冰冻圈生态系统若干问题评述

冰冻圈是气候系统中的五大圈层之一,冰冻圈变化对其内部及关联生态系统的影响已成为全球变化关注的热点领域,冰冻圈生态系统的概念也得到了越来越多的应用。本文基于国内外对冰冻圈要素与生物之间相互作用的已有研究成果,对冰冻圈生态系统的组成、各冰冻圈要素与生物之间的关系进行了系统梳理。目前,冰冻圈生态系统的研究热点主要是冰冻圈生境特征和生境变化对生物群落带来的影响。从生物群落是否直接生活在冰冻圈要素内来看,可将生态系统分为以微生物为主的冰冻圈内生生态系统(endophytic ecosystem of cryosphere)和冰冻圈关联生态系统(cryosphere-related ecosystems)。总体来看,目前冰冻圈生态系统的研究主要关注不同物种(例如陆地动植物、陆地淡水生物、海洋生物、海岸动物和鸟类动物等)对冰冻圈变化的响应,未来应重点开展冰冻圈变化对生物群落影响的定量化研究,特别要考虑冰冻圈各要素变化对生物群落影响的时间尺度和空间范围。

青藏高原气候与冰冻圈变化研究进展

青藏高原是全球气候变化最敏感、最具指示性的区域,也是中低纬度地区冰冻圈最发育的地区。近几十年来,全球气候变化对青藏高原冰冻圈产生了广泛而深刻的影响,成为气候系统多圈层相互作用研究的热点地区。本文利用气象台站观测资料分析了高原气候变化特征,梳理了高原冰冻圈关键要素(冰川、积雪、冻土)的时空变化研究进展。总体来看,1961-2021年青藏高原暖湿化特征明显,气温变化率为0.33℃/(10 a)(P<0.01),降水量变化率为8.63 mm/(10 a)(P<0.01),直接影响冰冻圈关键要素(冰川、积雪、冻土)的时空演化。青藏高原冰川整体呈退缩和亏损态势,东部和南部的冰川萎缩速率较大,平均积雪面积在2000年以后显著减少,积雪日数逐年递减,积雪深度在2000年之后出现显著下降且存在空间异质性。1980年以来青藏高原多年冻土、季节冻土面积呈显著减小趋势,其中季节冻土冻融周期缩短,冻结日期推后、解冻日期提前。目前,青藏高原气候要素观测依然不足,特别是针对冰川、冻土、积雪等冰冻圈要素的业务化观测明显不足。建议多部门协作、统一规范,构建以“水”和“防灾减灾”为主线的综合观测系统,强化气温、降水、冰川、冻土和积雪等关键气候变量的一体化监测、预测和服务能力,填补我国山地气候与气候变化业务的空白,为青藏高原水资源管理及经济社会可持续发展提供数据支撑。

青藏高原冰冻圈温度遥感观测、反演与应用

冰冻圈是气候变化的灵敏指示器,地表温度和近地表气温则是指示器直接感测的信号,是回溯冰冻圈演化历史、监测当前状态、模拟未来变化的关键参量。受恶劣环境、复杂地形、低可达性及众多特殊下垫面等因素的综合影响,当前青藏高原温度的地面观测困难、站点稀少,而遥感已成为温度获取的有效手段。本文聚焦地表温度和近地表气温,阐明了地面观测、卫星和无人机等遥感反演估算的相关方法手段,梳理和总结了学术界围绕青藏高原冰冻圈取得的研究进展,介绍了遥感温度参量在青藏高原冻土、湖冰、冰川等方面的应用。本文总结了青藏高原冰冻圈对温度遥感获取的挑战,探讨了未来值得着重开展的研究方向。

基于冰冻圈背景的中国西部五省(区)旅游生态效率测度及其影响因素分析

中国西部五省(区)旅游生态效率的提升,既关乎旅游业自身高质量发展,又关乎西部生态保护与绿色可持续发展。本文以冰冻圈旅游分析为背景,基于碳排放约束视角,从投入、期望产出、非期望产出三个环节构建西部五省(区)旅游生态效率测算框架。在此基础上,采用超效率SBM(slack-based measure)模型对2013—2021年西部五省(区)旅游生态效率展开测度,并采用灰色关联度模型揭示其影响因素。结果表明:(1)西部五省(区)整体旅游生态效率水平不高,其中,甘肃旅游生态效率较高,高于西部五省(区)整体平均水平。(2)2013—2021年期间,西部五省(区)整体旅游生态效率呈增长态势,其中,西藏增速最为显著。(3)经济发展水平、基础设施、碳排放结构、冰冻圈禀赋与环境规制是旅游生态效率的主要影响因素。其中,冰冻圈环境对其他因素具有明显的限制作用。随着冰冻圈工程服役的提升,西部地区旅游流、物流、资金流将显著提升,冰冻圈禀赋将从以往的限制因素逐步转变为经济优势。通过提升冰冻圈旅游效率,将有力助推和提升冬春季西部五省(区)的旅游生态效率。

