冰凍圈變化及其影響研究

國家重點基礎研究發展計畫（973計畫）項目《冰凍圈變化及其影響研究》於2013年4月正式啟動。中國科學院院士秦大河任專家組組長，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所研究員丁永建任首席科學家。本項目由中國科學院寒區旱區環境與工程研究所、青藏高原研究所、水利部成都山地災害與環境研究所，清華大學、蘭州大學等十三家單位共同承擔。本項目針對冰凍圈變化機理、冰凍圈與氣候相互作用關係、冰凍圈變化的影響及適應三個冰凍圈重大科學問題開展冰凍圈變化、影響和適應研究，對推動國際冰凍圈科學向學科體系化方面邁進，提高冰凍圈科學整體水平具有重要意義，必將增加我國對國際冰凍圈科學體系建立的貢獻力度。這也是促進我國科學家在冰凍圈科學領域取得突破性進展、為國際全球變化研究做出重要科學貢獻的歷史機遇。

基本介紹

• 中文名：冰凍圈變化及其影響研究 
• 外文名：Research on Cryospheric Changes and their Impacts
• 依託部門：中國科學院
• 專家組組長：秦大河
• 首席科學家：丁永建

立項依據

冰凍圈是指地球表層水以固態形式存在的圈層，包括冰川（山地冰川、冰帽、極地冰蓋、冰架等）、凍土(季節凍土和多年凍土)、積雪、固態降水、海冰、河冰、湖冰，等等。冰凍圈與大氣圈、水圈、陸地表層和生物圈共同組成氣候系統。冰凍圈變化及其與其它圈層相互作用關係是認識氣候系統的重要環節，因而受到廣泛關注。

1.冰凍圈是氣候系統最敏感圈層，冰凍圈變化機理和過程的研究是深入認識冰凍圈規律及其變化影響的基礎，對氣候系統變化的理解和檢測具有重要作用

研究冰凍圈過程和變化機理，不僅可以深刻認識冰凍圈規律，也是冰凍圈與其他圈層相互作用、冰凍圈變化影響與適應研究的基礎。過去的研究側重於冰凍圈特徵和自身規律，但由於對氣候變化的高度敏感性和重要反饋作用，目前的冰凍圈正發生著深刻變化，深入研究氣候變化背景下，冰凍圈各要素變化機理和過程，對於揭示氣候系統變化和冰凍圈對氣候變化的回響具有重要作用，亦是國際關注的熱點和前緣研究領域之一。

2.深入研究冰凍圈和氣候相互作用的物理過程與反饋機制，提高氣候系統模式中冰凍圈過程的耦合模擬能力，定量評估冰凍圈在全球和區域氣候變化中的作用，對提升氣候系統科學認識水平及減小氣候系統模擬和預估的不確定性具有重要的科學意義

冰凍圈作為氣候系統的重要組成部分，不僅受氣候變化影響，而且極地冰蓋、山地冰川、積雪、海、湖、河冰等冰凍圈要素在不同時間和空間尺度上通過複雜的反饋過程對氣候有重要的調節作用（Wu et al.,1999; Alexander et al., 2004; Deser et al., 2004; Honda et al., 2009）。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，國內外已有大量研究表明，作為冰凍圈組成部分的積雪、海冰和冰架不僅是導致氣候異常的重要原因，也是預測氣候變化的重要先兆因子。冰凍圈在氣候變化中的作用日益顯現。

為實現冰凍圈過程與全球和區域氣候模式的耦合，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在耦合氣候系統模式中的制約問題，才能取得實質性進展。

3.冰凍圈變化影響日益廣泛，在全球和區域尺度上準確辯識冰凍圈變化的影響程度與時空範圍，闡明適應機理，對科學應對全球變化具有重要的現實意義

冰凍圈變化對人類社會產生了深刻影響，在全球和區域尺度上準確辯識冰凍圈變化的影響程度、時空範圍及其未來演化趨勢，是人類社會防治、減緩與適應冰凍圈變化影響的必然選擇，是準確把握全球變化對人類環境影響的關鍵，對人類社會科學應對全球變化具有重要意義。

4.冰凍圈變化過程、影響機理和適應機制的系統研究，可整體性提升我國冰凍圈科學研究水平，對增強我國在冰凍圈與全球變化領域的國際影響力、加強國際談判中的話語權具有重要的科學支撐作用

本項目的實施，也將為加強我國在國際談判中的話語權和主動性提供重要的科學依據。從全球範圍來看，冰川、冰蓋、積雪、凍土、海冰等冰凍圈要素在氣候系統的作用目前還處於較簡單地認識層面，基於冰凍圈物理過程、考慮冰凍圈各要素時空尺度的氣候系統變化機制還很不清楚，冰凍圈機理和氣候相互關係的深入研究，將為此提供深化認識氣候系統變化機制的科學依據，從而掌握氣候談判中的主動性。從區域的角度來看，冰凍圈變化影響不受國界限制，往往具有區域跨國影響。我國冰川水資源及冰凍圈變化對生態、災害環境的影響涉及南亞和中亞周邊許多國家，聯合國發展署發布的《人類發展報告》中指出（UNDP, 2006），中亞、南亞和青藏高原“未來50年冰川融化可能是對人類進步和糧食安全最嚴重的威脅之一”。隨著氣候變暖的影響，北極海冰減小所引發的國際航道、海洋資源等已經引起國際關注，南極冰蓋變化產生的全球海平面變化及和環境問題倍受關注，極地冰蓋研究的背後實際上是大國實力的較量，未來話語權的爭奪取決於科研實力的高下，即對區域冰凍圈科學認識的水平越高，國際話語權越大。因此，掌握冰凍圈變化及區域影響的科學事實，是確保我國權益、為國際談判占據主動所面臨的十分迫切的重大基礎科學問題。

