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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3

1.1.3 冰冻圈变化4

1.2 冰冻圈科学7

1.2.1 冰冻圈科学的定义、内容和范畴7

1.2.2 学科体系和研究方法9

1.2.3 国际重大科学计划中的冰冻圈科学11

1.2.4 冰冻圈科学在中国12

1.3 冰冻圈与气候系统13

1.3.1 冰冻圈的发育机理、过程和变化13

1.3.2 冰冻圈发育的时空尺度14

1.3.3 冰冻圈与其他圈层的相互作用16

1.3.4 冰冻圈在气候系统中的作用18

1.4 冰冻圈科学在经济社会发展中的作用20

1.4.1 水循环和水资源21

1.4.2 矿产资源和工程建设22

1.4.3 冰冻圈地区探险与旅游23

1.4.4 冰冻圈灾害25

1.4.5 冰冻圈地缘政策26

1.5 行星冰冻圈27

1.5.1 火星冰冻圈的特征28

1.5.2 火星水冰的证据30

思考题32

延伸阅读32

第2章 冰冻圈的分类和地理分布35

2.1 冰冻圈的全球分布、组成与分类35

2.1.1 冰冻圈分布的地带性35

2.1.2 冰冻圈的组成和分布特征36

2.1.3 海洋冰冻圈、陆地冰冻圈和大气冰冻圈37

2.2 陆地冰冻圈的分类与分布39

2.2.1 冰川与冰盖的分类与分布39

2.2.2 冻土的分类与分布49

2.2.3 积雪的分类与分布55

2.2.4 河／湖冰的分类与分布62

2.3 海洋冰冻圈的分类与分布67

2.3.1 冰架与冰山的分类与分布67

2.3.2 海冰的分类与分布73

2.3.3 海底多年冻土的分类与分布78

2.4 大气冰冻圈的分类与分布80

2.4.1 大气冰冻圈的分类80

2.4.2 大气冰冻圈的分布80

思考题83

延伸阅读84

第3章 冰冻圈的形成和发育87

3.1 冰冻圈形成与发育的条件87

3.1.1 积雪的形成与发育条件87

3.1.2 冰川的形成与发育条件88

3.1.3 多年冻土的形成与发育条件90

3.1.4 河／湖冰的形成与发育条件91

3.1.5 海冰、冰架、冰山的形成与发育条件91

3.2 冰冻圈形成与发育的物理基础92

3.2.1 冰冻圈表面的能量平衡物理基础92

3.2.2 冰冻圈表面的水量平衡物理基础92

3.2.3 冰冻圈介质中的热量传输物理基础93

3.2.4 冰冻圈物质平衡的物理基础93

3.2.5 土壤中水分迁移／运动的物理机制96

3.3 积雪与固态降水的形成与发育98

3.3.1 冰晶和雪花的形成与发育98

3.3.2 霰、冰粒和冰雹的形成与发育100

3.4 冰川（盖）的形成与发育101

3.4.1 成冰作用101

3.4.2 冰盖的形成103

3.5 冻土的形成与发育104

3.5.1 季节冻土的冻结与融化104

3.5.2 多年冻土的形成105

3.5.3 地下冰和冻土组构105

3.6 海冰的形成与发育107

3.6.1 海冰的形成过程107

3.6.2 海冰的结构与变化108

3.6.3 海冰的融化过程111

3.7 河／湖冰的形成112

3.7.1 河冰112

3.7.2 湖冰114

思考题115

延伸阅读115

第4章 冰冻圈的物理特征117

4.1 冰的主要物理性质概述117

4.1.1 冰的晶体结构117

4.1.2 冰的力学性质120

4.1.3 冰的热学性质123

4.1.4 冰的电学和光学性质126

4.2 冰冻圈主要要素动力学特征127

4.2.1 冰川运动和动力学特征127

4.2.2 冻土力学特征132

4.2.3 积雪的动力学特征140

4.2.4 海／河／湖冰动力学特征141

4.3 冰冻圈主要要素热学特征142

4.3.1 冰川和积雪热学特征142

4.3.2 冻土中的水热迁移147

4.3.3 海／河／湖冰的热力学特征152

4.4 冰冻圈主要要素的其他物理特征155

4.4.1 反照率特征155

4.4.2 电磁学特征157

思考题159

延伸阅读159

第5章 冰冻圈的化学特征161

5.1 冰冻圈化学成分的来源161

5.1.1 大气化学成分进入冰冻圈的主要过程163

5.1.2 冰冻圈化学对气候环境的影响163

5.2 冰川化学164

5.2.1 无机成分164

5.2.2 有机成分171

5.2.3 微生物172

5.2.4 不溶性微粒173

5.2.5 稳定同位素比率175

5.3 冻土化学176

5.3.1 已冻结土及正冻土的化学过程176

5.3.2 天然气水合物179

5.4 河／湖冰化学特征182

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182

5.4.2 电导率与离子变化184

5.4.3 痕量气体在河／湖冰中的分布185

5.4.4 河／湖冰中有色可溶性有机物的排斥效应与光学特性185

5.5 海冰化学186

5.5.1 现代海水的化学组成187

5.5.2 海冰盐度及其演化189

5.5.3 海冰相图193

5.5.4 海冰中的气体195

5.5.5 生物过程对海冰化学的影响195

思考题197

延伸阅读197

第6章 冰冻圈内的气候环境记录198

6.1 冰冻圈介质中的气候环境指标198

6.1.1 冰川198

6.1.2 冻土200

