冰凍圈變化及其影響的研究亟待物理學(xué)過程精細(xì)化研究的支持

在冰凍圈科學(xué)研究中，冰凍圈如何變化及其會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響是最受關(guān)注的科學(xué)問題。冰凍圈的模擬和冰凍圈與其他圈層相互作用的模擬，決定了對冰凍圈變化及評估其變化所產(chǎn)生影響的預(yù)測，而這些模擬研究的基礎(chǔ)就是對冰凍圈所涉及的各個(gè)物理過程的描述。對冰凍圈相關(guān)物理過程描述的準(zhǔn)確性和精細(xì)程度決定著模擬結(jié)果的可靠性，因此冰凍圈物理研究在支持冰凍圈變化和影響模擬方面的發(fā)展需要重點(diǎn)加強(qiáng)。

冰凍圈物理參數(shù)的獲取能力亟待提升

深入理解冰凍圈物理過程和模擬研究，需要全面、系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，足夠長的監(jiān)測時(shí)間，以及更高的監(jiān)測效率和數(shù)據(jù)共享能力。 完善地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，完善監(jiān)測地點(diǎn)布局，優(yōu)化監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高地面監(jiān)測能力。 發(fā)展自主遙感和空基監(jiān)測手段。研發(fā)和搭載冰凍圈衛(wèi)星遙感傳感器，同時(shí)研發(fā)和應(yīng)用航空監(jiān)測技術(shù)，提升空-天監(jiān)測能力。 提高數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用能力。發(fā)展并建立地面監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，建立遙感和航空監(jiān)測數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)；通過大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新技術(shù)的應(yīng)用，加速研發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，達(dá)到數(shù)據(jù)共享，提高對冰凍圈物理學(xué)過程和模擬研究支持的效率。

冰凍圈實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及研究亟待系統(tǒng)性加強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)室研究是冰凍圈物理學(xué)研究中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的樣品測試和模擬實(shí)驗(yàn)等一系列研究，可達(dá)到精確測量某些重要物理參數(shù)、觀察重要的物理過程、揭示某些參數(shù)之間相互影響等方面的目的。實(shí)驗(yàn)室研究在科研條件上需要很大的經(jīng)費(fèi)投入，如建造實(shí)驗(yàn)室、建立各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制系統(tǒng)、配備相關(guān)的儀器設(shè)備等；因此，目前冰凍圈實(shí)驗(yàn)室主要以小型和分散的實(shí)驗(yàn)研究為主，側(cè)重于對樣品某些物理參數(shù)的測定和單一物理過程的實(shí)驗(yàn)觀測。由于自然界的冰凍圈變化是各種物理過程綜合作用的結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)室人為控制環(huán)境條件來考察?2?種或多種物理過程，揭示幾種重要物理過程之間的相互影響，對建立冰凍圈模擬耦合模式十分必要。因此，需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，特別是要著力發(fā)展實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)和相似性模擬實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)室是冰凍圈實(shí)驗(yàn)室研究的發(fā)展目標(biāo)之一。實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)可以是單個(gè)目標(biāo)或單個(gè)參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)，如風(fēng)吹雪的起動(dòng)和運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)水和流動(dòng)水體結(jié)冰實(shí)驗(yàn)等；也可以是具有一定綜合性特征的實(shí)驗(yàn)，如凍土凍脹-融沉及變化過程實(shí)驗(yàn)、不同形式河冰與水流相互作用實(shí)驗(yàn)等。這類實(shí)驗(yàn)研究的特點(diǎn)是能夠在人為控制條件下真實(shí)再現(xiàn)需要研究的物理過程，以便建立比較準(zhǔn)確的有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系。由于在室內(nèi)很難將一個(gè)完整的冰凍圈要素或者很大一部分實(shí)體再現(xiàn)，建造與自然狀態(tài)具有相似性的模擬體進(jìn)行觀測研究是實(shí)驗(yàn)室研究的發(fā)展目標(biāo)之一。比如，要精細(xì)地了解冰川、海冰和河冰等運(yùn)動(dòng)過程，可以在室內(nèi)按幾何相似和物理相似原則建造相似性模型，通過人為控制坡度、水流、壓力、溫度等條件進(jìn)行相似性樣本運(yùn)動(dòng)過程觀測。

冰凍圈多模式以及與其他圈層模式的耦合研究需緊密結(jié)合

如前所述，冰凍圈變化及其影響是多種物理過程的綜合體現(xiàn)，因而對其研究迫切需要多模式耦合以提高冰凍圈變化和影響的定量化水平。

在冰凍圈自身的模擬方面，能量-物質(zhì)平衡、力學(xué)-動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)過程、水分遷移和熱量傳遞等許多過程都是相互影響的；因此，要準(zhǔn)確地描述某一個(gè)過程，必須要考慮與之密切相關(guān)的另外過程。例如，對冰川運(yùn)動(dòng)來說，溫度不僅是冰的蠕變變形中至關(guān)重要的參數(shù)，也決定著冰川底部的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)條件，而冰的應(yīng)變和冰體滑動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生熱量從而改變溫度；因此，要想很好地描述冰川動(dòng)態(tài)變化，就需要將冰川動(dòng)力學(xué)模式與熱力學(xué)模式耦合起來。物質(zhì)平衡是冰川變化的驅(qū)動(dòng)因子，要獲得比較準(zhǔn)確的物質(zhì)平衡時(shí)空變化，必須依賴分布式能量-物質(zhì)平衡模式；凍土中的水和熱更是密不可分，發(fā)展水分遷移和熱量傳遞的耦合模式研究是凍土模式研究的核心，而凍土的力學(xué)問題也與凍土水-熱過程密切相關(guān)；積雪變化不僅涉及能量平衡，還涉及到融水下滲和流失等過程；海冰消長雖取決于表面和內(nèi)部的能量-物質(zhì)平衡過程，但與海水之間的相互作用也極為重要。

由于冰凍圈是在氣候環(huán)境等條件變化的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生變化，反過來其變化又影響氣候、水文、生態(tài)等，在冰凍圈變化和影響研究中，必然要將冰凍圈與其他圈層的模式研究進(jìn)行耦合。過去長時(shí)期內(nèi)，一方面冰凍圈各要素模式發(fā)展不平衡，另一方面因冰凍圈與氣候系統(tǒng)其他圈層的模式研究在時(shí)空尺度和分辨率上不夠匹配，冰凍圈模式與其他圈層模式研究的耦合進(jìn)展緩慢。因此，未來需要將冰凍圈模式研究與其他圈層模式研究緊密結(jié)合，促進(jìn)冰凍圈變化及其影響研究的發(fā)展。