關鍵科學問題

1.冰凍圈變化過程中的動力回響與時空差異性是深刻理解冰凍圈變化機理的關鍵

老虎溝12號冰川觀測系統

2.氣候模式中冰凍圈過程的精細化描述是準確認識冰凍圈與氣候相互作用關係的核心

3.準確認識影響的時空尺度與程度是科學辨析冰凍圈變化影響的關鍵

研究內容

1.冰凍圈動態過程及其變化的回響機理研究

對RICE冰芯1882個樣品完成離子分析

圍繞冰凍圈動態過程及其對氣候變化的回響機理，以我國冰凍圈諸要素觀測網路為基礎，以全球不同類型區冰凍圈監測為參照，開展不同類型和規模的冰川變化、機理和模擬預測，分析冰川變化區域差異及其控制機理；開展不同區域凍土活動層土壤含水量及地溫動態變化和凍融過程，模擬預測氣候變化背景下多年凍土溫度、活動層水熱條件的變化；以發展山區、高原等特殊下墊面積雪遙感方法為基礎、以台站觀測數據為依據，融合和同化生成北半球高精度積雪數據產品，系統探討北半球季節性積雪的時空變化規律，闡明陸地季節性積雪變化的區域差異及其對氣候變化的回響機理。以我國在兩極地區的科學考察和觀測系統為依託,研究南極冰蓋典型冰流系統的動力過程及其對氣候系統的回響機制,預估其未來變化; 系統研究在全球變暖背景下，北極海凍的時空變化特徵，以及海冰變化與海洋和大氣環流變化的關係,特別是影響東亞氣候變化的過程和機理,為我國季節氣候趨勢預測提供科學依據。

2.冰凍圈與氣候相互作用關係研究

基於本項目及現有的冰凍圈觀測數據，在有關積雪、凍土和陸面過程參數化方案研究和我國已有氣候系統模式的基礎上，通過尺度轉換、模式集成耦合、實證檢驗及模擬能力對比分析等途徑，開展冰凍圈過程與全球和區域氣候系統模式的集成耦合，建立和發展包括積雪、凍土和海冰分量模式的全球和區域耦合氣候系統模式。利用新發展的冰凍圈過程全耦合全球和區域氣候系統模式，深入研究冰凍圈和氣候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，開展不同典型濃度路徑（RCP）下21世紀全球和東亞區域氣候與冰凍圈變化情景的預估研究，提升對氣候系統變化的科學認識水平，減小氣候系統模擬和未來氣候變化預估的不確定性。

3.冰凍圈變化影響的多因素關聯過程及其互饋與耦合機制研究

發展融合冰川、積雪和凍土變化的分散式水文模型，並通過多變數、分散式的模型驗證，減少對水文過程模擬的不確定性；定量評估不同時空尺度寒區流域徑流對氣候變化的回響。揭示凍土與積雪變化對寒區生態系統的影響過程及其互饋作用機理，明確凍土與積雪變化對生態系統的影響程度、途徑與時空變異性；認識凍土和積雪變化對陸地生態系統碳循環的影響，發展寒區生態系統動態模型，預估未來冰凍圈變化對我國寒區生態系統分布與功能的影響及其碳源匯效應。系統集成已有的研究成果，從全球視角綜合分析冰凍圈變化的特點、影響的區域差異與程度。以冰凍圈諸要素變化為主線，選擇典型地區，圍繞水、生態、災害風險與社會經濟三個核心問題，開展冰凍圈變化對乾旱區水資源、青藏高原高寒生態系統和區域災害影響的綜合分析，評估典型流域/地區的脆弱性、適應能力，為應對我國應對冰凍圈變化提供典型案例。

預期目標

以冰凍圈與氣候變化為主線，以豐富和完善冰凍圈科學體系為總體目標，圍繞冰凍圈變化機理、冰凍圈與氣候相互關係、冰凍圈變化的影響及適應機制等這些冰凍圈科學主幹內容，開展系統性的綜合集成研究，在冰凍圈變化動力回響及時空差異性、氣候模式中冰凍圈物理過程的集成耦合模擬、冰凍圈變化對生態、水文和環境影響的時空尺度與程度、影響的脆弱性及適應性方法與適應機制等方面取得突破性進展和重要科學認識。在整體提升冰凍圈科學在全球變化中科學地位的同時，重點在冰凍圈科學的外延領域，即冰凍圈變化與生態、冰凍圈變化與水、冰凍圈變化與環境方面提升中國科學家的主導地位，同時為我國科學應對冰凍圈變化的影響提供有力的科學支撐。

Dome A冰芯鑽取深度為131m

通過10-15年努力，使我國冰凍圈科學研究整體達到國際領先水平，使我國科學家在完善和豐富冰凍圈科學內涵和外延的體系化進程中做出重要貢獻，成為國際相關計畫及推動國際新研究計畫的主力軍，使我國成為冰凍圈研究的國際中心。

通過本項目的實施，不僅可穩定和凝聚一批專門從事冰凍圈科學研究的科研力量，而且也可吸引一批有志於從事西部資源環境的青年科研人員，為冰凍圈科學的發展培育和集聚人才。同時通過廣泛國際合作，培養和鍛鍊有培養前途的青年骨幹，在科學實踐中通過承擔科研任務、野外考察鍛鍊、學術交流等培養和鍛鍊一批青年科學人才。