冰凍圈氣候學未來發展趨勢
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冰凍圈-大氣圈相互作用的過程與機理
冰凍圈-大氣圈相互作用主要通過冰凍圈-反照率反饋機制、能量平衡和水的相變過程來體現。
冰凍圈-反照率反饋機制是高緯度地區最重要的正反饋過程（圖?1）。在這個反饋過程中，近地表氣溫的升高將導致高反照率的雪或海冰的面積減少，暴露出較低反照率的地面或未凍結的海洋。因此，更多的太陽輻射可以被地面和海洋所吸收，從而導致雪或海冰的進一步融化。冰凍圈-反照率反饋機制也可以反向發生作用，即放大區域的冷卻。
圖 1 冰凍圈 - 反照率反饋機制示意圖
在能量平衡方面，極區是大氣熱機中的兩個匯區，全年都有熱量通量通過海洋和大氣向極區輸送。在冬季，向極地的大氣熱量輸送為最大，此時高緯度地區的凈輻射虧損很大，并且在極地和熱帶之間的溫差最大。在夏季，赤道到極點的溫差大幅減小，因此向極地的熱量通量較小。南半球的平均洋流和大氣環流與北半球相比較，其緯向分布特征更明顯。在南半球，從赤道到極點的溫差比北半球對應的溫差要大?40%，因此形成更強的中緯度西風帶。
冰凍圈水相變化也對大氣圈產生顯著影響。冰川融化熱和水的汽化熱分別是同體積液態水升高?1℃?所需熱量的?80?倍和?539?倍，因而冰凍圈在地表熱量平衡中有舉足輕重的作用。冰雪表面常出現逆溫現象，冰雪表面水汽壓的鉛直梯度亦往往比低空空氣層還低。于是，空氣反而要向冰雪表面輸送熱量和水分（水汽在冰雪表面凝華）。在春季無風的天氣下，冰雪融化地區的氣溫往往比附近無冰雪覆蓋區低數十攝氏度。
氣候系統和冰凍圈模式的發展
氣候系統模式是基于對動力學、物理學、化學和生物學過程的科學認識建立起來的定量描述氣候系統各組成部分狀態的數學物理模型，利用數值方法進行求解，并通過高性能計算實現對氣候系統非線性復雜行為和過程的模擬與預測。氣候系統模式的計算機程序及其高性能計算，是一個復雜的系統工程。
氣候系統模式是認識過去的氣候變化及其成因、氣候系統各圈層內部及相互作用的過程與機理，以及預估未來氣候變化的最重要的研究手段和分析工具。在目前的氣候系統模式中，冰凍圈模式已成為重要組成部分，對研究冰凍圈過程及冰凍圈與大氣圈相互作用發揮了重要作用。
冰凍圈模式是對冰凍圈各分量模式的統稱。各冰凍圈分量均有對應的模式發展，如冰川（冰蓋）模型、凍土模型、積雪模型、海冰模式等?？紤]到純冰物質和含雜質的非純冰物質的物理屬性，在外界物理條件發生變化時，可用數學物理方程描述冰凍圈的宏觀變化，并對不同情景下未來冰凍圈變化進行預估。在目前的氣候系統模式中，海冰模式已經作為一個獨立的要素模式實現了與大氣模式、海洋模式、陸面模式的雙向耦合。積雪模型、凍土模型和河湖冰模型一般作為陸面模式中的重要組成部分。冰川動力學模型和冰蓋動力學模型仍在發展之中，尚未實現與氣候系統模式的在線耦合。冰凍圈的生物地球化學循環過程模型也正在被開發和探索中。
氣候變化與冰凍圈變化的預估
氣候變化預估是指氣候系統對溫室氣體和氣溶膠未來排放或濃度情景的模擬響應。冰凍圈各要素變化的預估有?2?種方法：①用耦合冰凍圈模式的全球氣候系統模式直接對冰凍圈要素變化進行預估；②先用全球氣候系統模式預估氣候變化，再利用氣候變化情景驅動冰凍圈模式進行冰凍圈要素變化的預估，即“兩步法”。
直接預估方法主要依托“耦合模式比較計劃”（CMIP）開展多模式的集成預估。CMIP是一整套耦合氣候系統模式的比較計劃，旨在通過比較模式的模擬能力來評價模式的性能，同時也為預估未來可能變化提供科學依據。目前，第六階段的“耦合模式比較計劃”（CMIP6）正在進行之中，并將為聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告（AR6）提供未來氣候變化和冰凍圈變化的預估情景。