星载GNSS-R冰冻圈反射面高度测量关键技术研究

在全球气温逐渐上升,温室效应日益严重的背景下,占地球陆地总面积约一半的冰冻圈逐步受到不可逆转的影响。世界各大洋持续变暖,南北极冰雪加剧消融等将导致海平面上升,同时也增加极端灾害性天气发生的频率,对数亿居住在沿海低洼地区的人类带来不可估量的影响。因此,对冰冻圈进行高时空分辨率的监测需求日益迫切,但目前传统雷达高度计产品在时空分辨率方面尚不能满足需求。全球卫星导航系统反射测量技术(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)发展20多年,因其具有高的时间和空间分辨率及低成本等优点,展现出巨大的发展潜力。其中GNSS-R测高应用有望以低成本的方式实现下一代高度计的目标,即高时空分辨率的中小尺度海平面观测,但现有的GNSS-R测高方法应用于冰冻圈测量时,存在精度差和误差难以改正等问题。鉴于此,论文对GNSS-R测高方法中的观测几何求解和空间大气影响改正等进行了深入的理论方法与应用研究,并将其应用于冰冻圈反射面高度测量。主要研究内容和结论如下。

陆地冰冻圈水文过程的研究现状及展望

在全球变暖的背景下,作为固态淡水资源库的冰冻圈发生剧烈变化,进而直接影响流域水文过程.因此,冰冻圈水文的研究对于流域水资源利用与管理具有重要意义.近年来,冰冻圈普遍呈现退缩趋势,主要表现为:冰川面积减小、物质亏损,冰川径流增加;积雪面积和雪水当量减小,积雪融化时间提前;多年冻土面积减小、活动层增厚、季节性冻土最大冻结深度和冻结时间减小,但是其对径流的影响效应仍然存在争议.目前研究仍存在数据具有较大的不确定性、对冰冻圈水文内在机制的物理过程认识不足,以及缺乏考虑完整冰冻圈要素的系统研究等几个方面的不足.未来关于新型观测技术手段的研发、包含完整冰冻圈水文过程的物理模型的研发及其应用,将是冰冻圈水文学研究的重点.

陆地冰冻圈变化的水文效应:研究现状及展望

全球陆地冰冻圈主要由冰川、积雪、冻土、河湖冰等组成,与地球其他圈层联系密切,是全球变化最为快速、最为显著、亦是最具指示性和对气候系统影响反应最直接和最敏感的圈层。从陆地冰冻圈(主要考虑冰雪和冻土等要素)变化的水文效应角度,梳理了目前国内外的研究现状和关键科学问题,讨论了当前研究中存在的难点和不足,并展望了该研究方向的未来发展趋势。在全球变暖的大背景下,陆地冰冻圈发生了显著变化,冰雪和冻土的消融直接影响陆地水文过程及水资源供给,然而由于缺乏详实地面观测和未能完整刻画冰冻圈物理过程(尤其是冻土过程),目前研究仍缺乏对冰冻圈水文过程机理的深入理解。因此,认为构建全球陆地冰冻圈观测体系、开发具有完整物理过程的冰冻圈水文模型是未来研究的重点;未来应将冰冻圈视为一个整体,由单一要素、单一圈层的探索向基于多圈层互馈理论的冰冻圈科学体系化方向迈进,着重探讨其变化对区域乃至全球水文循环和生态环境以及人类社会经济的影响,并运用多学科交叉和新技术等手段开展全球尺度的系统性研究。

