“冰凍圈科學叢書”簡介

中國科學家經過深思熟慮和深入研究，在國際上率先建立了冰凍圈科學學科體系，在冰凍圈科學的理論、方法和體系化方面引領著這一新興學科的發展。圍繞學科建設，2016 年正式啟動了“冰凍圈科學叢書”（以下簡稱“叢書”）的編寫。根據中國學者提出的冰凍圈科學學科體系，“叢書”包括《冰凍圈物理學》《冰凍圈化學》《冰凍圈地理學》《冰凍圈氣候學》《冰凍圈水文學》《冰凍圈生態學》《冰凍圈微生物學》《冰凍圈氣候環境記錄》《第四紀冰凍圈》《冰凍圈工程學》《冰凍圈災害學》《冰凍圈人文社會學》《冰凍圈遙感學》《行星冰凍圈》《冰凍圈地緣政治學》分卷，共計15 冊。內容涉及冰凍圈自身的物理、化學過程和分布、類型、形成演化（地理、第四紀），冰凍圈多圈層相互作用（氣候、水文、生物、環境），冰凍圈變化適應與可持續發展（工程、災害、人文和地緣）等冰凍圈相關領域，以及冰凍圈科學重要的方法學——冰凍圈遙感學，而行星冰凍圈學則是更前沿、面向未來的相關知識。“叢書”內容涵蓋面之廣、涉及知識面之寬、學科領域之新，均無前例可循，從學科建設的角度來看，也是開拓性、創新性的知識領域，一定有不少不足，我們熱切期待讀者批評指正，以便修改、補充，不斷深化和完善這一新興學科。

這套“叢書”除具備學術特色，供相關專業人士閱讀參考外，還兼顧普及冰凍圈科學知識的目的。冰凍圈在自然界獨具特色，引人注目。山地冰川、南極冰蓋、巨大的冰山和大片的海冰，吸引著愛好者的眼球。今天，全球變暖已是不爭事實，冰凍圈在全球氣候變化中的作用日漸突出，大眾的參與無疑會促進科學的發展，迫切需要普及冰凍圈科學知識。希望“叢書”能起到“普及冰凍圈科學知識，提高全民科學素質”的作用。

《冰凍圈科學概論》

《冰凍圈科學概論》從冰凍圈科學理論框架角度系統介紹了冰凍圈科學，內容涵蓋冰凍圈組成各要素的形成發育、演化和研究方法，冰凍圈與氣候系統其他圈層及人類圈的相互作用，涉及社會經濟可持續發展和地緣政策等熱點問題。

全書共分為11 章，對冰凍圈科學的有關問題進行了較為系統的論述。第1 章是冰凍圈與冰凍圈科學，系統講述冰凍圈科學的定義和研究簡史，以及冰凍圈在全球變化和社會發展中的作用等；第2 章是冰凍圈的分類和地理分布，主要闡述冰凍圈各要素在全球的地理分布以及各要素的分類；第3 章是冰凍圈的形成和發育，介紹冰凍圈發育的地帶性，以及冰凍圈各要素的形成機制和發育條件等；第4 章是冰凍圈的物理特征，從力學、熱學、電學、磁學等方面介紹冰川、凍土、積雪、海冰等要素的物理特征；第5 章是冰凍圈的化學特征，主要包括冰川的雪冰化學特征、凍土的化學特征，以及海冰的化學特征；第6章是冰凍圈內的氣候環境記錄，系統介紹從冰芯、凍土、樹木年輪及寒區其他介質記錄反映的氣候演變；第7章是不同尺度的冰凍圈演化，主要從構造尺度、軌道/亞軌道尺度、千年尺度、百年-年代際尺度到年際-季節尺度介紹冰凍圈各要素的變化特征；第8 章是冰凍圈與其他圈層的相互作用，討論了冰凍圈與氣候系統其他四大圈層之間相互作用關系，主要介紹其中密切關聯的交叉部分；第9 章是冰凍圈與可持續發展，介紹了冰凍圈變化對社會的影響、冰凍圈災害與風險管理、冰凍圈區重大工程建設等與社會經濟發展密切相關的內容；第10 章是冰凍圈模式和冰凍圈變化的預估，介紹了冰凍圈各要素現有的模式，并討論了冰凍圈過程與氣候的耦合模擬；第11章是冰凍圈科學觀測和實驗技術，對冰凍圈探測的傳統方法和實驗室分析技術進行了系統介紹，并討論了冰凍圈科學加速發展所使用的新技術和新方法。可以預料，未來十幾年有關冰凍圈科學的研究將有更全面的進展，本書中提到的一些冰凍圈科學問題也將有更全面的結論，尤其是冰凍圈與其他圈層相互作用、冰凍圈變化與可持續發展等當前研究熱點，一定會有更加成熟的結論。從這一點講，本書作為“概論”，可將其視為冰凍圈科學的“初級階段”，是進一步研究的基礎。

