冰冻圈科学概论

  • 发布于 2015-11-07
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课程编号:812003Y    课 &nbsp时:40     学  分:2     课程属性:专业基础课     主讲教师:秦大河等
英文名称:Cryospheric Sciences

教学目的、要求
教学目的和要求:
本课程系为地理学、遥感科学、地图学、水文学、海洋学、气象学、气候学、第四纪地质、环境、生态学,以及涉及全球变化、环境变迁、可持续发展和相关社会科学等领域研究生而开设的专业课程,目的是使学生掌握冰冻圈内各要素形成演化的基本原理和研究方法,在建立冰冻圈与气候系统及其变化概念的基础上,从宏观和微观两个方面、自然和人文两个领域,换位思维,理解冰冻圈与气候变化、环境变迁和社会发展的关系,提高解决学科交叉问题的能力,达到开阔视野、拓展思路,为今后科研能力的发展奠定坚实基础的目的。

预修课程 (略)
教  材
主要参考资料:

1.Global Warming, 3rd Edition, John Houghton, Cambridge University Press, 2004
2 Eight glacial cycles from an Antarctic ice core. Nature, 429,623-628, 2004.
3.Toward Integrated Reconstruction of Past Climates. Trenberth Kevin E. and Otto-Bliesner Bette L., Scxience, Vol. 300, P. 589- 591, 2003.
4.IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), Climate Change2001, Tha Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2001a.
5.中国冰川与环境 ---现在、过去和将来。 施雅风主编,科学出版社,2000。
6.中国冻土。 周幼吾等,科学出版社,2000。
7.Climate and Global Environmental Change. Danny Harvey L. D., University of Toronto, Prentice Hall, 2000.
8.The Polar Regions, A Political Geography. Sanjay Chaturvedi, Scott Polar Research Institute, University of Cambridge, John Wiley &Sons, 1996

主要内容
第一章 冰冻圈形成演化及其对全球变化和社会经济的影响
第一节. 冰冻圈及其在全球变化和社会发展中的意义
介绍地球系统科学和冰冻圈的概念,冰川学研究历史沿革。
冰冻圈 ---雪冰冻土与气候环境的关系,在全球变化研究和实施可持续发展战略中的意义。
冰川的分布特征(全球和中国的分布);
冰川学在全球变化研究中的作用,包括气候的冰冻圈驱动因子(反照率、海洋冷水环流)、水资源、冰冻圈自然灾害、冰冻圈变化与全球海平面变化等。
冰冻圈与IPCC评估报告:介绍IPCC三次评估报告的主要结论和第4次评估报告进展;
第二节. 现代冰川的形成和分类
介绍雪向冰川冰的演化--冰川形成演化过程和(含密实化过程、成冰作用和冰川作用带谱等)和冰川物质平衡概论
介绍现代冰川的分类,包括地理分类、水热条件和物理性质分类以及形态分类。
第三节. 冰川地貌和第四纪冰川作用
简单介绍冰川的侵蚀、堆积原理和过程以及地貌特征,包括对第四纪古冰川的再认识、冰川侵蚀地貌的基本特征(微观:冰川擦痕、颤痕,等等;宏观:U形谷、羊背岩、冰碛垄等等)、冰川沉积地貌的基本特征、 冰川地貌的组合特征;第四纪冰川作用的年代学问题,主要对欧洲阿尔卑斯经典4次冰期划分。
重点介绍末次冰期冰盛期、全新世、气候最宜期、新冰期、小冰期和工业革命等阶段等不同时间尺度上的冰川、气候变化,着重介绍万年/十万年尺度气候旋回理论。
第四节. 气候变化的归因
主要从气候过程、气候系统和地球系统内、外因解释地球冰川作用及其变化。全球辐射平衡、太阳辐射量的变化(辛普森理论)、地球的轨道效应、轨道参数变化(米兰克维奇理论);大气的作用;海洋的作用;生物圈的作用;陆地-海洋-大气-生物系统相互作用过程,等等。特别介绍了一些不同尺度的气候变化的重要发现如EPOICA Dome C 记录780ka以来的气候变化曲线、Dansgaard-Oeschger(D-O)循环、Heinrichs浮冰事件以及Younger Dryas(新仙女木)事件,等等。
主要介绍极地(南极冰盖、格陵兰冰盖)和中低纬高山地区(青藏高原、南美洲、非洲)等地区业已取得的冰芯学研究成果和重要发现。重点为Vostok, EPICA Dome C, Dome F, GRIP, GISP2, North GRIP,ITASE各国冰芯以及中国青藏高原敦德、古里雅、达索普、绒布等冰芯研究结果。最后展望冰芯学研究的国际前沿与挑战。

