圈的相互作用、影響及其反饋，並為社會經濟可持續發展服務的科學，是一門以冰凍圈科學和氣候學為主，又涉及多個其他學科的交叉科學。冰凍圈和大氣圈的互饋作用和物理機制是冰凍圈氣候學的重點。

在 20 世紀 80 年代之前，氣候學和冰凍圈科學是各自獨立發展的，但人們很早就注意到二者之間廣泛而深刻的聯繫。

一方面，早在 1939 年，蘇聯地理學家卡列斯尼克就指出，「冰川首先是一定氣候狀況下的產物」。隨著對這種響應複雜性的深入研究和理解，人們逐漸發現冰凍圈的各個要素更應被視為「天然的氣候指示計」（nature climate-meter），即冰凍圈各組成要素對氣候的變化，如溫度、降水和其他氣候變量非常敏感。

另一方面，在早期的氣候分類中，德國氣候學家和植物學家柯本（Wladimir Koppen）給出了 6 個基本氣候類型及其區域類型，其中就包括高地氣候區（highland）、極地氣候區（polar）和低溫氣候區（microthermal）等與冰凍圈有關的氣候類型。

冰凍圈氣候學發源於 20 世紀 80 年代氣候系統概念的建立。現代氣候學引入了氣候系統的概念，認為氣候是決定冰凍圈形成和發育的主要因子之一，氣候的變化影響冰凍圈的演化。冰凍圈可起到調節氣候的作用，而冰凍圈變化又對地球大氣圈的能量收支、輻射平衡和大氣環流的關鍵過程與反饋產生重大影響。

氣候變化不單單由大氣圈內部的各種過程所控制，而是氣候系統，即大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈和巖石圈表層這五大圈層，加上人類社會經濟活動（人類圈）共同作用的結果。當代的氣候變化是指氣候系統變化，五大圈層中的任何一個圈層的變化，都被視為是氣候變化。

冰凍圈氣候學的理論基礎是以動力學和熱力學為主的經典物理學。目前，冰凍圈氣候學已由單點觀測實驗、過程描述、統計分析向機理分析、氣候系統數值模擬方向迅速發展，深入研究大氣圈和冰凍圈相互作用的物理過程與反饋機制，定量評估冰凍圈在全球和區域氣候變化中的作用，進而科學預估未來氣候與冰凍圈變化。

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冰凍圈氣候學的研究內容

氣候環境在冰凍圈形成和發育中的作用

冰凍圈各組成要素都是在適宜的溫度、降水和地形條件下形成和發育的。從冰凍圈氣候學的角度看，地球冰凍圈在空間上是具有一定厚度的連續圈層，呈不規則橢球體狀（空心橢球體）。由於高度和緯度效應，冰凍圈下邊界在赤道附近海拔高度最高處，如吉力馬札羅冰川的海拔高度達 5 963 m。從赤道分別向南、向北，冰凍圈下邊界的高度隨緯度升高而逐漸降低，在高緯度地區下降到海平面甚至以下，如北冰洋海底發育的多年凍土。

在時間上，冰凍圈各組成要素的生存時間長短不一，冰凍圈的面積和範圍都有明顯的晝夜、季節、年際和年代際變化。

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陸地冰凍圈

南極冰蓋和格陵蘭冰蓋的時間尺度達數十萬年到百萬年之久。山地冰川的冰體從積累區流動到冰川末端消融流失，因冰川規模、性質、所處地形和氣候條件不同，其時間尺度從幾十年到數千年不等。積雪隨著春去夏來融化流失，在一些山區形成春汛。河冰、湖冰隨著季節轉換（冬季轉夏季）而消失殆盡。

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海洋冰凍圈

海冰進退隨季節變化，初冬形成、初夏崩解消融。一般情況下，其生存不超過 12 個月，但北冰洋的多年冰可以延續好幾年。冰架的存活時間長短不一，從幾十年到數千年不等。冰山的壽命從數月到數百年不等，與大氣環流、海溫、洋流等密切相關，且與冰山本身的規模、地點和產生的時間都有關係。

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大氣冰凍圈

凍結狀水體的存活時間按天甚至小時計算，與具體氣候環境條件的聯繫更為緊密。

冰凍圈在天氣氣候及大氣環流形成與變異中的作用

冰凍圈在天氣氣候及大氣環流形成與變異中發揮著重要作用。在空間上，冰凍圈在全球、區域和局地尺度上會影響到天氣氣候；在時間上，冰凍圈在季節、年、多年及長時間尺度上影響著氣候的變化。

冰凍圈對亞洲季風形成與異常有重要的影響，特別是青藏高原積雪和北極海冰。通過積雪的水文效應和反照率效應，冬-春季節青藏高原和歐亞大陸積雪異常可以影響到後期夏季中國降水的年際變化。在年代際尺度上，過去 50 年青藏高原冬-春季積雪呈現出增加趨勢，從而引起高原上空對流層溫度降低及亞洲-太平洋濤動負位相特徵，使得西太平洋副熱帶高壓位置偏南，於是中國東部雨帶主要停滯在南方，導致東部地區出現南澇北旱。

