冰凍圈科學概論（修訂版）

《冰凍圈科學概論（修訂版）》是由秦大河主編，姚檀棟、丁永建、任賈文副主編，科學出版社於2018年出版的中國科學院大學研究生系列教材，可供地理、水文、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和參考，也可供在經濟、社會、人文等領域和部門工作的同仁參考使用。

該教材系統地介紹了冰凍圈科學，其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治等熱點問題。

基本介紹

• 中文名：冰凍圈科學概論（修訂版）
• 作者：秦大河(主編)、姚檀棟、丁永建、任賈文(副主編)
• 類別：中國科學院大學研究生系列教材
• 出版社：科學出版社
• 出版時間：2018年9月
• 頁數：350 頁
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝
• ISBN：9787030586223
• 版面字數：518千字

成書過程

修訂情況

《冰凍圈科學概論》起源於秦大河院士帶領冰凍圈國家重點實驗室的科研骨幹團隊於2008年在中國科學院研究生院開設的研究生課程“冰凍圈與全球變化”。同時，秦大河院士帶領冰凍圈研究團隊開始了冰凍圈科學體系的構建和《冰凍圈科學概論》的編寫工作，並於2015年正式在中國科學院大學、中國科學院西北生態環境資源研究院、北京師範大學和蘭州大學設冰凍圈科學概論課程，試用了《冰凍圈科學概論》初稿。該教材於2017年8月正式出版，是國際上第一本系統論述冰凍圈科學的教材。隨著人類生產活動的發展和科學技術水平的提高，特別是衛星及遙感探測技術的提高，使冰凍圈科學得到迅速發展。《冰凍圈科學概論》也正是順應這一發展需求，對此門科學做一個較為全面的介紹。

《冰凍圈科學概論》第一版出版後，因編纂冰凍圈科學教材，在中國國內屬首次，國際上亦無現成模板，加上學科發展迅速、涉及面廣，難免存在錯誤和紕漏。注意到第一版篇幅對高等院校學生仍偏大，所以編者精煉了《冰凍圈科學概論》第一版，成為《冰凍圈科學概論（修訂版）》。

《冰凍圈科學概論（修訂版）》編寫委員會

主筆	丁永建	何元慶	康世昌	賴遠明	李新	李志軍
	李忠勤	劉時銀	羅勇	秦大河	任賈文	孫波
	孫俊英	王根緒	王寧練	溫家洪	吳青柏	武炳義
	效存德	姚檀棟	張廷軍	趙林	趙進平	周尚哲
主要作者	車濤	陳仁升	丁明虎	竇挺峰	方一平	何劍鋒
	侯書貴	金會軍	李國玉	劉耕年	劉曉宏	馬麗娟
	牛富俊	沈永平	田立德	王世金	肖瑤	徐柏青
	徐世明	陽坤	楊建平	葉柏生	張通	張建民
	張人禾		張世強		朱立平
秘書組	馬麗娟	竇挺峰	徐新武	王世金	王亞偉	俞傑

出版工作

《冰凍圈科學概論（修訂版）》的出版得到國家自然科學基金創新研究群體項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、國家自然科學基金重大項目、冰凍圈科學國家重點實驗室自主課題和中國科學院大學教材出版中心共同資助。

2018年9月，《冰凍圈科學概論（修訂版）》由科學出版社出版。

《冰凍圈科學概論（修訂版）》出版工作人員

責任校對	何艷萍	責任編輯	楊帥英、趙晶
責任印製	肖興	封面設計	圖閱社

內容簡介

《冰凍圈科學概論（修訂版）》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徵，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徵；第5章是冰凍圈的化學特徵，主要包括冰川的雪冰化學特徵、凍土的化學特徵，以及海凍的化學特徵；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徵；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係，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，並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，並討論了冰凍圈科學加速發展所使用的新技術和新方法。

