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第1章 冰冻圈与冰冻圈科学1

1.1 冰冻圈1

1.1.1 地球上的冰冻圈1

1.1.2 冰冻圈的分类和数量特征2

1.1.3 冰冻圈变化4

1.2 冰冻圈科学6

1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴6

1.2.2 学科体系和研究方法7

1.2.3 冰冻圈科学的发展8

1.2.4 国际重大科学计划中的冰冻圈科学9

1.2.5 关注IPCC AR6对冰冻圈科学的要求10

1.3 冰冻圈与气候系统10

1.3.1 冰冻圈的发育机理、过程和变化10

1.3.2 冰冻圈发育的时空尺度12

1.3.3 冰冻圈与其他圈层的相互作用13

1.3.4 冰冻圈在气候系统中的作用14

1.4 冰冻圈科学在经济社会发展中的作用16

1.4.1 水循环和水资源17

1.4.2 冰冻圈灾害17

1.4.3 矿产资源和工程建设18

1.4.4 冰冻圈地区探险与旅游18

1.4.5 冰冻圈对人类社会的惠益19

1.4.6 冰冻圈地缘政治19

1.5 行星冰冻圈20

1.5.1 火星冰冻圈的特征20

1.5.2 火星水冰的证据21

思考题22

延伸阅读23

【代表人物】23

【经典著作】24

第2章 冰冻圈的分类和地理分布25

2.1 冰冻圈的全球分布、组成与分类25

2.1.1 冰冻圈分布的地带性25

2.1.2 冰冻圈的组成和分布特征26

2.1.3 陆地冰冻圈、海洋冰冻圈和大气冰冻圈27

2.2 陆地冰冻圈的分类与分布28

2.2.1 冰川与冰盖的分类与分布28

2.2.2 冻土的分类与分布35

2.2.3 积雪的分类与分布41

2.2.4 河冰和湖冰的分类与分布45

2.3 海洋冰冻圈的分类与分布48

2.3.1 冰架与冰山的分类与分布48

2.3.2 海冰的分类与分布50

2.3.3 海底多年冻土的分类与分布54

2.4 大气冰冻圈的分类与分布56

2.4.1 大气冰冻圈的分类56

2.4.2 大气冰冻圈的分布56

思考题59

延伸阅读59

【经典著作】59

第3章 冰冻圈的形成和发育61

3.1 冰冻圈形成与发育的条件61

3.1.1 冰川的形成与发育条件61

3.1.2 多年冻土的形成与发育条件62

3.1.3 积雪的形成与发育条件63

3.1.4 河冰和湖冰的形成与发育条件63

3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成与发育条件64

3.2 冰冻圈形成与发育的物理基础64

3.2.1 冰冻圈表面的能量平衡物理基础64

3.2.2 冰冻圈表面的水分平衡物理基础65

3.2.3 冰冻圈介质中的热量传输物理基础65

3.2.4 冰冻圈物质平衡的物理基础66

3.2.5 土壤中水分迁移／运动的物理机制69

3.3 陆地冰冻圈的形成与发育70

3.3.1 冰川（盖）的形成与发育70

3.3.2 冻土的形成与发育72

3.3.3 积雪的形成与发育74

3.3.4 河冰和湖冰的形成与发育75

3.4 海洋冰冻圈的形成与发育76

3.4.1 海冰的形成与发育76

3.4.2 冰架和冰山的形成与发育80

3.4.3 海底多年冻土的形成与发育81

3.5 大气冰冻圈的形成与发育81

3.5.1 雪花的形成与发育81

3.5.2 霰、冰粒和冰雹的形成与发育82

思考题82

延伸阅读83

【经典著作】83

第4章 冰冻圈的物理特征84

4.1 冰的主要物理性质84

4.1.1 冰的晶体结构84

4.1.2 冰的力学性质86

4.1.3 冰的热学性质89

4.1.4 冰的电学和光学性质91

4.2 冰冻圈主要要素力学和动力学特征91

4.2.1 冰川运动和动力学特征91

4.2.2 冻土力学特征94

4.2.3 积雪的动力学特征98

4.2.4 河冰和湖冰动力学特征99

4.2.5 海冰动力学特征99

4.3 冰冻圈主要要素热学特征100

4.3.1 冰川和积雪热学特征100

4.3.2 冻土中的水热迁移102

4.3.3 海冰、河冰和湖冰的热力学特征104

4.4 冰冻圈主要要素的其他物理特征106

4.4.1 反照率特征106

4.4.2 电磁学特征107

思考题109

延伸阅读109

【代表人物】109

【经典著作】109

第5章 冰冻圈的化学特征111

5.1 冰冻圈化学成分的来源111

5.1.1 大气化学成分进入冰冻圈的主要过程113

5.1.2 冰冻圈化学对气候环境的影响113

5.2 冰川化学114

5.2.1 无机成分114

5.2.2 有机成分119

5.2.3 不溶性微粒120

5.2.4 稳定同位素比率121

5.3 冻土化学122

5.3.1 已冻结土及正冻土的化学过程122

5.3.2 天然气水合物124

5.4 河冰和湖冰化学特征126

5.4.1 氢氧稳定同位素比率在冰－水两相间的变化与影响因素126

5.4.2 痕量气体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机物的排斥效应与光学特性127

5.5 海冰化学127

5.5.1 海冰盐度及其演化128

5.5.2 海冰相图131

5.5.3 海冰中的气体133

5.5.4 生物过程对海冰化学的影响134

思考题135

延伸阅读135

【经典著作】135

第6章 冰冻圈内的气候环境记录136