典型冰冻圈区域河流黑碳研究进展

冰冻圈区域河流是连接冰冻圈及河流中下游,乃至海洋碳库的重要通道。气候变暖导致冰冻圈快速萎缩,致使储存在冰川和冻土中的黑碳暴露并迁移,深刻影响冰冻圈区域河流黑碳的来源及输移过程,对海陆碳循环具有重要意义。本文重点综述了青藏高原、北极、阿尔卑斯山脉、落基山脉以及安第斯山脉等典型冰冻圈区域河流黑碳的通量、来源以及传输运移途径。结果表明:典型冰冻圈区域河流黑碳的传输通量约为2.29 Tg·a^(-1),约占全球河流黑碳通量的5.33%。除大气干湿沉降和径流侵蚀外,冰川消融和冻土退化对冰冻圈区域河流黑碳浓度及通量变化具有显著影响,其中青藏高原和阿拉斯加冰川消融每年释放进入河流的黑碳通量分别为10.00 Gg(7.74~12.30 Gg)和0.60 Gg(0.47~0.73 Gg)。然而,冻土退化对冰冻圈区域河流黑碳的影响程度尚不清楚。总体而言,冰冻圈区域河流黑碳的研究不足将严重限制区域乃至全球碳循环的系统认识,未来亟需加强冰冻圈区域河流黑碳的系统监测与研究,为量化全球变暖背景下冰冻圈区域河流黑碳变化及其影响提供科学数据。

冰冻圈甲基汞研究进展

作为气候系统五大圈层之一,冰冻圈在全球汞的生物地球化学循环中扮演着重要角色。人类活动排放的汞污染物通过大气环流迁移到偏远的冰冻圈地区,并在环境中转化为更具毒性的甲基汞,经食物链传递、富集和放大,会对冰冻圈生态环境构成重大威胁。为了深化理解冰冻圈甲基汞研究现状,本文总结了典型冰冻圈介质甲基汞的浓度水平和分析方法,重点梳理了甲基汞在冰川、冻土、积雪和海冰中的迁移、转化和归趋等生物地球化学过程,特别是对冰冻圈微生物汞甲基化进行了详细的归纳和总结。同时关注气候变化背景下冰冻圈甲基汞分布、行为和环境影响,这对于评估人类和野生生物在冰冻圈中的甲基汞暴露风险至关重要。鉴于目前对低温环境中甲基汞变化过程和机理的认识尚处于起步阶段,文章对未来冰冻圈甲基汞研究方向进行了展望。

基于机器学习的冰冻圈典型流域水文过程模拟研究

机器学习模型由于其优越的模拟预测性能而被广泛地应用于水文学研究,但其在高海拔地区的冰冻圈流域水文过程模拟研究方面尚有待深入。本研究基于Back Propagation神经网络(BP)、广义回归神经网络(GRNN)、径向基函数神经网络(RBF)、支持向量回归(SVR)、遗传优化BP神经网络(GA-BP)和双层长短期记忆神经网络模型(LSTM),对两个典型冰冻圈流域,即叶尔羌河流域和疏勒河流域的水文过程开展模拟研究,结合精度评价指标(NSE、RMSE和R)以及水文过程频率曲线对模型模拟效果进行综合分析。结果表明,双层LSTM模拟能力在叶尔羌河流域远优于其他模型,而疏勒河流域LSTM模拟效果与其他模型模拟结果相近,双层LSTM更适用于冰冻圈流域水文过程模拟。通过损失函数对模型参数化方案进行评价发现,LSTM模型在研究区模拟效果主要受优化器影响,叶尔羌流域学习衰减速率和初始学习率影响次之,而疏勒河流域初始学习率影响次之。对整个研究时段的径流突变检验分析结果表明,模型输入数据中降水和极端降水总量对研究区水文过程变化影响较大,气温次之。

第二届冰冻圈科学青年论坛(四号通知)

2023年4月1—2日·北京西郊宾馆会议简介:冰冻圈是地球五大圈层之一,是指地球表层具有一定厚度的负温圈层,其中冰川、冻土、积雪等陆地冰冻圈覆盖了全球陆地面积的52~55%,储存了全球约70%以上的淡水资源,对区域乃至全球气候、水文水资源、植被、生态环境及工程服役等具有重要影响。冰冻圈对全球变暖极度敏感,是气候变化的“指示器”和“放大器”。

第二届冰冻圈科学青年论坛(四号通知)