教材目錄

目錄 修訂版前言 序一 序二 前言 第1章 冰凍圈與冰凍圈科學 1 1.1 冰凍圈 1 1.1.1 地球上的冰凍圈 1 1.1.2 冰凍圈的分類和數量特徵 2 1.1.3 冰凍圈變化 4 1.2 冰凍圈科學 6 1.2.1 冰凍圈科學的定義、內容和範疇 6 1.2.2 學科體系和研究方法 7 1.2.3 冰凍圈科學的發展 8 1.2.4 國際重大科學計畫中的冰凍圈科學 9 1.2.5 關注IPCC AR6 對冰凍圈科學的要求 10 1.3 冰凍圈與氣候系統 10 1.3.1 冰凍圈的發育機理、過程和變化 10 1.3.2 冰凍圈發育的時空尺度 12 1.3.3 冰凍圈與其他圈層的相互作用 13 1.3.4 冰凍圈在氣候系統中的作用 14 1.4 冰凍圈科學在經濟社會發展中的作用 16 1.4.1 水循環和水資源 17 1.4.2 冰凍圈災害 17 1.4.3 礦產資源和工程建設 18 1.4.4 冰凍圈地區探險與旅遊 18 1.4.5 冰凍圈對人類社會的惠益 19 1.4.6 冰凍圈地緣政治 19 1.5 行星冰凍圈 20 1.5.1 火星冰凍圈的特徵 20 1.5.2 火星水凍的證據 21 思考題 22 延伸閱讀 23 【代表人物】 23 【經典著作】 24 第2章 冰凍圈的分類和地理分布 25 2.1 冰凍圈的全球分布、組成與分類 25 2.1.1 冰凍圈分布的地帶性 25 2.1.2 冰凍圈的組成和分布特徵 26 2.1.3 陸地冰凍圈、海洋冰凍圈和大氣冰凍圈 27 2.2 陸地冰凍圈的分類與分布 28 2.2.1 冰川與冰蓋的分類與分布 28 2.2.2 凍土的分類與分布 35 2.2.3 積雪的分類與分布 41 2.2.4 河冰和湖凍的分類與分布 45 2.3 海洋冰凍圈的分類與分布 48 2.3.1 冰架與冰山的分類與分布 48 2.3.2 海凍的分類與分布 50 2.3.3 海底多年凍土的分類與分布 54 2.4 大氣冰凍圈的分類與分布 56 2.4.1 大氣冰凍圈的分類 56 2.4.2 大氣冰凍圈的分布 56 思考題 59 延伸閱讀 59 【經典著作】 59 第3章 冰凍圈的形成和發育 61 3.1 冰凍圈形成與發育的條件 61 3.1.1 冰川的形成與發育條件 61 3.1.2 多年凍土的形成與發育條件 62 3.1.3 積雪的形成與發育條件 63 3.1.4 河冰和湖凍的形成與發育條件 63 3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成與發育條件 64 3.2 冰凍圈形成與發育的物理基礎 64 3.2.1 冰凍圈表面的能量平衡物理基礎 64 3.2.2 冰凍圈表面的水分平衡物理基礎 65 3.2.3 冰凍圈介質中的熱量傳輸物理基礎 65 3.2.4 冰凍圈物質平衡的物理基礎 66 3.2.5 土壤中水分遷移/運動的物理機制 69 3.3 陸地冰凍圈的形成與發育 70 3.3.1 冰川（蓋）的形成與發育 70 3.3.2 凍土的形成與發育 72 3.3.3 積雪的形成與發育 74 3.3.4 河冰和湖凍的形成與發育 75 3.4 海洋冰凍圈的形成與發育 76 3.4.1 海凍的形成與發育 76 3.4.2 冰架和冰山的形成與發育 80 3.4.3 海底多年凍土的形成與發育 81 3.5 大氣冰凍圈的形成與發育 81 3.5.1 雪花的形成與發育 81 3.5.2 霰、冰粒和冰雹的形成與發育 82 思考題 82 延伸閱讀 83 【經典著作】 83 第4章 冰凍圈的物理特徵 84 4.1 凍的主要物理性質 84 4.1.1 凍的晶體結構 84 4.1.2 凍的力學性質 86 4.1.3 凍的熱學性質 89 4.1.4 凍的電學和光學性質 91 4.2 冰凍圈主要要素力學和動力學特徵 91 4.2.1 冰川運動和動力學特徵 91 4.2.2 凍土力學特徵 94 4.2.3 積雪的動力學特徵 98 4.2.4 河冰和湖冰動力學特徵 99 4.2.5 海冰動力學特徵 99 4.3 冰凍圈主要要素熱學特徵 100 4.3.1 冰川和積雪熱學特徵 100 4.3.2 凍土中的水熱遷移 102 4.3.3 海冰、河冰和湖凍的熱力學特徵 104 4.4 冰凍圈主要要素的其他物理特徵 106 4.4.1 反照率特徵 106 4.4.2 電磁學特徵 107 思考題 109 延伸閱讀 109 【代表人物】 109 【經典著作】 109 第5章 冰凍圈的化學特徵 111 5.1 冰凍圈化學成分的來源 111 5.1.1 大氣化學成分進入冰凍圈的主要過程 113 5.1.2 冰凍圈化學對氣候環境的影響 113 5.2 冰川化學 114 5.2.1 無機成分 114 5.2.2 有機成分 119 5.2.3 不溶性微粒 120 5.2.4 穩定同位素比率 121 5.3 凍土化學 122 5.3.1 已凍結土及正凍土的化學過程 122 5.3.2 天然氣水合物 124 5.4 河冰和湖冰化學特徵 126 5.4.1 氫氧穩定同位素比率在冰-水兩相間的變化與影響因素 126 5.4.2 痕量氣體在河冰和湖冰中的分布 126 5.4.3 河冰和湖冰中有色可溶性有機物的排斥效應與光學特性 127 5.5 海冰化學 127 5.5.1 海冰鹽度及其演化 128 5.5.2 海冰相圖 131 5.5.3 海冰中的氣體 133 5.5.4 生物過程對海冰化學的影響 134 思考題 135 延伸閱讀 135 【經典著作】 135 第6章 冰凍圈內的氣候環境記錄 136 6.1 冰凍圈中的氣候環境指標 136 6.1.1 冰芯 136

