冰冻圈物理研究的新视野

冰冻圈变化及其影响的研究亟待物理学过程精细化研究的支持

在冰冻圈科学研究中，冰冻圈如何变化及其会产生怎样的影响是最受关注的科学问题。冰冻圈的模拟和冰冻圈与其他圈层相互作用的模拟，决定了对冰冻圈变化及评估其变化所产生影响的预测，而这些模拟研究的基础就是对冰冻圈所涉及的各个物理过程的描述。对冰冻圈相关物理过程描述的准确性和精细程度决定着模拟结果的可靠性，因此冰冻圈物理研究在支持冰冻圈变化和影响模拟方面的发展需要重点加强。

冰冻圈物理参数的获取能力亟待提升

深入理解冰冻圈物理过程和模拟研究，需要全面、系统的监测数据，足够长的监测时间，以及更高的监测效率和数据共享能力。 完善地面监测网络。在现有监测网络基础上，完善监测地点布局，优化监测设备和数据采集系统，提高地面监测能力。 发展自主遥感和空基监测手段。研发和搭载冰冻圈卫星遥感传感器，同时研发和应用航空监测技术，提升空-天监测能力。 提高数据传输和数据库应用能力。发展并建立地面监测数据传输系统，建立遥感和航空监测数据融合系统；通过大数据和云计算等新技术的应用，加速研发数据产品，达到数据共享，提高对冰冻圈物理学过程和模拟研究支持的效率。

冰冻圈实验室建设及研究亟待系统性加强

实验室研究是冰冻圈物理学研究中至关重要的环节。通过实验室内的样品测试和模拟实验等一系列研究，可达到精确测量某些重要物理参数、观察重要的物理过程、揭示某些参数之间相互影响等方面的目的。实验室研究在科研条件上需要很大的经费投入，如建造实验室、建立各种实验环境控制系统、配备相关的仪器设备等；因此，目前冰冻圈实验室主要以小型和分散的实验研究为主，侧重于对样品某些物理参数的测定和单一物理过程的实验观测。由于自然界的冰冻圈变化是各种物理过程综合作用的结果，通过实验室人为控制环境条件来考察 2 种或多种物理过程，揭示几种重要物理过程之间的相互影响，对建立冰冻圈模拟耦合模式十分必要。因此，需要加强实验室建设，特别是要着力发展实体模拟实验和相似性模拟实验研究。

实体模拟实验室是冰冻圈实验室研究的发展目标之一。实体模拟实验可以是单个目标或单个参数的模拟实验，如风吹雪的起动和运动实验、静态水和流动水体结冰实验等；也可以是具有一定综合性特征的实验，如冻土冻胀-融沉及变化过程实验、不同形式河冰与水流相互作用实验等。这类实验研究的特点是能够在人为控制条件下真实再现需要研究的物理过程，以便建立比较准确的有关参数之间的定量关系。由于在室内很难将一个完整的冰冻圈要素或者很大一部分实体再现，建造与自然状态具有相似性的模拟体进行观测研究是实验室研究的发展目标之一。比如，要精细地了解冰川、海冰和河冰等运动过程，可以在室内按几何相似和物理相似原则建造相似性模型，通过人为控制坡度、水流、压力、温度等条件进行相似性样本运动过程观测。

冰冻圈多模式以及与其他圈层模式的耦合研究需紧密结合

如前所述，冰冻圈变化及其影响是多种物理过程的综合体现，因而对其研究迫切需要多模式耦合以提高冰冻圈变化和影响的定量化水平。

在冰冻圈自身的模拟方面，能量-物质平衡、力学-动力学与热力学过程、水分迁移和热量传递等许多过程都是相互影响的；因此，要准确地描述某一个过程，必须要考虑与之密切相关的另外过程。例如，对冰川运动来说，温度不仅是冰的蠕变变形中至关重要的参数，也决定着冰川底部的运动和动力学条件，而冰的应变和冰体滑动又会产生热量从而改变温度；因此，要想很好地描述冰川动态变化，就需要将冰川动力学模式与热力学模式耦合起来。物质平衡是冰川变化的驱动因子，要获得比较准确的物质平衡时空变化，必须依赖分布式能量-物质平衡模式；冻土中的水和热更是密不可分，发展水分迁移和热量传递的耦合模式研究是冻土模式研究的核心，而冻土的力学问题也与冻土水-热过程密切相关；积雪变化不仅涉及能量平衡，还涉及到融水下渗和流失等过程；海冰消长虽取决于表面和内部的能量-物质平衡过程，但与海水之间的相互作用也极为重要。

由于冰冻圈是在气候环境等条件变化的驱动下发生变化，反过来其变化又影响气候、水文、生态等，在冰冻圈变化和影响研究中，必然要将冰冻圈与其他圈层的模式研究进行耦合。过去长时期内，一方面冰冻圈各要素模式发展不平衡，另一方面因冰冻圈与气候系统其他圈层的模式研究在时空尺度和分辨率上不够匹配，冰冻圈模式与其他圈层模式研究的耦合进展缓慢。因此，未来需要将冰冻圈模式研究与其他圈层模式研究紧密结合，促进冰冻圈变化及其影响研究的发展。