什么是冰冻圈？冰冻圈科学的发展冰冻圈正在发生深刻变化冰冻圈变化显著影响着人类社会如何适应冰冻圈变化带来的影响是当前人类共同面临的紧迫问题为人类福祉和地球健康作贡献的冰冻圈科学结语
什么是冰冻圈？
冰冻圈，指地球表层连续分布并具有一定厚度的负温圈层，亦称冰雪圈、冰圈或冷圈。“冰冻圈”一词源自英文cryosphere，该词源自希腊文的kryos，含义是“冰冷”。
Cryosphere一词，最早引入中国时，译为“冷圈”。例如，冰川学家崔之久的《冷圈·气候变化·温室效应》（刊于《第四纪研究》，1991年第3期。根据《大气科学名词（第三版）》（科学出版社，2009），标准词为冰雪圈；根据《地理学名词（第二版）》（科学出版社，2006），标准词为冷圈；随着2007年冰冻圈科学国家重点实验室的建立，冰冻圈这一提法更为常见。在中国，由于冰川和冻土的重要影响，以及冰川学和冻土学在发展过程中相辅相成的历史渊源，该译法越来越广泛。如国家重大科学研究计划“冰冻圈变化及其影响研究”。
图1. 冰冻圈组成要素及其全球分布
冰冻圈内的水体处于自然冻结状态（图1）。自然界的地表水和其他物质混合而成的冻结体也属于冰冻圈的范畴。在陆地表层，冰冻圈分布于地面及地面以下数十米至数百米，包括冰川（含冰盖）、冻土（多年冻土和季节冻土）、积雪、河冰、湖冰等，属于陆地冰冻圈。在海洋上，冰冻圈分布在水面上下数米至数百米，以及大陆架向下数百米范围内，如海冰、冰架、冰山和海底多年冻土等，属于海洋冰冻圈。冰冻圈还存在于大气圈 0℃ 线高度以上的对流层和平流层内，如冰晶、雪花、冰雹、霰等冻结状水体，属于大气冰冻圈。水平方位上，地球高海拔和高纬度地区是冰冻圈发育的主要地带，在竖直方向上，冰冻圈覆盖了从海底以下数百米到对流层顶乃至平流层下层。
冰冻圈储存了地球淡水资源的75%，其中冰川和冰盖约占全球淡水资源的70%。全球 5.3%—7.3% 的海洋表面被海冰和冰架覆盖。北冰洋海冰最大范围可达约 15×106 km2，夏季最小时约为6×106 km2。南大洋海冰范围于每年 9 月最大，约为18×106 km2；2月最小，约为3×106 km2。南极冰盖外缘的诸多冰架总面积约1.617×106 km2，占全球海洋面积的0.45%；北极地区的格陵兰冰盖和某些岛屿上的冰帽边缘也有冰架分布，但冰架体量远小于南极地区。全球海底多年冻土主要在北极地区，约占海洋面积的 0.8%。大气圈内的含冰量约为41~66×1012 kg，和陆地、海洋冰冻圈比，冰量最少、寿命很短。
冰冻圈科学的发展
冰冻圈是气候系统五大圈层之一，对大气、水资源和水循环、生态系统、陆地和海洋环境，以及社会经济可持续发展均有重要影响。冰冻圈发育的地带性特征，决定了它的变化首先会影响到世界经济最发达的中高纬地区的国家和经济体，对中纬度地区的影响亦不可低估，加上其变化对海洋的影响，使低纬地区和小岛国家也不可避免，“牵一发而动全身”，从而波及全球。
图2. 冰冻圈科学研究构架
冰冻圈科学是在全面研究冰冻圈变化及其内在机理，以及对其他圈层和社会经济的影响及适应对策的过程中不断丰富和发展的。从初创到向体系化发展，正在形成以圈层整体为核心，既综合了各要素的共同属性，又深入开展各要素相关过程的研究构架。冰冻圈科学研究内容涉及冰冻圈的物理学、化学和生物学过程，以及气候和水文、生态和资源、工程灾害、人文地缘、地理与地质地貌等多个方面（图2）。时间尺度从第四纪到未来几百年，空间上则从地球向行星拓展。其目标是不断发展与时俱进的学科内涵，为人类建设健康地球和实现可持续发展作出重要贡献。