第二章 IPCC与冰冻圈
第一节 政府间气候变化专门委员会(IPCC)的活动与冰冻圈研究的重要性
政府间气候变化专门委员会(IPCC)的形成和发展,第一、二、三次评估报告和正在进行中的第四次评估报告中,冰冻圈(雪冰和冻土)位置的变化。
第二节 气候变化(和全球变暖)的证据:近百年的实测资料和更长时间尺度的气候代用指标(较广泛的介绍,亦含冰雪)
温室气体及其效应
气候变化的影响和人类社会的响应
第三节 减缓和稳定气候变化的战略行动
气候变化公约(The climate convention)和温室气体的稳定排放;
蒙特利尔议定书(The Montreal Protocol)和京都议定书(The Kyoto Protocol)梗慨;
森林:造林、毁林和全球变暖;
稳定二氧化碳的浓度和减少甲烷的排放问题;
保持气候稳定的可供选择的方式;
气候公约的目标。

第三章 雪冰物理
第一节. 冰的物理性质和结构冰学原理
主要介绍:冰体结构、冰的基本物理特性参数,介绍冰的变形和流变规律,以及结构冰学的基本原理和冰冰体流动定律,
第二节。 冰川动力学
冰川动力过程,冰川运动和变化--基本方程、层流理论、冰川运动速度分布、冰川底部滑动、冰川底床变形、非稳定状态冰川的运动、冰川跃动;冰盖运动和变化--冰盖基本特征、冰盖运动、冰盖变化、快速冰流、冰架运动;
第三节. 冰川热力学
介绍冰的热学性质,冰川的热力过程和热力场,
冰川热学特征--热量迁移方程、冰川上的温度分布、近表面层温度分布、稳定状态温度剖面、非稳定状态温度剖面、冰川底部的热状况(冰川底部的相变问题、冰下湖泊)、山地冰川和极地冰盖的动力、热力过程及其与气候变迁、环境演化的关系。
第四节: 积雪、河冰、湖冰、海冰
全球积雪分布和变化、全球海冰分布和变化,全球湖冰(河冰)分布和变化;中国境内积雪、湖冰、河冰的变化;作为气候驱动因子的积雪、海冰研究;作为气候变化指示器的积雪、海冰、湖(河)冰研究方法、原理和结果介绍。

第四章 冰川变化与冰川编目
第一节. 第四纪冰川及其变化
简要介绍与冰川变化有关的基本概念:物质平衡、平衡线高度,冰川规模变化的描述等。
介绍全球第四纪冰川分布、面积、冰量和变化;重点介绍中国第四纪冰川变化研究成果:各次冰期冰川分布范围及存在的争议。
第二节. 小冰期以来的冰川变化
介绍小冰期(LIA)以来中国冰川变化:方法、遴选地区、结果、与气候变化的关系
介绍冰川变化的研究传统方法,冰川变化的遥感(RS)和地理信息系统(GIS)研究方法;小冰期以来冰川变化特征、21世纪中国冰川。
第三节. 冰川编目和现代冰川近期变化
介绍现代冰川的分布和冰川编目工作,以及中国冰川编目二期的规划。简介全球和中国冰川未来变化的趋势预估。

第五章 寒区水文与水资源
第一节:中国冰雪水资源概况
冰川积雪雪盖水资源概念、全球现代冰川分布和中国冰川分布与水资源
国际冰川编目和中国冰川编目的过去、现在和将来,采用新手段进行中国冰川编目二期规划展望。
介绍冰川水资源的现状、时空分布和变化规律,冰川水资源的生态意义,以及在中国可持续发展、西部大开发中的作用。
冰川变化趋势预估、中国冰川变化趋势与预测以及冰川变化的资源环境效应
第二节:冰川水文学和冰川水资源
包括寒区水文学和冰川水文学,冰川消融、冰川区径流和冰川融水径流,冰川融水径流量的估算和研究方法、冰川融水径流量估算结果、我国冰川融水径流资源分布、冰川水资源的利用研究以及冰川洪水等。
第三节:冰川旅游与冰雪探险
介绍冰川是宝贵的旅游资源,我国冰川旅游资源及其开发现状、登山探险和旅游观光等方面的潜在利用价值和旅游资源开发展望。