2023年4月1—2日·北京西郊宾馆会议简介:冰冻圈是地球五大圈层之一,是指地球表层具有一定厚度的负温圈层,其中冰川、冻土、积雪等陆地冰冻圈覆盖了全球陆地面积的52~55%,储存了全球约70%以上的淡水资源,对区域乃至全球气候、水文水资源、植被、生态环境及工程服役等具有重要影响。

面向可持续发展的冰冻圈科学

21世纪以来,在全球气候变暖的大背景下,冰冻圈科学发展快速。在梳理国际冰冻圈相关研究态势、分析中国相关研究动向的基础上,总结了"冰冻圈科学"发展的历程并简要介绍了冰冻圈科学的基本框架。研究指出,自20世纪70年代冰冻圈概念正式提出以来,国际社会以推出气候与冰冻圈(WCRP-CliC)计划和成立国际冰冻圈科学协会(IACS)为标志,并在深化冰冻圈自身机理、过程认识的同时,更加关注与其他圈层之间相互作用中的冰冻圈效应,表明冰冻圈研究趋向变化-影响-适应这一主线发展,在一定程度显现出了"冰冻圈科学"的核心特征。中国冰冻圈研究近20年、尤其是近10年发展迅猛,沿着冰冻圈科学的主体思路,在冰冻圈变化,冰冻圈变化对生态、水文、气候、地表环境以及社会经济的影响等方面取得了系统性成果,对冰冻圈科学的内涵和外延有了系统的认识。在分析国际冰冻圈科学孕育和发展背景和简要总结中国冰冻圈研究近况基础上,对冰冻圈科学学科框架体系从科学内涵和外延、研究构架和学科组成等方面进行了论述,冰冻圈科学已经成为一门涉及广泛、过程机理研究与可持续发展密切关联的全新学科。

我国冰冻圈及其变化的脆弱性与评估方法

基于脆弱性研究文献,从脆弱性概念、评估内容、评估方法等方面系统总结了脆弱性评估研究的特点和趋势,开展脆弱性评估时应注意的系统、关注特征、灾害、尺度与时间等五个方面,剖析了区域尺度脆弱性评估涉及的一系列问题,介绍了脆弱性评估方法及其优缺点和适用性.探讨了我国冰冻圈及其变化的脆弱性概念,分析了二者之间的关系,论述了我国冰冻圈及其变化的脆弱性评估内容、评估尺度和评估方法.

国际冰冻圈研究动态和我国冰冻圈研究的现状与展望

介绍了世界气候研究计划(WCRP)/气候与冰冻圈(CliC)计划所代表的国际冰冻圈研究基本特点与未来趋势;分析了我国冰冻圈独特的区域特点,阐明我国冰冻圈是维系干旱区绿洲经济发展和确保寒区生态系统稳定的重要水源保障,其气候效应、环境效应、资源效应和生态效应正日趋显著并广泛地影响到西部生态与环境安全和水资源持续利用,因而不仅具有科学上的重要性,而且具有国家战略需求上的紧迫性。提出未来我国冰冻圈研究应重点加强冰冻圈过程研究、记录研究、冰冻圈与气候模拟、冰冻圈与水资源以及冰冻圈变化的影响、适应与对策综合评估等5个方面的工作,逐步完善并形成我国冰冻圈科学体系。

青藏高原冰冻圈变化及其对区域水循环和生态条件的影响

以青藏高原为中心的冰川群是中国乃至整个高亚洲冰川的核心,由于全球变暖,青藏高原冰川自20世纪90年代以来呈全面、加速退缩趋势。作为全球最主要的高海拔冻土区,青藏高原近几十年气候变暖是冻土退化的基础因素,人为活动在局部加速了冻土退化,推测未来几十年内冻土退化仍会保持或加速。过去50年,青藏高原积雪面积总体呈减少趋势。由于气温升高,青藏高原处于降雪和积雪临界状态的区域大大增加,导致青藏高原积雪期开始时间的推迟和结束时间的提前。冰川加速消融退缩,融水在逐年增加,冰川变化引发的水资源时空分布和水循环过程的变化,无疑将给青藏高原社会经济发展带来深刻影响。冻土及其孕育的高寒沼泽湿地和高寒草甸生态系统具有显著的水源涵养功能,是稳定江河源区水循环与河川径流的重要因素。青藏高原江河源区近几十年来生态退化和河流、湖泊、沼泽、湿地等水文环境的显著变化就与冻土退化密切相关。过去十年来由于冻胀和融沉破坏,青藏公路已经进行了多次全线性大规模的整修。在未来几十年内多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融和低温冻土向高温冻土转化,这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。为应对气候变化对青藏高原冰冻圈影响,应加强冰川融水对地表水和冰川融水补给河流的水文过程与预测研究,针对未来可能出现的各种灾害,要在科学预测和普查的基础上评价灾害风险。

