本课程系为地理、水文、生态、环境、遥感、地图、地质、地貌、大气、海洋、农学、林学、人体健康，以及全球变化、环境变迁、可持续发展和社会经济科学等相关领域研究生而开设的专业课程，目的是使学生在建立冰冻圈科学概念的基础上，掌握冰冻圈组成要素的形成、演化的原理、规律和研究方法，认识冰冻圈与气候系统其他圈层相互作用的内涵和意义，从宏观和微观两个方面、自然和人文两个领域，换位思维，理解冰冻圈与气候变化、环境变迁和社会经济发展的关系，提高学生解决学科交叉问题的能力，达到开阔视野、拓展思路，为今后此事教学、科研、经济社会工作奠定坚实的基础。

主要内容 

第一章	冰冻圈与冰冻圈科学
冰冻圈是地球表层连续分布并具有一定厚度的负温（≤0°C）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”。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，所以习惯上称其为冰冻圈。
冰冻圈内的绝大多数水体处于自然冻结状态。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。冰冻圈的组成包括冰川（含冰盖和冰帽）、河冰、湖冰、积雪、冰架、冰山、海冰，以及多年冻土和季节冻土。大气圈内的雪花、冰晶、冰雹、霰等固态水也是冰冻圈的组成部分。作为独立圈层，它是地球气候系统五大圈层的组成成分之一，在地球科学和生产实践中有特殊的地位。本章用五个小节介绍冰冻圈与冰冻圈科学的基本概况。
第一节	：冰冻圈
介绍地球上的冰冻圈、冰冻圈的空间分布及其与气候变化的关系，以及国际重大科学计划中冰冻圈方面的研究内容
第二节	：冰冻圈科学
介绍冰冻圈科学的定义、研究内容、学科体系和研究方法，最后对冰冻圈科学研究历史进行了简要的阐述
第三节	：冰冻圈在气候系统中的地位和作用
首先介绍冰冻圈与其他圈层相互作用的一般概念，然后从冰冻圈与气候系统相互作用的几个主要方面展开谈了冰冻圈的地位和作用，具体包括：冰雪反照率反馈效应、冰冻圈与气候、冰冻圈与海洋、冰冻圈与生物圈及碳氮循环
第四节	：冰冻圈科学在社会经济发展中的作用
从水资源、矿产资源和寒区工程、地缘政治、旅游资源、冰冻圈灾害几个方面介绍了冰冻圈科学在社会经济发展中的作用
第五节	：行星冰冻圈
主要介绍行星冰冻圈的科学事实，着重介绍了火星冰冻圈的主要特点以及火星水冰的证据

第二章 冰冻圈的分类和地理分布 
    本章阐述冰冻圈要素的分类及其在全球的地理分布。先从全球尺度阐述陆地冰冻圈、海洋冰冻和大气冰冻圈的总体分布情况。 在此基础上， 着重针对冰川和冰盖（含冰架、冰山）、冻土、积雪、海冰、河冰与湖冰、固态降水等冰冻圈要素分述其分类和地理分布特点。

第一节： 冰冻圈的全球分布、组成与分类
    本节主要介绍冰冻圈分布的地带性、冰冻圈的组成、各分量值和分布特征，并从海洋冰冻圈、陆地冰冻圈和大气冰冻圈三个方面介绍了冰冻圈的分布特征
第二节 ：陆地冰冻圈的分类及分布
    从冰川与冰盖、冻土、积雪、河冰、湖冰几个方面，系统介绍了陆地冰冻圈的分类及分布
第三节：海洋冰冻圈的分类与分布
    介绍海冰以及冰架和冰山的分类和时空分布特征
第四节：大气冰冻圈的分类与分布
    介绍大气冰冻圈的分类和分布特征

第三章 冰冻圈的形成和发育
冰冻圈的形成过程是地球表层固体水形成和变化的过程，不同类型冰冻圈组分具有不同的形成和发育过程，主要有固态降水的积累、转化和融化过程，即积雪本身的形成和消失过程，其中包括冰川的形成和变化过程；地表水的冻结和积累过程，即：海、湖和河冰的形成和消亡过程；空隙水，如孔隙水、裂隙水、洞穴水及汽态水的冻结和融化过程，也即冻土的形成和发育过程。冰冻圈中冰、水和汽的相互转化及变化过程在满足质量平衡定律的同时，也伴随着能量的耦合和转化。因此，质量和能量耦合平衡过程是冰冻圈形成和变化的物理基础。本章首先从冰冻圈形成和发育的条件开篇，然后简单介绍冰冻圈形成和发育的物理基础，也即物质和能量的平衡过程，最后分节论述冰冻圈各组分的形成和发育过程，以期读者通过本章的论述，既了解了冰冻圈形成和发育的关键物理机制，也能对其各组分的具体形成过程有一个概念性的认识。