第六章 冻土与环境
第一节. 冻土的概念
多年冻土的分类:包括地域分类、分布特征分类、工程分类、土壤分类;
多年冻土发育条件:气候(气温、降水)、地质因素(地层岩性、地热)、地表覆盖(植被、积雪)、地面特征、地貌因素、水文因素
多年冻土的分类:地域分类、分布特征分类、工程分类和土壤分类等;
第二节. 冻土研究简史世界冻土研究简史
我国冻土研究简史:古代对冻土的描述、近代我国冻土研究
第三节 冻融过程和冰缘地貌冻结融化过程:冻融过程中的水分迁移、冻融过程中的水热耦合、冻融过程中的物质迁移
冰缘地貌:冰缘地貌类型、冰缘地貌的形成过程、冰缘地貌的古气候意义
第四节 我国多年冻土的分布和特征
东北高纬多年冻土;
西部高海拔多年冻土:西部高山多年冻土、青藏高原多年冻土
第五节 我国多年冻土的变化及预测
东北高纬多年冻土、西部高海拔多年冻土、西部高山多年冻土、青藏高原多年冻土
第六节. 冻土变化与气候环境变化、可持续发展的关系
作为气候变化指示器的冻土变化研究,包括活动层变化、植被变化等等;
冻土钻孔温度与历史气候变化:经典曲线;
青藏高原冻土监测与模拟:方法、仪器、现状与未来;冻土灾害:冻融、泥石流;
冻土与全球变化的关系,冻土演化和人类活动
第七节:多年冻土的监测和模拟
多年冻土研究中的关键科学问题
多年冻土的监测
多年冻土水热动态过程的模型研究
第八节:冻土地区重大工程活动和建设与冻土相互作用的科学评估
冻胀:冻胀发生的条件、冻胀的主要表现形式;
融沉:融沉发生的条件、融沉的主要表现形式;
冻融作用的其它破坏形式:冻裂、冻融分选、冰椎;
青藏高原公路铁路工程中的冻土问题;
多年冻土区建筑物的主要地基处理方式:主动融化冻土的方式、被动保护冻土的方式;
气候情景预测对寒区工程设计中的参考价值

第七章 雪冰气候环境记录
第一节。 雪冰内环境气候记录的物理基础
介绍水圈内同位素水分子的构成,稳定同位素水分子在大气圈内物理、化学过程和稳定同位素分子的分馏过程及其气候效应。
介绍各类气候代用指标被记录的过程。
冰川水分子内的稳定氧、氢同位素分子比率与气温、降水之间关系,以及分凝冰内同位素水分子的气候学意义。
主要介绍冰川冰(雪)的物质组成、雪冰中氧、氢稳定同位素组成及其气候学意义、雪冰中的杂质及其雪面沉积方式、杂质在大气-雪-冰界面的迁移过程以及影响冰芯记录“保真性”的因素
第二节. 雪冰化学来源及其检测方法
主要介绍冰川化学及其发展历史、趋势,冰川化学的主要研究内容,雪冰中不同化学成分的主要来源,以及雪冰中不同化学成分的检测原理与方法。
EOF等方法和技术的数学原理,以及在冰川气候环境记录代用指标的统计分析研究
介绍冰川化学的研究方法及其对全球变化研究和环境科学以及相关交叉研究的关系,并以极地冰盖、山地冰川和多年动土为例阐述国内外研究现状和未来走向。
第三节. 冰芯断代方法
介绍主要的冰芯断代方法如冰芯物理、化学季节变化;参考层法;放射性同位素法;理论模型法;轨道调谐;冰孔古温度剖面;相似性比较法;多参数交叉技术;潜在的新技术展望(如高精度钻孔激光扫描技术、高分辨率雷达等时冰层radar isochronous layer),等等。
第四节. 冰芯内主要气候、环境代用指标和特点
包括温度指标 (d值)、降水指标 (积累率,10Be)、指示古大气环流(风力)间接指标(陆地Ca, Al; 海洋Na)、自然界事件(火山、森林火灾)、人类工业活动、宇宙成因物质以及微生物(Vostok湖,马兰冰芯),等等。
主要介绍冰芯作为一支前沿手段其起源、基本原理、主要技术和发展态势;介绍冰芯记录长序列、高分辨率、高保真度、大信息量等特点。