《冰凍圈物理學》

冰凍圈科學是研究自然背景條件下，冰凍圈各要素形成、演化過程與內在機理，冰凍圈與氣候系統其他圈層相互作用，以及冰凍圈變化的影響和適應的新興交叉學科。隨著冰凍圈科學概念的提出和學科體系不斷完善，《冰凍圈科學概論》出版以后，編寫與之配套的系列叢書的計劃也在付諸實施。《冰凍圈物理學》為其中的一個分冊，已于2020 年11 月由科學出版社出版。

冰凍圈的組成要素種類較多，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，等等。所有這些冰凍圈組成要素因形成和發育的條件、物質組成、演化過程等存在差異，它們的物理性質和各種過程的物理機制有所不同。而且，一直以來，冰凍圈各組成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。于是，有些冰凍圈要素物理學研究甚或某個方面的研究已形成體系，不斷有專題論著涌現，如冰川物理學、冰川動力學、凍土力學、凍土熱學、冰力學和工程學，等等。

編寫涵蓋冰凍圈各要素的冰凍圈物理學專著具有很大挑戰性。首先，冰凍圈物理學編寫范疇不夠明確。由于物理過程貫穿于冰凍圈的各個方面，冰凍圈各組成要素與物理過程有關的內容極為廣泛，一部專著難以容納。其次，如果將冰凍圈各組成要素的物理學內容簡單地堆砌在一起，則不能體現冰凍圈科學圈層概念的系統性，而要從圈層整體性去闡述，不同冰凍圈要素物理過程又有很大的差異。

作為首次編寫嘗試，本專著力爭從圈層角度去闡述冰凍圈各要素主要物理性質和物理過程的共性特征和普遍性原理，然后按陸地冰凍圈、海洋冰凍圈和大氣冰凍圈主要要素指出其中的差異，主要內容限定在純凈冰的基本物理性質、冰凍圈形成和變化過程中的能量-物質平衡、冰凍圈力學和動力學特征、冰凍圈水熱過程等幾個重要方面。全書25.5 萬字，圖41 幅，公式141 條，重點介紹基本概念和經典理論原理，對重要問題給出共識性結論，避免大量具體研究成果闡述，但對研究趨勢和需要重點關注的問題給予一定關注。

目前冰凍圈物理學研究的發展趨勢主要表現在三個方面：一是冰凍圈主要物理過程的精細化研究，二是冰凍圈要素多種物理過程的耦合模擬和基于物理模型的區域尺度未來變化預估，三是多個冰凍圈要素的綜合研究。

在冰凍圈主要物理過程的精細化研究方面，主要是對關鍵機理和過程進行精細刻畫，如冰凍圈不同要素的動力學、熱力學和水分遷移機理，不僅定量化要進一步提高，更要達到對動態過程的精細描述。因此，對某個物理參數既要求能夠給出空間分布，還要求給出隨時間的變化，亦即分布式時間序列。同時要將研究從定點擴展到區域上，因為定點精細研究固然重要，但空間大尺度研究則更能滿足冰凍圈變化預估重大需求。

目前對冰凍圈各個要素的主要物理過程都有大量的研究成果，而且大多已建立了很好的模型，但冰凍圈研究最關注的是這些冰凍圈要素的時空變化和產生的影響。因此，對這些冰凍圈要素的多種物理過程進行耦合研究，如熱力-動力-水分遷移的耦合，建立區域尺度各個冰凍圈要素變化的預測或預估模型，比單點或者小區域的研究更為迫切。例如，某一區域內冰川儲量究竟變化多少對區域水資源利用、生態環境影響等顯然比單條冰川變化要重要得多。

在許多冰凍圈作用區，冰凍圈要素往往并不是單一的，冰凍圈對地表能量平衡、水文水資源和生態環境等方面的影響是冰凍圈多個要素綜合作用的結果。所以，對冰凍圈多要素進行綜合研究的重要性顯而易見。冰凍圈多要素綜合研究又包括多個方面：對某一物理過程研究時需要同時考慮多個冰凍圈要素，如研究某一高山區或高原區地表反照率變化對能量平衡影響時需要將冰川、凍土和積雪的反照率變化綜合起來；對某一個冰凍圈要素的變化研究涉及到其他冰凍圈要素的影響，如研究冰架變化時需要考慮冰蓋和海冰與冰架之間的相互作用；對冰凍圈與其他某一圈層的相互作用研究，需要將研究區各個冰凍圈要素都綜合在一起，如研究某一區域冰凍圈對水文水資源的影響時，需要研究各個冰凍圈要素的融化和產流過程以及它們的相互影響和綜合效應。