第一节： 冰冻圈形成与发育的条件
从积雪、冰川、多年冻土、河、湖和海冰几个方面介绍冰冻圈的形成和发育条件
第二节 ：冰冻圈形成与发育的物理基础
本节介绍冰冻圈表面能量平衡的物理基础，表面水量平衡的物理基础、冰冻圈介质中热量传输的物理基础以及冰冻圈物质平衡的物理基础，最后对土壤中水分迁移/运动的物理机制进行阐述
第三节： 积雪与固态降水的形成与发育
介绍冰晶和雪花的形成和发育条件，以及霰、冰粒以及冰雹的形成和发育
第四节： 冰川(盖)的形成与发育
主要介绍冰川冰的成冰作用和冰盖的形成与发育
第五节： 冻土的形成与发育
从季节冻土的冻结与融化、多年冻土的形成、地下冰和冻土组构几方面进行了介绍
第六节： 海冰的形成与发育
介绍海冰的形成过程、海冰的结构与变化、海冰的融化过程、海冰冻结与融化的能量过程
第七节： 河(湖)冰的形成
    介绍河冰和湖冰的形成条件和形成过程

第四章 冰冻圈的物理特征
冰冻圈的物理性质和主要物理特征是冰冻圈各种过程、机理和模拟研究的基础。尽管冰冻圈的核心物质是冰，但冰冻圈各要素的物质组成和结构以及形成发育条件存在差异，从而使他们的物理特征并不相同。因此，关于冰冻圈各要素的物理性质、物理特征和过程有大量的研究结果，也有很多专著。由于篇幅所限，本章重点对冰的物理性质和冰冻圈主要要素的力学、热学特征基本概念予以扼要阐述，同时给出必要的示例图、数据和经验公式。冰冻圈探测技术，尤其是冰冻圈遥感发展极为迅猛，为此，对冰冻圈电学和光学特性及其遥感应用也予以简短介绍。

第一节 ：冰的主要物理性质概述
介绍冰的晶体结构、力学性质、热学性质和电学光学性质
第二节： 冰冻圈主要要素动力学特征
介绍冰川的运动和动力学特征、冻土力学特征、海河湖冰动力学特征
第三节： 冰冻圈主要要素热学特征
介绍冰川和积雪热学特征、冻土中的水热迁移、海河湖冰的热力学特征
第四节： 冰冻圈主要要素的其他物理特征
    介绍冰冻圈要素的反照率特征和电磁学特征

第五章 冰冻圈各要素的化学特征
冰冻圈各要素的化学特征是冰冻圈科学的重要研究内容。冰冻圈是地球表层水以固态形式存在的圈层, 包括冰川(山地冰川、冰帽、南极冰盖和格陵兰冰盖、冰架等)、冻土(季节冻土和多年冻土)、积雪、海冰、河冰、湖冰等多种要素，因此，本章对冰冻圈各要素的化学特征将分别从冰雪化学、冻土化学、海冰化学、河湖冰化学等方面进行阐述。由于冰冻圈各种要素的特性不同，其化学特征的研究程度也有差异，其中冰雪化学的研究最为深入和广泛,成为认识过去全球变化的主要手段之一。冻土化学、海冰化学和河湖冰化学则由于其较强的季节性和流动性，研究水平相对较弱。

第一节： 冰冻圈化学成分的来源
主要介绍大气化学成分进入冰冻圈的主要过程和冰冻圈化学对气候环境的影响
第二节： 冰川化学
介绍冰川中的无机成分、有机成分、不溶微粒和稳定同位素比率
第三节： 冻土化学
从已冻结土及正冻土的化学过程、冻融过程中的物理化学和化学过程、天然气水合物几方面进行了介绍
第四节： 河、湖冰化学特征
介绍了氢-氧同位素在冰-水两相间的分馏与影响因素、电导率与离子变化，以及痕量气体在河、湖冰中的分布，最后介绍了河湖冰有色可溶性有机物的排斥效应与光学特性
第五节： 海冰化学
     主要介绍现代海水的化学组成、海冰盐度、海冰相图，并对海冰盐度的演化、海冰中的气体、生物过程及其对海冰化学的影响进行了阐述。

第六章 冰冻圈内的气候环境记录
了解过去气候环境变化，对于认识现在和预测未来的气候环境变化具有重要意义。本章在介绍冰冻圈不同介质（冰芯、冻土、树轮、湖泊）中各种指标气候环境意义的基础上，着重阐述了冰芯、树轮、湖芯等等记录的轨道时间尺度和千年时间尺度的气候环境变化信息。由于冰冻圈的形成演化与气候变化密切相关，因此，本章中关于过去气候环境变化的重建结果，也是理解过去冰冻圈演化的重要基础。