未來溫室氣體排放情景和全球社會經濟情景的構建，主要考慮人口和社會經濟發展，特別是能源生產和使用的變化、技術進步、土地利用與覆蓋、環境和自然資源的變化、政策和機構管理以及生活方式的變化等。正在進行中的IPCC AR6主要使用典型濃度路徑（RCP）和共享社會經濟情景（SSPs）2?種情景的組合。
冰凍圈氣候學對經濟社會的服務功能
人類社會在對冰凍圈服務功能進行科學管理時離不開冰凍圈氣候學提供的科學基礎和技術支持。冰凍圈在其作用區域和影響區可以為人類社會提供各種產品或惠益。人類在極區、高山及其毗鄰區域的生存與發展高度依賴于冰凍圈提供的氣候調節、徑流調節及水源涵養與生態調節。冰凍圈作為特殊下墊面，以其高反照率和水分循環功能，使地球成為對人類而言氣候宜居、生態系統結構穩定的星球。
冰凍圈在中低緯度山區是河流的重要補給源，對河川徑流具有天然調節作用，被稱之為“固體水庫”。冰凍圈水源涵養功能顯著，尤其是由于凍土的不透水性及溫度梯度下的水分遷移，一般在多年凍土上限附近存在大量的地下冰。凍土在保持寒區生態系統穩定性方面作用也巨大。若無凍土的水源涵養作用和水熱效應，青藏高原高原面將只能發育荒漠生態系統，而非實際存在的大面積的高寒草甸和高寒濕地生態系統。在泛北極地區，因為多年凍土的巨大水熱效應，在這里發育有典型的多邊形苔原生態系統和泰加林生態系統。
冰凍圈氣候學還能為氣象災害的預報、預測、預警提供科學支撐。與低溫相關的氣象災害，是冰凍圈氣候學研究的重點領域之一。例如，雨雪冰凍災害是在低溫雨雪天氣下發生的一種凍災，常伴以低溫、高濕、風速小等特征。由雨凇和融雪冰掛組成的復合積冰在各種載體表面形成，極大地加重了各種載體的負荷，嚴重影響甚至破壞交通、通信、輸電線路等生命線工程。冬季降雪豐沛的我國新疆北部山區，冰凍圈變暖導致近?30?年山區春汛日期提前?1?個月，融雪性洪水災害頻發。每年全球因雪崩死亡的人數達幾十人甚至上百人。春季河流凌汛對生命和財產造成威脅。
冰凍圈氣候學的發展趨勢
隨著觀測手段的進步、觀測資料的日益增多和計算條件的迅速改善，對地觀測和遙感技術、大數據與人工智能及數值模式得到迅速發展，預期冰凍圈氣候學的未來趨勢將更加體現出高度交叉、高分辨率、精細化，特別是發展耦合冰凍圈過程的全球與區域氣候系統模式是冰凍圈氣候學與全球氣候變化研究的大勢所趨。
目前，全球和區域氣候系統模式在處理冰凍圈物理過程方面還較為粗糙，尤其是在氣候系統模式中如何考慮冰凍圈不同分量和要素作用的時空尺度，可能是在今后相當長的一段時期內最為重要的發展方向之一。發展具有冰凍圈陸面過程模型的區域氣候模擬系統和水文模型，是深入理解冰凍圈水-熱過程以及環境效應的關鍵。
突破處理冰凍圈物理過程參數化這種限制的關鍵是深化對冰凍圈變化過程與機理的定量研究水平。為改進冰凍圈過程與全球和區域氣候模式的耦合模擬能力，必須把大量觀測結果的分析研究和參數化改進結合起來的同時，重點要將冰凍圈各要素能量、水量和物質變化同步考慮，解決冰凍圈非線性物理過程的不同時空尺度對耦合氣候系統模式的制約，這樣才能取得實質性進展。
總之，冰凍圈氣候學一方面需要繼續推動對冰凍圈和大氣圈相互作用過程與機理認識的不斷深化，另一方面要加強陸地冰凍圈和海洋冰凍圈過程模式及其耦合試驗的研究，促進冰凍圈過程參數化方案向精細化、定量化、復雜性方向邁進。
（作者：羅勇，清華大學地球系統科學系副主任、教授；秦大河，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室；翟盤茂，中國氣象科學研究院；馬麗娟，中國氣象局國家氣候中心；周波濤，南京信息工程大學大氣科學學院；徐新武，中國氣象局?！吨袊茖W院院刊》供稿 ）