冰冻圈科学是一门自然和人文深度交叉的综合科学。在中国科学家几十年的努力下，冰冻圈科学研究由单要素向圈层综合转变，且将自然科学与社会经济可持续发展有结合。例如，在对区域发展的影响方面，整个圈层的作用往往是问题的关键所在。在某干旱区，其上游的冰冻圈对区域发展有制约作用，主要矛盾是水资源供给，其中就有很多问题需要解答：水资源在何时能提供？能提供多少？对区域发展的最大承载能力是多少？全球温升 2 ℃ 时水资源如何变化？怎么避免这类风险？……要回答这类问题，如果仅从过去的冰川学或冻土学等单要素学科知识出发，很难较圆满解决，需要利用冰川、积雪、冻土综合研究，集成冰冻圈各个要素的水文特点，搞清圈层的时空变化，联系下游地区，特别是干旱区人文经济社会情况，再进行综合设计规划，方显示圈层整体的作用。冰冻圈的主体是地球表层自然固态水，不可避免地要与水有关的学科交叉，如山地冰川、积雪和水文水资源、冻土变化与生物多样性变化、海冰与海洋、大气冰冻圈与气象等。此外，冰冻圈还与自然灾害、工程地质、区域发展、地缘政治等相关。
冰冻圈正在发生深刻变化
冰冻圈变化是指冰冻圈内热状况和质量的时空分布变化，在表观上主要体现为形态、体积和质量的变化，如冰川面积、厚度、冰量及末端或边缘变化，冻土面积或范围、厚度变化，积雪范围和雪水当量变化，海冰范围和厚度变化，河冰、湖冰封冻和解冻日期，以及冻结日数、厚度的变化等。冰冻圈内部如热量（温度）、物质结构、物质迁移、化学和生物学等方面的变化，也属变化的内容。
冰冻圈变化在不同时空尺度上，通过改变其物质和能量交换，与大气圈、水圈、岩石圈、生物圈及人类圈相互作用，影响人类经济社会可持续发展。冰冻圈变化的影响有负面也有正面，对负面多种灾害和损失的研究居多。
冰冻圈是地球气候系统中最敏感的圈层。在全球变暖的今天，冰冻圈各要素都在显著变化，主要表现为规模在缩减，温度在升高。
海冰因为有较长的观测数据，可以看到长期变化的细节。北冰洋和南大洋是海冰主要分布区，监测表明，相对于1981—2010年，北冰洋海冰（北极海冰）自 1979年以来海冰范围持续减少，南大洋海冰（南极海冰）海冰范围较稳定，20世纪最后几年到2015年间还略有增长。但是最近几年这两个地区的海冰范围均显著减少。
图3. 2022年7月初，海螺沟冰川发生大规模垮塌，大量的冰体连同粒雪盆内的融水从冰瀑布上倾泻而下。
2006—2015年，格陵兰冰盖和南极冰盖平均冰量损失速率分别达278±11Gt/a 和155±19Gt/a，这加快了全球海平面上升。全球山地冰川整体都处于退缩或急剧退缩的状态（图3）。在中低纬高山地区，近年频频出现冰川崩塌/垮塌事件，给当地带来灾害。例如，2018年西藏林芝地区的雅江冰崩堰塞湖事件。
近几十年来，积雪范围、最大深度、积雪期和雪水当量普遍呈现减少趋势。多年冻土普遍升温、活动层厚度增加。河冰和湖冰结冰日数缩短、厚度减薄、融化时间显著提前。
冰冻圈变化显著影响着人类社会
冰冻圈变化与气候系统其他圈层及人类圈相互作用，影响着区域和全球经济社会发展。
首先，通过与大气圈相互作用，影响社会经济。冰冻圈变化影响不同时空尺度的气候变化。洁净的雪面反照率达90% 以上，是一般地表面反照率的 3—9 倍。海洋在有、无海冰覆盖的情况下，吸收能量的差别可达 9 倍以上；北极海冰减少使海洋吸收更多的太阳辐射，导致区域温升速率达全球平均水平的 2 倍以上。北半球多年冻土含有1460—1600 t 的有机碳，几乎是大气中碳的2倍，多年冻土融化所释放的额外温室气体加剧了全球气候变暖。如果全球温升不能控制在1.5℃ 内，21世纪将有（1.50—2.50）×106 km2 的多年冻土融化，释放约100GtCO2，可能引发气候突变。这将使当前的“碳排放社会成本”增加近8倍——CO2 排放成本将从目前的15美元/t 成本上升至116美元/t。