第一节： 冰冻圈介质中的气候环境指标
对冰冻圈介质中现有的气候环境指标进行了概述，包含冰川（冰芯等）、冻土（冰楔等）、树木年轮和湖泊沉积物中的气候环境指标
第二节： 冰芯气候环境记录
从极地冰芯记录和山地冰芯记录两方面进行了介绍
第三节： 冻土气候环境记录
从冰楔记录和冻胀丘泥炭层记录阐述了冻土气候环境记录
第四节： 寒区树木年轮记录的气候环境变化
介绍了寒区树木年轮记录的重大气候事件冰川末端进退和冻土环境变化
第五节： 寒区湖泊记录的气候环境变化
    介绍寒区湖泊沉积物记录的气候环境变化
第六节： 寒区其他介质记录
简要介绍了除冰芯、冰楔、冻胀丘、树木年轮和湖泊沉积物记录以外的寒区其他介质记录

第七章 不同尺度的冰冻圈演化
地球具有46亿年历史，寒武纪开始至今仅5.42亿年，之前的40余亿年称为前寒武纪时期。前寒武纪时期分为冥古代（46-40亿年）、太古代（40-25亿年）和元古代（25-5.42亿年）。地球经过冥古代和太古代早期演化，结束炽热星球时期，形成了岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。于太古代晚期（28-25亿年前），地球表面温度趋近于现在的水平，此后就以这一温度为基准大幅度波动，有了冰冻圈的记录，如三大冰期、每个大冰期时期的冰期-间冰期交替以及更短尺度的变化。本章分构造、轨道、亚轨道、百年和年际五种尺度，分述冰冻圈演变及其可能的原因。

第一节： 构造尺度冰冻圈演化
介绍前寒武纪大冰期、石炭-二叠纪大冰期、第四纪大冰期和三大冰期形成的原因
第二节： 轨道尺度冰冻圈演变—更新世气候演变与米兰科维奇理论
介绍冰期天文理论的创立过程、冰期天文理论的基本原理、冰期天文理论的修正和冰期天文理论面临的挑战
第三节： 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变
主要介绍气候变化若干重要事件及其基本概念和末次冰期以来冰冻圈各要素的演变
第四节： 百年来冰冻圈变化
主要介绍南极冰盖的百年际变化、山地冰川变化、全球冻土变化和北半球积雪变化
第五节： 年际至季节尺度变化
介绍冰川、冻土、北半球积雪和两极海冰的年际和年代际变化

第八章 冰冻圈与其他圈层的相互作用
冰冻圈与其他圈层相互作用涉及地球表层广泛地区，冰冻圈在其形成、演化过程中深刻影响着地球表层系统的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈，而地球表层其他圈层也对冰冻圈分布规律、变化过程有着驱动、控制作用。因此，冰冻圈与其他圈层相互作用是冰冻圈科学的重要内容。本章在简要介绍冰冻圈与其他圈层相互作用研究中的主要科学问题基础上，着重对冰冻圈与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈相互间的联系机制及作用机理进行了阐述。

第一节： 冰冻圈与其他圈层相互作用研究中的主要科学问题
从冰冻圈与气候变化、与生态系统、水循环和水资源、地表过程和灾害以及与社会经济可持续发展几个方面进行了介绍
第二节： 冰冻圈与大气圈
从冰雪-反照率反馈机制、冰-气潜热和感热交换、冰-气动量交换和冰冻圈与东亚季风几个方面进行了介绍
第三节： 冰冻圈与生物圈
介绍冰冻圈与寒区生态、寒区碳氮循环和极地海洋生物之间的关系
第四节： 冰冻圈与水圈
介绍冰冻圈对大洋环流、海平面和陆地水文的影响及其反馈
第五节： 冰冻圈与岩石圈
    介绍构造运动与冰期地表过程响应、冰川侵蚀、搬运与堆积作用，以及多年冻土与岩石圈表层之间的相互作用关系

第九章 冰冻圈分量模式和冰冻圈变化的预估
气候模式已成为认识过去的气候变化及其成因、气候系统各圈层内部及相互作用的过程与机理，以及预估未来气候变化的最重要的研究手段和分析工具。随着气候模式由简单气候模式、中等复杂模式、气候系统模式到地球系统模式的快速发展，冰冻圈分量模式已成为地球系统模式中的重要组成部分。本章介绍了主要的冰冻圈分量模式及其在冰冻圈变化与过程研究中的模拟应用，包括冰川物质平衡模式、冰盖动力学模式、冻土模式、积雪模式、海冰模式和河湖冰模式等。在本章末尾部分介绍了目前对21世纪末冰川、冰盖、冻土、积雪、海冰和河湖冰变化趋势的预估进展。