總之，冰凍圈科學是一門新興的交叉性很強的學科，冰凍圈物理學是其中最基礎的部分。將冰凍圈各組成要素的物理學研究綜合歸納到一個體系，形成冰凍圈物理學，以適應冰凍圈科學的發展，非常新穎，無疑要經歷從起步到逐步完善的過程。

《冰凍圈災害學》

冰凍圈災害是冰凍圈地區社會經濟可持續發展的重要制約因素。降低冰凍圈災害風險，減輕災害造成的巨大損失和影響是保障冰凍圈作用和影響區居民生命財產安全和可持續發展的關鍵。本書以作者在該領域多年的教學和科研積累為基礎，結合國內外最新的前沿理論和實踐進行編寫，主要內容包括冰凍圈災害的基本概念、理論與方法，冰凍圈災害風險分析的基本方法，冰凍圈災害類型、時空分布，氣候變化與冰凍圈災害，陸地冰凍圈災害、海洋冰凍圈災害和大氣冰凍圈災害的成因、影響和防治，以及冰凍圈災害風險管理等。

本書適合作為高等院校冰凍圈、地理、氣象與氣候、災害風險管理、應急管理等相關專業的本科生和研究生教材，也可以供冰凍圈地區可持續發展、防災減災、風險管理相關領域的研究者和從業者閱讀參考。

《冰凍圈遙感學》

本書從冰凍圈遙感原理、冰凍圈各要素的遙感監測方法和技術以及冰凍圈信息系統三大方面介紹了冰凍圈遙感學的內容，其具體內容由6 章組成。第1 章為冰凍圈遙感學概述，主要介紹冰凍圈遙感學的定義、發展簡史，已有的用于冰凍圈監測的遙感平臺和傳感器；第2 章根據不同的遙感類型介紹了冰凍圈遙感原理，包括可見光遙感、主被動微波遙感、激光雷達遙感等不同遙感方式；第3～5 章分別描述了陸地冰凍圈遙感、海洋冰凍圈遙感及大氣冰凍圈遙感的原理、方法，并給出了相應的研究案例；第6 章從冰凍圈數據同化與冰凍圈信息系統兩個方面概述了冰凍圈遙感的應用。

本書可供與冰凍圈科學、遙感學及其相關的科研和技術人員，以及大專院校的教師、研究生和高年級本科生參考使用。

《冰凍圈水文學》

冰凍圈作為氣候系統的一個重要圈層，其影響受到越來越廣泛的關注，其中冰凍圈的水文影響，是全球關注的重點之一。冰凍圈的固液態相變水文特性及對氣候變化的敏感屬性使其在流域、區域乃至全球水文循環中顯示出獨特而重要的作用。隨著氣候變化影響的不斷加劇，從北極到青藏高原，從安第斯山到阿爾卑斯山，從內陸河流域到西伯利亞，從高緯度海洋到全球海平面變化，冰凍圈變化的水文影響已經不斷顯現，冰凍圈水文已經成為全球變化中的水問題熱點。冰凍圈水文學正是應國際全球變化研究大勢、順應冰凍圈科學發展所需而形成的一門新興學科。

本書從研究方法、水文過程、流域水文作用及全球水文影響等方面對冰凍圈水文學進行了系統論述。研究方法包括野外觀測與試驗、室內實驗與分析、遙感與地理信息應用和數理統計與模型；水文過程著重從消融及產匯流過程、徑流變化過程及泥沙與水化學三方面進行闡述；流域水文作用涉及水源涵養作用、徑流補給作用、水資源調節作用和流域極端水文事件；全球水文影響主要從冰凍圈與大洋中的淡水組成、冰凍圈與全球水循環和冰凍圈與海平面變化三方面對冰凍圈的大尺度水文影響進行了討論。

本書可供水文、冰凍圈、地理、地質、地貌、大氣、生態、環境、海洋和區域經濟社會可持續發展等領域有關科研和技術人員、大專院校相關專業師生使用，也可供在經濟、社會、人文等領域和部門工作的同仁參考。

《冰凍圈地理學》

冰凍圈地理學是冰凍圈科學學科體系的重要分支學科之一，其主要研究冰凍圈要素的形成過程、地理分布、動態變化及其與人文系統的相互作用，是支撐冰凍圈科學其他分支學科的基礎，是人們認識冰凍圈重要性、冰凍圈與氣候系統其他圈層相互作用機理、冰凍圈變化及其影響的一扇窗戶，是開展相關過程與影響研究的知識儲備。