第八章 冰冻圈与气候、生态系统的相互作用
第一节:冰冻圈对气候的影响与反馈作用
介绍海冰、积雪、冻土对全球和区域气候的影响及其机理;极地海洋/海冰/大气相互作用的观测与模拟;全球气候模式中冰冻圈因子的描述。
第二节:冰冻圈与生态系统的相互作用
冰冻圈变化对寒区生态的影响,青藏高原生态屏障建设与冰冻圈的关系;
冰冻圈变化与干旱区绿洲变迁,中国西北干旱区冰川-径流-绿洲系统对区域可持续发展的重要性;
第三节:冰期尺度的古气候与古生态模拟:
介绍古环境模拟方法的历史与国际前沿、冰期尺度古环境模拟的主要方法、古初级生产力反演的理论、模型与主要成果、中国末次冰期冰盛期 (LGM) 以来古生产力模拟以及古环境模拟的改进与展望,尤其21ka BP、6ka BP以及现代中国陆地植被NPP的模拟。
模式介绍:边界条件,结果。

第九章 冰冻圈科学中的新技术应用
第一节 冰冻圈研究中的3S技术
3S技术简介及其集成
遥感技术在冰冻圈监测中的应用
主要从以下5个方面介绍:极地冰盖、海冰、积雪、冻土、山地冰川
第二节 冰冻圈研究中的新兴技术
介绍新一代雪冰雷达、冰下探测与采样技术、钻井(孔)自动监测技术等
第三节 冰冻圈数据平台的建设
科学数据库建设的意义与需求
国际上冰冻圈数据库建设概览
各主要国家冰冻圈数据库系统硬件、软件环境、主要功能等
中国冰冻圈数据库建设现状:

参考文献
主要参考资料(续):
9.南极冰盖表层雪内的物理过程和现代气候及环境记录。秦大河,科学出版社,1995。
10.The Ages of Gaia,-A Biography of Our Living Earth. James Lovelock, Oxford University Press, 1988。
11.中国冰川概论。施雅风主编,科学出版社,1981。
12.The Physics of Glacier. 2nd Edition, Paterson, W. S. B., Pergamon Press, 1981。
13.Glaciers. Sharp,R. P., University of Oregon Press, Oregon, USA, 1960.
14 Velicogna, I. and J. Wahr, 2005: Greenland mass balance from GRACE. Geophysical Research Letters 32, Art. No. L18505.
15 Burgess, M.M., S. L. Smith, J. Brown, V. Romanovsky, and K. Hinkel, 2000. Global Terrestrial Network for Permafrost (GTNet-P): Permafrost monitoring contributing to global climate observations, Geological Survey of Canada, Current Research 2000-E14, 8pp.
16 Cogley, J.G., 2005: Mass and energy balances of glaciers and ice sheets. In: M. Anderson (Editor), Encyclopedia of Hydrological Sciences. John Wiley & Sons, Ltd.
17 Magnuson, J.J., D.M. Robertson, B.J. Benson, R.H. Wynne, D.M. Livingstone, et al., 2000: Historical Trends in Lake and River Ice Cover in the Northern Hemisphere, Science, 289, 1743-1746.
18.冰冻圈遥感。曹梅盛等,主编,科学出版社,2007
19.R. Garcı´a-Herrera and D. Barriopedro, Northern Hemisphere snow cover and atmospheric blocking variability, Journal Of Geophysical Research, VOL. 111, D21104, doi:10.1029/2005JD006975, 2006
20. Yuan Xiaojun et al., Antarctic Sea ice extent variability and its global connectivity. Journal of Climate, 13: 1697-1717, 2000.
21. Zhang, T. Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: an overview. Reviews of Geophysics 43:1-23, doi:10.1029/2004RG000157, 2005.