6.1.2 凍土 137 6.1.3 樹木年輪 137 6.1.4 湖泊沉積 138 6.2 冰芯記錄 138 6.2.1 冰芯定年方法 138 6.2.2 格陵蘭冰蓋和南極冰蓋冰芯記錄 139 6.2.3 山地冰芯記錄 144 6.3 凍土記錄 147 6.3.1 冰楔記錄 147 6.3.2 凍脹丘記錄 150 6.4 樹木年輪記錄 150 6.4.1 寒區樹木年輪記錄的重大氣候事件 151 6.4.2 寒區樹木年輪記錄的冰川末端進退 151 6.4.3 寒區樹木年輪記錄的凍土環境變化 152 6.4.4 樹輪記錄的積雪變化 153 6.5 寒區湖泊記錄 154 6.6 冰凍圈其他介質記錄 154 思考題 156 延伸閱讀 156 【代表人物】 156 【經典著作】 157 第7章 不同尺度的冰凍圈演化 159 7.1 構造尺度冰凍圈演化 159 7.1.1 前寒武紀大冰期 159 7.1.2 石炭-二疊紀大冰期 161 7.1.3 第四紀大冰期 162 7.1.4 三大冰期形成原因 163 7.2 軌道尺度冰凍圈演變——更新世氣候演變與米蘭科維奇理論 165 7.2.1 冰期天文理論的創立過程 165 7.2.2 冰期天文理論的基本原理 166 7.2.3 冰期天文理論的修正 169 7.2.4 冰期天文理論面臨的挑戰 170 7.3 晚更新世亞軌道尺度的冰凍圈演變 170 7.3.1 氣候變化若干重要事件及其基本概念 171 7.3.2 末次冰期以來冰凍圈各要素演變 173 7.4 百年來冰凍圈變化 178 7.4.1 南極冰蓋百年際變化 179 7.4.2 山地冰川變化 180 7.4.3 全球凍土變化 183 7.4.4 北半球積雪變化 187 7.4.5 兩極海冰變化 189 思考題 190 延伸閱讀 190 【代表人物】 190 【經典著作】 191 第8章 冰凍圈與其他圈層的相互作用 192 8.1 冰凍圈與大氣圈 192 8.1.1 冰雪-反照率反饋機制 192 8.1.2 冰-氣潛熱和感熱交換 193 8.1.3 冰-氣動量交換 194 8.1.4 冰凍圈與東亞季風 194 8.2 冰凍圈與生物圈 195 8.2.1 冰凍圈與生態 195 8.2.2 冰凍圈與寒區碳氮循環 203 8.2.3 極地海洋生物 205 8.3 冰凍圈與水圈 208 8.3.1 冰凍圈水文特點與作用 208 8.3.2 冰凍圈與大尺度水循環 211 8.3.3 冰凍圈與海平面 213 8.3.4 冰凍圈與陸地水文 215 8.4 冰凍圈與岩石圈 231 8.4.1 冰川侵蝕、搬運與堆積作用 232 8.4.2 多年凍土與岩石圈表層 236 思考題 240 延伸閱讀 240 【經典著作】 240 第9章 冰凍圈與可持續發展 242 9.1 冰凍圈變化影響與適應的基本概念 242 9.1.1 影響、適應與可持續發展 242 9.1.2 冰凍圈變化影響的脆弱性 243 9.1.3 冰凍圈變化的適應框架 245 9.2 冰凍圈變化對水文-生態的影響與適應 246 9.3 冰凍圈災害的影響 247 9.3.1 災害風險與管理 247 9.3.2 冰凍圈災害風險評估 248 9.4 冰凍圈區重大工程建設 258 9.4.1 寒區鐵路、公路與凍土融沉 258 9.4.2 凍土區輸油管道 263 9.4.3 海冰區港口 264 9.5 冰凍圈旅遊 265 9.5.1 冰凍圈旅遊內涵 265 9.5.2 冰凍圈旅遊資源特點 265 9.5.3 國際冰凍圈旅遊發展概況 266 9.6 冰凍圈服務功能及其價值 266 9.6.1 冰凍圈服務功能 266 9.6.2 冰凍圈服務價值 268 思考題 269 延伸閱讀 270 【經典著作】 270 第10章 冰凍圈模式和冰凍圈變化的預估 271 10.1 氣候模式與冰凍圈模式 271 10.1.1 氣候模式的發展 271 10.1.2 冰凍圈模式 274 10.2 冰凍圈過程的模擬 287 10.2.1 冰川物質平衡模擬 287 10.2.2 冰蓋物質平衡模擬 287 10.2.3 凍土分布與氣候回響模擬 288 10.2.4 積雪模擬 289 10.2.5 海冰模擬 290 10.2.6 河/湖冰模擬 291 10.3 冰凍圈變化的預估 292 10.3.1 全球社會經濟情景和溫室氣體排放情景 292 10.3.2 冰川變化的預估 295 10.3.3 冰蓋變化的預估 296 10.3.4 凍土變化的預估 298 10.3.5 積雪變化的預估 300 10.3.6 海冰變化的預估 301 10.3.7 冰凍圈變化預估的不確定性 301 思考題 302 延伸閱讀 303 第11章 冰凍圈科學觀測和實驗技術 304 11.1 觀測和實驗技術在冰凍圈科學發展中的作用 304 11.2 野外觀測和勘測方法與技術 305 11.2.1 通用方法和技術 305 11.2.2 冰凍圈要素監測 313 11.3 實驗室分析技術 324 11.3.1 力學 324 11.3.2 熱學 325 11.3.3 光學 325 11.3.4 微觀物理結構 327 11.3.5 化學成分 327 11.3.6 測年方法與技術 330 11.4 遙感技術 332 11.4.1 光學遙感 334 11.4.2 微波遙感 337 11.4.3 高度計 339 11.4.4 無線電回波探測 340 11.4.5 重力衛星 340 思考題 341 延伸閱讀 341 參考文獻 342 索引 346