本書共分7 章。第1 章，緒論，重點介紹冰凍圈地理學的研究對象與內容、任務與意義、與其他學科的關系以及研究歷史回顧。第2 章，冰凍圈形成機理及與其他圈層的聯系，重點介紹冰凍圈的形成與發育條件、形成與發育機理，在此基礎上介紹冰凍圈與其他圈層的相互作用。第3 章，冰凍圈類型、分布及變化，重點介紹陸地冰凍圈、海洋冰凍圈和大氣冰凍圈的構成、全球分布與變化及其地帶性和分異特征，以及末次冰期以來的冰凍圈演變。第4 章，冰凍圈與人類活動，主要介紹冰凍圈地區的人文社會屬性、資源稟賦、冰凍圈災害，以及冰凍圈變化的影響與適應。第5 章，極地地區，介紹全球分布范圍最大、冰凍圈類別最齊全的北極和南極地區的區域冰凍圈特征、變化與影響。第6 章，高原與高山地區，重點介紹青藏高原、全球其他高原和高山地區的冰凍圈分布、變化、影響及與社會經濟活動的關系。第7 章，冰凍圈地理學研究方法，包括定位監測、遙感監測、統計分析和數值模擬方法，以及野外工作技能等內容。

《冰凍圈人文社會學》

本書主要闡述了冰凍圈及其影響區的人文社會特征，從冰凍圈功能和服務、冰凍圈功能與服務區劃、冰凍圈服務價值、冰凍圈影響區社會生態恢復力、冰凍圈地緣政治等方面闡述了冰凍圈與人類圈的關系。本書適合地理學、氣候變化科學、大氣學、海洋學、水文學、社會學等學科的院校師生，以及與冰凍圈相關的部門決策者閱讀和參考。

本書第1 章為緒論，概述了冰凍圈與人類社會的關系，介紹了本書的主要內容和學科性質。第2 章闡釋了冰凍圈及其影響區社會經濟特征，側重說明冰凍圈及其影響區社會形態（人口、經濟、民族）及其演化，冰凍圈特色文化（歷史、宗教、藝術等），冰凍圈原住民族區域自治與法律體系，以及冰凍圈要素與人文社會的互饋關系，等等。第3 章著重介紹了冰凍圈人文社會學研究方法與工具，主要從社會調查方法，人地系統近、遠程耦合，冰凍圈-社會水文耦合方法，系統動力學方法以及投入產出分析模型等方面入手，探索冰凍圈服務與人類社會相互作用的半定量和定量化方法，介紹地理區劃的通用方法，從而為冰凍圈服務區劃奠定基礎。第4 章系統闡述冰凍圈服務和人類社會的關系，給出了冰凍圈服務的分類體系，梳理了各類冰凍圈服務的形成過程和時空變化等，并探討了冰凍圈服務與人類福祉之間的關系。第5 章介紹了冰凍圈服務的區劃原則和方法，根據冰凍圈服務的特殊性建立分類和相應的指標體系，針對水資源服務、生態服務、人文服務和工程服務進行冰凍圈服務的主體功能區劃和綜合區劃；在梳理冰凍圈各類服務之間的權衡（trade-off）和協同（synergy）關系后，在不同時空尺度上表達冰凍圈服務對人類社會的影響；冰凍圈服務區劃將有助于為全局、系統利用冰凍圈服務提供重要的決策依據。第6 章主要闡述冰凍圈服務價值評估方法，基于冰凍圈服務分類體系討論其經濟價值，介紹定量評估冰凍圈供給、調節、文化、工程和支持服務價值的方法，突出冰凍圈的環境和社會經濟服務價值，并對冰凍圈服務價值優化途徑及其舉措等方面加以討論；介紹了如何計算冰凍圈服務價值，并輔以典型案例。第7 章探討了冰凍圈變化及其影響區社會生態系統恢復力，通過識別冰凍圈變化情景下經濟社會和工程適應措施，特別是基于恢復力理念找出適應路徑，尋求實現可持續發展目標的調控方法；闡述系統恢復力在冰凍圈變化適應中的作用，并列舉了一些冰凍圈影響區增強恢復力的研究案例。第8 章討論冰凍圈地緣政治，主要內容包括冰凍圈地緣價值、冰凍圈與國際航道安全、冰凍圈與國際河流水沖突、冰凍圈與邊疆演化及其軍事、冰凍圈相關立法等，并提出經略冰凍圈的理念。