6.1.3 树木年轮200

6.1.4 湖泊沉积201

6.2 冰芯记录202

6.2.1 冰芯断代方法203

6.2.2 极地冰盖记录204

6.2.3 山地冰川记录210

6.3 冻土记录213

6.3.1 冰楔记录214

6.3.2 冻胀丘泥炭层记录216

6.4 树木年轮记录218

6.4.1 寒区树木年轮记录的重大气候事件218

6.4.2 寒区树木年轮记录的冰川末端进退219

6.4.3 寒区树木年轮记录的冻土环境变化221

6.4.4 树轮记录的积雪变化221

6.5 寒区湖泊记录223

6.6 寒区其他介质记录223

思考题227

延伸阅读227

第7章 不同尺度的冰冻圈演化229

7.1 构造尺度冰冻圈演化229

7.1.1 前寒武纪大冰期229

7.1.2 石炭-二叠纪大冰期231

7.1.3 第四纪大冰期232

7.1.4 三大冰期形成原因234

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235

7.2.1 冰期天文理论的创立过程235

7.2.2 冰期天文理论的基本原理236

7.2.3 冰期天文理论的修正239

7.2.4 冰期天文理论面临的挑战240

7.3 晚更新世亚轨道尺度的冰冻圈演变240

7.3.1 气候变化若干重要事件及其基本概念241

7.3.2 末次冰期以来冰冻圈各要素演变243

7.4 百年来冰冻圈变化251

7.4.1 南极冰盖百年际变化251

7.4.2 山地冰川变化256

7.4.3 全球冻土变化260

7.4.4 北半球积雪变化265

7.5 年际至季节尺度变化267

7.5.1 冰川变化267

7.5.2 冻土变化271

7.5.3 北半球积雪变化273

7.5.4 两极海冰年际-年代际尺度变化273

思考题277

延伸阅读277

第8章 冰冻圈与其他圈层的相互作用279

8.1 冰冻圈与大气圈279

8.1.1 冰雪-反照率反馈机制280

8.1.2 冰-气潜热和感热交换281

8.1.3 冰-气动量交换282

8.1.4 冰冻圈与气候相互作用——案例研究284

8.2 冰冻圈与生物圈287

8.2.1 冰冻圈与寒区生态287

8.2.2 冰冻圈与寒区碳氮循环298

8.2.3 极地海洋生物302

8.3 冰冻圈与水圈305

8.3.1 概述305

8.3.2 冰冻圈与大尺度水循环310

8.3.3 冰冻圈与海平面316

8.3.4 冰冻圈与陆地水文319

8.4 冰冻圈与岩石圈341

8.4.1 构造运动与冰期地表过程响应341

8.4.2 冰川侵蚀、搬运与堆积作用344

8.4.3 多年冻土与岩石圈表层349

思考题353

延伸阅读354

第9章 冰冻圈变化与可持续发展358

9.1 冰冻圈变化影响的评估方法与适应框架358

9.1.1 脆弱性及其评估方法358

9.1.2 冰冻圈变化的适应框架362

9.2 冰冻圈变化影响的适应案例363

9.2.1 冰冻圈变化对水文-生态影响的适应案例363

9.2.2 工程适应案例：青藏铁路适应多年冻土变化366

9.2.3 规划适应案例：印北城镇水资源供给适应冰川变化367

9.2.4 政策适应案例：瑞士旅游业适应阿尔卑斯山冰雪变化367

9.3 冰冻圈灾害与风险评估368

9.3.1 灾害风险与风险管理368

9.3.2 冰冻圈灾害风险评估369

9.4 冰冻圈区重大工程建设385

9.4.1 寒区铁路、公路与冻土融沉385

9.4.2 南水北调西线工程390

9.4.3 冻土区输油管道392

9.4.4 海冰区港口395

9.5 冰冻圈旅游396

9.5.1 冰冻圈旅游内涵396

9.5.2 冰冻圈旅游资源特点397

9.5.3 国际冰冻圈旅游发展概况397

9.5.4 冰冻圈旅游资源开发案例398

9.6 冰冻圈服务功能及其价值399

思考题402

延伸阅读402

第10章 冰冻圈模式和冰冻圈变化的预估405

10.1 冰冻圈模式及其在地球系统模式中的地位405

10.1.1 气候模式的发展405

10.1.2 地球系统中的冰冻圈模式408

10.2 冰冻圈过程的模拟420

10.2.1 冰川物质平衡模拟420

10.2.2 冰盖物质平衡模拟421

10.2.3 冻土分布与气候响应模拟421

10.2.4 积雪模拟423

10.2.5 海冰模拟424

10.2.6 河／湖冰模拟424

10.3 冰冻圈变化的预估426

10.3.1 IPCC和排放情景426

10.3.2 冰冻圈变化的预估429

10.3.3 冰冻圈变化预估的不确定性438

思考题439

延伸阅读439

第11章 冰冻圈科学观测和实验技术443

11.1 观测和实验技术在冰冻圈科学发展中的作用443

11.2 野外观测和勘测方法与技术444

11.2.1 通用方法和技术444

11.2.2 冰冻圈要素监测454

11.3 实验室分析技术472

11.3.1 力学472

11.3.2 热学473

11.3.3 光学474

11.3.4 微观物理结构476

11.3.5 化学成分476

11.3.6 测年方法与技术479

11.4 遥感技术484

11.4.1 光学遥感486

11.4.2 微波遥感489

11.4.3 高度计494

11.4.4 无线电回波探测496

11.4.5 重力卫星496

思考题496

延伸阅读496

参考文献498