北極是冬季冷空氣的源地，北極海冰由於其阻隔了海-氣之間的熱量交換，以及通過反照率反饋機制對北極和歐亞大陸高緯度地區的冷空氣活動有重要調製作用，進而影響東亞地區的寒潮和冬季風。

冰凍圈-大氣圈相互作用的過程與機理

冰凍圈-大氣圈相互作用主要通過冰凍圈-反照率反饋機制、能量平衡和水的相變過程來體現。

冰凍圈-反照率反饋機制是高緯度地區最重要的正反饋過程（圖 1）。在這個反饋過程中，近地表氣溫的升高將導致高反照率的雪或海冰的面積減少，暴露出較低反照率的地面或未凍結的海洋。因此，更多的太陽輻射可以被地面和海洋所吸收，從而導致雪或海冰的進一步融化。冰凍圈-反照率反饋機制也可以反向發生作用，即放大區域的冷卻。

圖1 冰凍圈- 反照率反饋機制示意圖

在能量平衡方面，極區是大氣熱機中的兩個匯區，全年都有熱量通量通過海洋和大氣向極區輸送。在冬季，向極地的大氣熱量輸送為最大，此時高緯度地區的淨輻射虧損很大，並且在極地和熱帶之間的溫差最大。在夏季，赤道到極點的溫差大幅減小，因此向極地的熱量通量較小。南半球的平均洋流和大氣環流與北半球相比較，其緯向分布特徵更明顯。在南半球，從赤道到極點的溫差比北半球對應的溫差要大 40%，因此形成更強的中緯度西風帶。

冰凍圈水相變化也對大氣圈產生顯著影響。冰川融化熱和水的汽化熱分別是同體積液態水升高 1℃ 所需熱量的 80 倍和 539 倍，因而冰凍圈在地表熱量平衡中有舉足輕重的作用。冰雪表面常出現逆溫現象，冰雪表面水汽壓的鉛直梯度亦往往比低空空氣層還低。於是，空氣反而要向冰雪表面輸送熱量和水分（水汽在冰雪表面凝華）。在春季無風的天氣下，冰雪融化地區的氣溫往往比附近無冰雪覆蓋區低數十攝氏度。

氣候系統和冰凍圈模式的發展

氣候系統模式是基於對動力學、物理學、化學和生物學過程的科學認識建立起來的定量描述氣候系統各組成部分狀態的數學物理模型，利用數值方法進行求解，並通過高性能計算實現對氣候系統非線性複雜行為和過程的模擬與預測。氣候系統模式的電腦程式及其高性能計算，是一個複雜的系統工程。

氣候系統模式是認識過去的氣候變化及其成因、氣候系統各圈層內部及相互作用的過程與機理，以及預估未來氣候變化的最重要的研究手段和分析工具。在目前的氣候系統模式中，冰凍圈模式已成為重要組成部分，對研究冰凍圈過程及冰凍圈與大氣圈相互作用發揮了重要作用。

冰凍圈模式是對冰凍圈各分量模式的統稱。各冰凍圈分量均有對應的模式發展，如冰川（冰蓋）模型、凍土模型、積雪模型、海冰模式等。考慮到純冰物質和含雜質的非純冰物質的物理屬性，在外界物理條件發生變化時，可用數學物理方程描述冰凍圈的宏觀變化，並對不同情景下未來冰凍圈變化進行預估。

在目前的氣候系統模式中，海冰模式已經作為一個獨立的要素模式實現了與大氣模式、海洋模式、陸面模式的雙向耦合。積雪模型、凍土模型和河湖冰模型一般作為陸面模式中的重要組成部分。冰川動力學模型和冰蓋動力學模型仍在發展之中，尚未實現與氣候系統模式的在線耦合。冰凍圈的生物地球化學循環過程模型也正在被開發和探索中。

氣候變化與冰凍圈變化的預估

氣候變化預估是指氣候系統對溫室氣體和氣溶膠未來排放或濃度情景的模擬響應。冰凍圈各要素變化的預估有 2 種方法：

1.用耦合冰凍圈模式的全球氣候系統模式直接對冰凍圈要素變化進行預估；

2.先用全球氣候系統模式預估氣候變化，再利用氣候變化情景驅動冰凍圈模式進行冰凍圈要素變化的預估，即「兩步法」。

直接預估方法主要依託「耦合模式比較計劃」（CMIP）開展多模式的集成預估。CMIP是一整套耦合氣候系統模式的比較計劃，旨在通過比較模式的模擬能力來評價模式的性能，同時也為預估未來可能變化提供科學依據。目前，第六階段的「耦合模式比較計劃」（CMIP6）正在進行之中，並將為聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告（AR6）提供未來氣候變化和冰凍圈變化的預估情景 。