6.1 冰冻圈中的气候环境指标136

6.1.1 冰芯136

6.1.2 冻土137

6.1.3 树木年轮137

6.1.4 湖泊沉积138

6.2 冰芯记录138

6.2.1 冰芯定年方法138

6.2.2 格陵兰冰盖和南极冰盖冰芯记录139

6.2.3 山地冰芯记录144

6.3 冻土记录147

6.3.1 冰楔记录147

6.3.2 冻胀丘记录150

6.4 树木年轮记录150

6.4.1 寒区树木年轮记录的重大气候事件151

6.4.2 寒区树木年轮记录的冰川末端进退151

6.4.3 寒区树木年轮记录的冻土环境变化152

6.4.4 树轮记录的积雪变化153

6.5 寒区湖泊记录154

6.6 冰冻圈其他介质记录154

思考题156

延伸阅读156

【代表人物】156

【经典著作】157

第7章 不同尺度的冰冻圈演化159

7.1 构造尺度冰冻圈演化159

7.1.1 前寒武纪大冰期159

7.1.2 石炭－二叠纪大冰期161

7.1.3 第四纪大冰期162

7.1.4 三大冰期形成原因163

7.2 轨道尺度冰冻圈演变——更新世气候演变与米兰科维奇理论165

7.2.1 冰期天文理论的创立过程165

7.2.2 冰期天文理论的基本原理166

7.2.3 冰期天文理论的修正169

7.2.4 冰期天文理论面临的挑战170

7.3 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变170

7.3.1 气候变化若干重要事件及其基本概念171

7.3.2 末次冰期以来冰冻圈各要素演变173

7.4 百年来冰冻圈变化178

7.4.1 南极冰盖百年际变化179

7.4.2 山地冰川变化180

7.4.3 全球冻土变化183

7.4.4 北半球积雪变化187

7.4.5 两极海冰变化189

思考题190

延伸阅读190

【代表人物】190

【经典著作】191

第8章 冰冻圈与其他圈层的相互作用192

8.1 冰冻圈与大气圈192

8.1.1 冰雪－反照率反馈机制192

8.1.2 冰－气潜热和感热交换193

8.1.3 冰－气动量交换194

8.1.4 冰冻圈与东亚季风194

8.2 冰冻圈与生物圈195

8.2.1 冰冻圈与生态195

8.2.2 冰冻圈与寒区碳氮循环203

8.2.3 极地海洋生物205

8.3 冰冻圈与水圈208

8.3.1 冰冻圈水文特点与作用208

8.3.2 冰冻圈与大尺度水循环211

8.3.3 冰冻圈与海平面213

8.3.4 冰冻圈与陆地水文215

8.4 冰冻圈与岩石圈231

8.4.1 冰川侵蚀、搬运与堆积作用232

8.4.2 多年冻土与岩石圈表层236

思考题240

延伸阅读240

【经典著作】240

第9章 冰冻圈与可持续发展242

9.1 冰冻圈变化影响与适应的基本概念242

9.1.1 影响、适应与可持续发展242

9.1.2 冰冻圈变化影响的脆弱性243

9.1.3 冰冻圈变化的适应框架245

9.2 冰冻圈变化对水文－生态的影响与适应246

9.3 冰冻圈灾害的影响247

9.3.1 灾害风险与管理247

9.3.2 冰冻圈灾害风险评估248

9.4 冰冻圈区重大工程建设258

9.4.1 寒区铁路、公路与冻土融沉258

9.4.2 冻土区输油管道263

9.4.3 海冰区港口264

9.5 冰冻圈旅游265

9.5.1 冰冻圈旅游内涵265

9.5.2 冰冻圈旅游资源特点265

9.5.3 国际冰冻圈旅游发展概况266

9.6 冰冻圈服务功能及其价值266

9.6.1 冰冻圈服务功能266

9.6.2 冰冻圈服务价值268

思考题269

延伸阅读270

【经典著作】270

第10章 冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估271

10.1 气候模式与冰冻圈模式271

10.1.1 气候模式的发展271

10.1.2 冰冻圈模式274

10.2 冰冻圈过程的模拟287

10.2.1 冰川物质平衡模拟287

10.2.2 冰盖物质平衡模拟287

10.2.3 冻土分布与气候响应模拟288

10.2.4 积雪模拟289

10.2.5 海冰模拟290

10.2.6 河／湖冰模拟291

10.3 冰冻圈变化的预估292

10.3.1 全球社会经济情景和温室气体排放情景292

10.3.2 冰川变化的预估295

10.3.3 冰盖变化的预估296

10.3.4 冻土变化的预估298

10.3.5 积雪变化的预估300

10.3.6 海冰变化的预估301

10.3.7 冰冻圈变化预估的不确定性301

思考题302

延伸阅读303

第11章 冰冻圈科学观测和实验技术304

11.1 观测和实验技术在冰冻圈科学发展中的作用304

11.2 野外观测和勘测方法与技术305

11.2.1 通用方法和技术305

11.2.2 冰冻圈要素监测313

11.3 实验室分析技术324

11.3.1 力学324

11.3.2 热学325

11.3.3 光学325

11.3.4 微观物理结构327

11.3.5 化学成分327

11.3.6 测年方法与技术330

11.4 遥感技术332

11.4.1 光学遥感334

11.4.2 微波遥感337

11.4.3 高度计339

11.4.4 无线电回波探测340

11.4.5 重力卫星340

思考题341

延伸阅读341

参考文献342

索引346