教师简介
1. 秦大河,男,1947年1月生,研究员,中国科学院院士、第三世界科学院院士。1970年毕业于兰州大学地质地理系自然地理专业,1992年获理学博士学位。先后任中科院兰州冰川冻土研究所副所长、中科院兰州分院副院长,中科院资源环境科学与技术局局长,中国气象局局长、现任冰冻圈科学国家重点实验室主任、中科院研究生院资源与环境学院院长。曾在澳大利亚、美国、法国做访问学者,在挪威卑尔根大学斯瓦尔巴德研究生院、法国科学院冰川与环境地球物理实验室任客座教授。长期从事冰冻圈与全球变化研究,在南极冰川学、中国西部雪冰过程与区域和全球气候变化、中国气候与环境综合评估及其减缓与适应对策等方面的研究成果为我国取得国际重要地位做出了突出贡献,是我国雪冰物理和生物地球化学过程研究的开拓者之一。担任政府间气候变化专业委员会(IPCC)第四次评估报告第一工作组联合主席等职,并主持了我国气候与环境演变评估研究、中国气象事业发展战略研究等课题,973项目首席科学家,发表论文256篇(SCI论文56篇),著作12部。
2. 任贾文,男,1955年3月生,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员, 博士生导师,冰冻圈科学国家重点实验室常务副主任。长期从事冰川学研究,除对中国西部冰川考察研究外,还多次赴南极和北极考察,其中两次为南极内陆冰盖考察。在冰川物理学、冰川与气候变化、冰芯气候环境记录研究方面取得了多项成果,如对中国西部和南极地区冰川温度分布及热学性质的研究,对亚南极地区冰川的综合研究,对南极冰盖表面特征、雪层演化和现代降水中气候环境信息的研究,对东南极冰盖物质平衡与海平面变化的研究、对珠穆朗玛峰冰川变化的研究,等等。已发表论文100余篇,合作著作5部。曾获国家自然科学三等奖、中科院自然科学一等奖和三等奖各一项、甘肃省自然科学一等奖等多项成果奖。在国内和国际多项科学组织中任职,其中主要有:中国地理学会冰川冻土分会副主任,政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告主要作者、主要作者协调人、综合报告核心编写组成员等等。
3. 叶柏生, 男,1964年3月生,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员, 博士生导师,主要从事寒区水文学研究。清华大学水利工程系水资源工程专业工学学士学位,中国科学院兰州冰川冻土研究所攻读自然地理专业冰川水文方向硕士、博士学位。2002年至今先后多次在日本东京大学土木工程系、德国马普学会气象研究所、美国阿拉斯加费尔班克斯大学水与环境研究中心做高访学者,从事寒区水文过程研究。参加和主持与水资源有关的国家攻关、攀登计划、重点基金和面上基金项目以及院重大和重点项目等多项课题。现为973项目的课题负责人,先后在国内外刊物上发表论文30余篇,参加3部专著的撰写。
4. 赵 林,男,1966年8月生,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员, 博士生导师,主要从事冻土学研究。现任中国科学院青藏高原冰冻圈观测试验站(纳入国家特殊环境野外站)站长。河北地地质学院水文地质与工程地质系水文地质与工程地质专业毕业,中国科学院兰州冰川冻土研究所理学硕士、博士学位。曾先后应邀参加了有关南、北两极地区多年冻土的国际性考察工作。在我国多年冻土的分布特征和变化、青藏高原多年冻土地下冰分布、多年冻土活动层的冻融过程和水热输运机理、多年冻土土壤等方面有较深入的研究。提出了对青藏高原多年冻土活动层冻融阶段的划分、对青藏高原多年冻土地下冰的贮量进行了估算。为973项目的课题负责人,科技部基础性项目(冻土)首席科学家,获省部级科技进步奖1项,参加编写专著7部,发表论文40余篇。
5. 效存德,男,1969年11月生,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员, 博士生导师,中国气象科学研究院客座研究员。主要从事冰川与气候变化研究。曾在美国缅因大学、法国环境与气候模拟实验室做访问学者。先后约20次赴南、北极和青藏高原从事科学考察。现为南极科学委员会(SCAR)AGCS计划科学指导组成员、973项目的课题负责人,中国COPES项目首席科学家。曾获世界气象组织(WMO)青年科学家研究奖。发表论文90余篇,其中在SCI收录杂志第一作者发表的论文15篇。参加4部专著撰写。