通过与水圈相互作用影响水资源、全球和区域可持续发展。在全球尺度上，冰冻圈退缩使大量冷淡水进入海洋，导致海平面急剧上升，使世界沿海地区和地势较低的岛屿处于危险之中；同时，还会相应改变大洋的盐度和温度，影响大洋热盐环流过程，进而改变全球水循环过程，包括大洋输送带和洋流强度等。区域尺度上，冰川的加速退缩在短时间内可增加冰川径流，但长时间内将导致径流量减少；水文过程发生改变，影响流域水循环和淡水资源的供给，尤其对高度依赖冰冻圈水资源的区域影响最大，给粮食安全、人体健康、维系生态系统和社会经济发展等带来巨大的负面影响。亚洲水资源利用产生的总收入为2050亿美元，而其产生的总外部成本却达到6600亿美元，约为总收入的3倍。
冰冻圈对陆地表层的影响主要表现为地表风化、侵蚀、搬运与堆积作用，以及由此产生的一系列灾害。冰川地貌过程、冰湖洪水和泥石流、冻土冻融或热融作用、山区积雪形成的春汛、海冰消退连同冻土融化引发的塌岸和“地面坍陷”等，都会对社会经济产生严重影响。例如，加拿大吉勒姆至丘吉尔间铁路线路约300km 的修复重建，而1978—1983年仅用于稳定冻土沉降、修复桥涵、恢复纵坡和更新轨枕就花费掉3000余万美元。
冰冻圈退缩导致陆地生态系统发生演替的概率增加、物候提前，尤其是生态系统的结构、功能与时空分布格局。例如，多年冻土活动层深度增加、土层内水分向下迁移，高寒草甸、高寒沼泽和湿地显著退化.1970—2010年，青藏高原的高寒沼泽湿地萎缩25.6%，沙漠化土地增加17.2%。此外，大气冰冻圈变化可以直接影响植被生长，导致农作物减产严重。冰冻圈变化对海洋生态系统的影响非常显著。北极海冰范围与厚度的持续减少，导致北极海冰边缘区域食物链网络或生物栖息地遭到破坏，进而波及种群繁衍。北极熊赖以生存和捕猎场所不断缩小，导致北极熊数量和繁殖成功率不断降低。若海冰持续减少，未来北极熊的数量可能会锐减近2/3。生态系统的变化对环北极原住民的生活也有极大影响，不仅其谋生方式和社交方式出现改变，甚至本土语言文化也存在流失的危机。
此外，冰冻圈持续退缩也引起国际地缘政治问题。北极海冰减少和北极航道的开通改变了航运格局，商业利益和环境效应明显，能源和矿产价值突出，军事和战略博弈也愈发明显。冰冻圈退缩带来了潜在战略资源，对有效资源竞争的驱动力使得有些国家开始窥伺南极资源，导致南极洲地缘政治的局势日趋紧张。在高山区，山地冰川退缩，导致淡水资源短缺，引发水资源危机。在国际河流区，水资源的争夺加剧地缘政治摩擦。冰川融化还将引起海平面上升，低地国家与小岛国家面临着领土被淹没的威胁。
如何适应冰冻圈变化带来的影响是当前人类共同面临的紧迫问题
为应对冰冻圈变化及其影响，应在冰冻圈未来变化预测的基础上，通过自然科学和社会科学的交叉融合，分析冰冻圈变化的风险和脆弱性，结合区域社会经济现状和发展趋势，建立不同区域冰冻圈变化适应性的评估方法，提出冰冻圈变化的适应性和减缓对策，为全球和区域社会经济可持续发展提供科技支撑。
中国是中低纬度冰冻圈最发育的国家，但冰冻圈大多分布于经济发展相对落后和生态环境脆弱之地。同时，中国也是近北极国家，北极地区冰冻圈变化的影响也波及中国。南极地区不仅是国际科技竞技场，也是国际战略争夺的重要区域。因此，中国不仅需要对国内冰冻圈影响的提出区域尺度适应方案，如制定“亚洲水塔”水安全战略、推动水合作、建立科学的利益分享与补偿机制、完善跨境河流水争端解决机制、加强冻土区生态恢复和保护措施及冰冻圈灾害风险和管控方案等，还要大力提升南、北极冰冻圈变化的适应对策研究。
总之，冰冻圈变化不仅影响自然系统，也影响人文经济社会和国家关系。冰冻圈变化适应研究不仅要着眼于区域社会经济可持续发展，也要联系联合国《2030可持续发展议程》17项目标，从全球视野建立基于恢复力的冰冻圈变化—影响—适应研究体系。
为人类福祉和地球健康作贡献的冰冻圈科学
冰冻圈在气候、水资源、生态、工程、旅游和休闲、探险和体育、资源利用及特色人文等领域，都可以产生可观的服务价值。冰冻圈供给服务包括淡水资源、天然冷能、种质资源、天然气水合物和冰（雪）材等供给服务；冰冻圈调节服务包括气候调节、径流调节、水源涵养、生态调节和陆表侵蚀调节；冰冻圈文化服务包括美学、灵感、宗教、知识与教育、休闲与旅游、文化多样性等；冰冻圈承载服务包括特殊交通通道服务和设施承载服务；冰冻圈支持服务包括生境支持服务、资源生成服务及地缘政治和军事服务。
