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