教學資源

課程資源

《冰凍圈科學概論（修訂版）》為資源共享課“冰凍圈科學概論”的配套教材。

課程名稱	建設院校	主講教師
冰凍圈科學概論	中國科學院大學資源與環境學院	秦大河 等

教材特色

通過閱讀該教材，可以使讀者從圈層的角度重新認識冰凍圈及其組成要素的意義，了解冰凍圈變化的複雜性和重要影響，獲得新的知識，從閱讀中也可以提出需要研究的新問題。而該教材中提到的一些冰凍圈科學問題也有更全面的結論，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研究熱點，一定會有更加成熟的結論。從這一點講，該教材作為“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。

社會評價

該教材對講授內容、講解順序和理論深度都作了較好的安排，使得冰凍圈科學中的各主要要素都在書中得到體現，在章節安排上循序漸進、由淺入深，既有基礎知識、又有機理探究；既有野外工作介紹、又有觀測實驗分析，在獲取理論知識的同時又不會覺得枯燥，可讀性強。該教材的另一個特點是取材新穎。書中不少資料是2008~2018年研究的成果與技術，不僅圖文並茂地闡述冰凍圈觀測事實，還作了物理解釋，也擴展了該教材的客群。該書的出版必將增強冰凍圈科學研究的中堅力量和後繼人才隊伍建設，推動冰凍圈科學取得實質性進展，並使冰凍圈科學邁上新台階。（中國科學院院士、中國地理學會理事長傅伯傑評）

所獲榮譽

2021年9月26日，《冰凍圈科學概論（修訂版）》被國家教材委員會授予為第一屆全國教材建設獎全國優秀教材 （高等教育類）特等獎。

教師簡介

秦大河，男，1947年1月出生於甘肅省蘭州市，中國科學院院士，地理學家，長期從事冰凍圈與全球變化研究。

姚檀棟，男，1954年7月出生於甘肅省通渭縣，中國科學院院士，冰川環境與全球變化學家，長期從事青藏高原冰川和環境變化領域研究。

丁永建，男，1958年6月出生，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所副所長、研究員、博士生導師，研究方向為自然地理學、人文地理學等。

任賈文，男，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈與全球變化研究室主任、研究員、博士生導師，研究方向為自然地理學（冰凍圈與環境）。