“一个维持全新世间冰期状态功能的星球，它惠益人类和非人类有机体，并使全人类公平分享自然赋予的福祉、风险，并承担相应责任”。亚健康的地球能否继续惠益巨大的人口，能否保障人类繁衍和生存，是我们面临的重大考题。
地球系统在晚第四纪的120万年里，一直处于冰期和间冰期的自然交替。自18世纪50年代人类社会工业化以来，人类活动造成全球变暖、空气污染、海平面上升和海洋酸化、土地利用变化、淡水资源匮乏、能源短缺、生物多样性下降、冰冻圈退缩等。人类活动导致的这些不良后果导致我们赖以生存的星球上的气候环境和生态系统的稳定性遭受破坏，持续了12000年的全新世的良好生态环境遭到不可逆转的毁损，严重制约了地球支撑人类发展的能力。
目前，地球气候环境处在一个临界点，加强地球系统管理，增强地球恢复力是一个选项；如若任其发展，地球将跌入不可逆转的“热室地球”，这是最坏的结局。1750年世界人口为7.91亿，1950 年增长到25.4 亿，2000年已超过60亿，2019年为78.15亿，估计 2050年将达100亿。面对人类世之前10倍的人口和每年 1亿的增长速率，人类迫切需要寻找一条路径，引导地球系统远离潜在的临界点，恢复到末次间冰期时的环境，保障地球健康和人类发展。
Steffen 等在研究地表温度临界点（阈值）时，预估全球温升1℃—3℃时，格陵兰冰盖和山地冰川急剧融化，西南极冰盖崩解，夏季北极海冰消失，海洋的珊瑚礁白化，可见冰冻圈对这一最低临界点最为敏感。IPCC 报告也预估在21世纪继续升温背景下，冰冻圈各要素将进一步显著退缩。
于是，下列问题值得深思：冰冻圈是地球最大的淡水库，2050年和2100年世界需要至少多少淡水（上限和下限）？冰冻圈可以提供多少淡水才能维系地球健康？冰冻圈是全球气候变化的调控器和启动器，不同温升（如1.5℃、2℃ 和 3℃）条件下，冰冻圈与气候之间的相互作用结果如何？不同温升条件下冰冻圈变化对生态系统和地表环境会有怎样的影响？冰冻圈急剧退缩从不同时空尺度上影响和制约着人类生存和发展，人类社会如何减缓和适应以维持可持续发展？
结语
人类活动给地球带来了诸多负面影响，如全球变暖、生态系统受损、水资源短缺、土地退化等。冰冻圈作为气候系统圈层之一，其变化与上述现象息息相关。
冰冻圈在地球系统里有不可替代的作用，对全球温升极度敏感。冰冻圈退缩不仅影响着世界经济最发达的中高纬地区的国家和经济体，对中纬度地区的影响也不可低估，加上对海洋的影响，低纬度地区和小岛国家也深受其害。冰冻圈内海量的淡水资源、巨大的相变潜能、广阔的发育空间等，对支持地球生命系统的水资源、能源、食物安全，以及陆地、海洋、生物多样性等关键要素有重要影响。冰冻圈变化既能给人带来损失，也能给予种种惠益。
环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr)，该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系，并由法国科学院赞助。
引用这篇文章: DOU Tingfeng (2025年4月15日), 冰冻圈与冰冻圈科学, 环境百科全书，咨询于 2025年10月5日 [在线ISSN 2555-0950]网址： https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/climat-zh/cryosphere-and-cryosphere-science/.
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