未來溫室氣體排放情景和全球社會經濟情景的構建，主要考慮人口和社會經濟發展，特別是能源生產和使用的變化、技術進步、土地利用與覆蓋、環境和自然資源的變化、政策和機構管理以及生活方式的變化等。正在進行中的IPCC AR6主要使用典型濃度路徑（RCP）和共享社會經濟情景（SSPs）2 種情景的組合 。

冰凍圈氣候學對經濟社會的服務功能

人類社會在對冰凍圈服務功能進行科學管理時離不開冰凍圈氣候學提供的科學基礎和技術支持。冰凍圈在其作用區域和影響區可以為人類社會提供各種產品或惠益。人類在極區、高山及其毗鄰區域的生存與發展高度依賴於冰凍圈提供的氣候調節、徑流調節及水源涵養與生態調節。冰凍圈作為特殊下墊面，以其高反照率和水分循環功能，使地球成為對人類而言氣候宜居、生態系統結構穩定的星球。

冰凍圈在中低緯度山區是河流的重要補給源，對河川徑流具有天然調節作用，被稱之為「固體水庫」。冰凍圈水源涵養功能顯著，尤其是由於凍土的不透水性及溫度梯度下的水分遷移，一般在多年凍土上限附近存在大量的地下冰。凍土在保持寒區生態系統穩定性方面作用也巨大。若無凍土的水源涵養作用和水熱效應，青藏高原高原面將只能發育荒漠生態系統，而非實際存在的大面積的高寒草甸和高寒溼地生態系統。在泛北極地區，因為多年凍土的巨大水熱效應，在這裡發育有典型的多邊形苔原生態系統和泰加林生態系統。

冰凍圈氣候學還能為氣象災害的預報、預測、預警提供科學支撐。與低溫相關的氣象災害，是冰凍圈氣候學研究的重點領域之一。例如，雨雪冰凍災害是在低溫雨雪天氣下發生的一種凍災，常伴以低溫、高溼、風速小等特徵。由雨凇和融雪冰掛組成的複合積冰在各種載體表面形成，極大地加重了各種載體的負荷，嚴重影響甚至破壞交通、通信、輸電線路等生命線工程。冬季降雪豐沛的我國新疆北部山區，冰凍圈變暖導致近 30 年山區春汛日期提前 1 個月，融雪性洪水災害頻發。每年全球因雪崩死亡的人數達幾十人甚至上百人。春季河流凌汛對生命和財產造成威脅。

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冰凍圈氣候學的發展趨勢

隨著觀測手段的進步、觀測資料的日益增多和計算條件的迅速改善，對地觀測和遙感技術、大數據與人工智慧及數值模式得到迅速發展，預期冰凍圈氣候學的未來趨勢將更加體現出高度交叉、高解析度、精細化，特別是發展耦合冰凍圈過程的全球與區域氣候系統模式是冰凍圈氣候學與全球氣候變化研究的大勢所趨。

目前，全球和區域氣候系統模式在處理冰凍圈物理過程方面還較為粗糙，尤其是在氣候系統模式中如何考慮冰凍圈不同分量和要素作用的時空尺度，可能是在今後相當長的一段時期內最為重要的發展方向之一。發展具有冰凍圈陸面過程模型的區域氣候模擬系統和水文模型，是深入理解冰凍圈水-熱過程以及環境效應的關鍵。

突破處理冰凍圈物理過程參數化這種限制的關鍵是深化對冰凍圈變化過程與機理的定量研究水平。為改進冰凍圈過程與全球和區域氣候模式的耦合模擬能力，必須把大量觀測結果的分析研究和參數化改進結合起來的同時，重點要將冰凍圈各要素能量、水量和物質變化同步考慮，解決冰凍圈非線性物理過程的不同時空尺度對耦合氣候系統模式的制約，這樣才能取得實質性進展。

總之，冰凍圈氣候學一方面需要繼續推動對冰凍圈和大氣圈相互作用過程與機理認識的不斷深化，另一方面要加強陸地冰凍圈和海洋冰凍圈過程模式及其耦合試驗的研究，促進冰凍圈過程參數化方案向精細化、定量化、複雜性方向邁進。

羅勇清華大學地球系統科學系副主任、教授。主要從事氣候變化、水循環和可再生能源氣象學領域研究。擔任聯合國政府間氣候變化專門委員會第六次評估報告第二工作組報告（IPCC WGII AR6）第10章「亞洲」的主要作者協調人和國家重點研發計劃「全球變化及應對」重點專項項目負責人。

文章源自：

羅勇,秦大河,翟盤茂,馬麗娟,周波濤,徐新武.方興未艾的冰凍圈科學分支學科——冰凍圈氣候學.中國科學院院刊,2020,(4):407-413.

總監製：楊柳春

責任編輯：張帆

助理編輯、校對：PAN

排版：筱小鹿

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