冰冻圈关键地区雪冰化学的时空分布及环境指示意义

采用雪冰常量化学元素示踪体系 ,系统分析了冰冻圈关键地区的南极冰盖、北极格陵兰和北极中心地带、以及以青藏高原为中心的高亚洲地区现代降水 (表层雪冰 )化学的空间分布、季节变化特点 .研究表明 ,两极和高亚洲地区雪冰化学反映了全球或局地大气环境本底 :南极现代雪冰化学代表了南半球或全球本底 ,北极格陵兰地区代表了北半球对流层中部本底 ,青藏高原海拔 5 0 0 0m以上的高海拔地区雪冰化学则代表中纬度地区对流层中上部本底 .其中 ,离子浓度在两极冰盖和喜马拉雅山高海拔地区接近 ,而在青藏高原北部高海拔地区则高得多 .三个地区雪冰化学的季节分布特点是 :在南极冰盖 ,海盐气溶胶的“丰”季形成雪层化学峰值 ,在北极 ,冬春季污染物 (所谓“北极霾”)和漂尘形成季节峰值 ,在高亚洲 ,主要是春季降尘形成明显污化层 .青藏高原上大风季节与干季重叠 ,静风季节与湿季重叠 ,决定了干湿沉积过程具有明显季节转换 .总之 ,主要阴、阳离子在南、北极和高亚洲雪层中的时空分布揭示了大气气溶胶的源区和传输 ,其形成过程与大尺度大气环流、季风和局地尘暴等事件密切相关 .

冰冻圈变化及其对中国气候的影响

冰冻圈是全球气候变化的显著因子和指示器,也是对气候系统影响最直接和最敏感的圈层,在地球气候系统中占据举足轻重的地位。在全球变暖背景下,冰冻圈研究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;冰冻圈变化正在引起的一系列社会经济影响是当前全球变化和可持续发展最为关注的热点之一。文中给出了气候变暖背景下近几十年来全球和中国冰冻圈的变化特征,以及未来可能的变化趋势;着重从气候效应角度,综述了青藏高原和欧亚积雪、北极和南极海冰、冻土与冰川变化对中国气候影响的研究成果;并讨论了中国冰冻圈科学研究的未来发展方向。

甘孜黄土与青藏高原冰冻圈演化

逐样系统交变退磁磁性测量表明，８６ｍ的甘孜黄土剖面形成于约８１．８４×１０４ａＢＰ前。剖面中黄土石英砂类型分析揭示出至少约８１．８４×１０４ａＢＰ以前，高原已进入冰冻圈，并且很快于约７６×１０４ａＢＰ前冰川规模达到最大，并持续至约５３×１０４ａＢＰ前，倒数第二次冰期时冰川规模次之，然后冰川规模明显减少。同时揭示出大气环流和环境在约８１．８４×１０４，６０×１０４和１７．８×１０４ａＢＰ前发生过较明显的改变或调整与增强。

生态-经济系统对冰冻圈变化的适应能力评价——以玉龙雪山地区为例

以玉龙雪山地区为例,基于关联性、全面性与合理性、可操作性原则,结合玉龙雪山地区冰冻圈变化的特点与主要影响,从生态、水资源、经济与社会系统4个方面遴选了20个指标,构建了生态-经济系统对冰冻圈变化的适应能力评价体系,运用层次分析法和多目标线性加权函数法建立了冰冻圈变化适应能力指数模型,对玉龙雪山地区冰冻圈变化适应能力进行了综合评价.结果表明:就子系统而言,1980-2008年除水资源系统的适应能力呈下降态势外,生态、经济与社会系统对冰冻圈变化的适应能力均呈上升趋势.水资源总量减少是水资源系统适应能力降低的主要影响因素.玉龙雪山地区冰冻圈变化的综合适应能力增强,经济系统对综合适应能力的贡献达到37%,居首位,其次为社会系统,为29%.旅游业发展驱动下的生态环境保护,地区经济实力增强,交通设施建设,居民收入增加共同助推了该地区综合适应能力的提升.