第一节： 冰冻圈分量模式及其在地球系统模式中的地位
介绍气候模式的发展以及地球系统中的冰冻圈分量模式在整个地球系统模式中的重要作用
第二节： 冰冻圈过程的模拟
从以下几方面综合介绍了冰冻圈过程的模拟现状与未来发展，包含：冰川物质平衡模拟、冰盖物质平衡模拟、冻土分布与气候响应模拟、积雪模拟、海冰模拟、河湖冰模拟
第三节： 冰冻圈变化的预估
从排放情景、气候情景的降尺度方法、冰冻圈变化的预估、冰冻圈变化预估的不确定性几方面介绍了目前冰冻圈变化的预估现状。
第十章 冰冻圈变化与可持续发展
冰冻圈变化可在多个层面上对社会经济发展造成影响，其变化带来的影响既有全球尺度的表现，也具有区域或局地特征。从全球尺度上看，冰冻圈的扩张与退缩引起大量淡水在陆地和海洋之间转移，以及大范围积雪和海冰变化，不仅与全球气候变化息息相关，而且引起的海平面变化和极端气候事件对全球经济最为集中的海岸带环境带来深刻的影响。从区域或局地尺度上看，冰冻圈单个或多个要素的变化，可引起水资源供给、洪水、冰雪灾（含冰雪崩、分吹雪等）、线状工程破坏等环境灾害问题。本章将系统介绍冰冻圈变化的水文生态效应和灾害影响，以及适应冰冻圈变化的原理和方法。

第一节： 冰冻圈变化影响的评估方法与适应框架
主要介绍冰冻圈的脆弱性及其评估方法、最后谈了对冰冻圈变化的适应
第二节： 冰冻圈变化对水文生态的影响与适应
从水循环、水资源变化与可持续发展，以及冰冻圈变化与区域生态保护三个方面对冰冻圈的水文效应进行介绍
第三节： 冰冻圈灾害与风险管理
从灾害风险与风险管理、冰川灾害、冻土灾害、雪灾、冰凌灾害、海冰灾害几方面介绍了冰冻圈灾害与风险管理
第四节： 冰冻圈区重大工程建设
介绍了寒区铁路、公路与冻土融沉、南水北调西线工程、冻土区输油管道、海冰区港口
第五节： 冰冻圈旅游
从冰冻圈旅游内涵、冰冻圈旅游资源特点、国际冰冻圈旅游发展概况、冰冻圈旅游资源开发案例、中国冰冻圈旅游开发潜力、冰冻圈旅游资源保护性开发策略进行介绍

第十一章 冰冻圈科学观测和实验技术
20世纪70年代以来，遥感技术的应用促进于冰冻圈科学的研究。利用航空和卫星遥感开展的冰冻圈观测，涵盖可见光、近红外、热红外、微波、激光、无线电和重力等技术，可以高效的获取大范围高分辨率的冰冻圈要素的几何、物质和能量等各类参数，结合实地观测和验证资料，有效的提高了冰冻圈各类参数的精度。同时，野外观测中其它高技术的应用，如钻探与坑探技术、探地雷达、高密度电法、瞬变电磁法、频率域电磁等方法提高了冰冻圈要素微观和宏观上的物理和化学特性观测，各类自动观测（如自动气象站、涡动相关系统、自动摄影等）也极大的促进了冰冻圈物质和能量过程观测的效率和精度。经过近几十年的发展，针对冰冻圈各环境要素的实验室分析技术，在采样流程、样品处理，实验室分析理论及技术等方面均日益成熟和完善。力学、热学、光学、物理结构和电磁学等先进的理论和方法应用于环境样品的理化参数分析。随着检测精度的提高、仪器设备的快速更新、以及分析方法的创新，给冰冻圈科学研究带来了新的机遇。本章将系统介绍现阶段冰冻圈研究中常用的观测技术和实验方法。

第一节	：先进技术在冰冻圈科学发展中的作用
    观测技术的进步在冰冻圈科学的发展中起着关键作用，本节首先对目前在冰冻圈研究中使用的先进技术进行介绍
第二节	：野外观测与勘测技术
介绍野外观测中的通用技术、描述其工作原理及其在冰冻圈研究中的适应范围，并从细节上描述不同要素的特殊观测体系
第三节	：实验室分析技术
从力学、热学、光学、物理结构、化学成分和年代学几方面系统阐述冰冻圈的实验室分析技术
第四节	：遥感技术
从光学遥感、微波遥感、高度计、无线电回波探测以及重力卫星几方面系统阐述了应用于冰冻圈领域的遥感技术

主要参考书 
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