冰凍圈變化及其影響的研究亟待物理學過程精細化研究的支持

在冰凍圈科學研究中，冰凍圈如何變化及其會產生怎樣的影響是最受關注的科學問題。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生影響的預測，而這些模擬研究的基礎就是對冰凍圈所涉及的各個物理過程的描述。對冰凍圈相關物理過程描述的準確性和精細程度決定著模擬結果的可靠性，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展需要重點加強。

冰凍圈物理參數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、系統的監測數據，足夠長的監測時間，以及更高的監測效率和數據共享能力。 完善地面監測網絡。在現有監測網絡基礎上，完善監測地點布局，優化監測設備和數據采集系統，提高地面監測能力。 發展自主遙感和空基監測手段。研發和搭載冰凍圈衛星遙感傳感器，同時研發和應用航空監測技術，提升空-天監測能力。 提高數據傳輸和數據庫應用能力。發展并建立地面監測數據傳輸系統，建立遙感和航空監測數據融合系統；通過大數據和云計算等新技術的應用，加速研發數據產品，達到數據共享，提高對冰凍圈物理學過程和模擬研究支持的效率。

冰凍圈實驗室建設及研究亟待系統性加強

實驗室研究是冰凍圈物理學研究中至關重要的環節。通過實驗室內的樣品測試和模擬實驗等一系列研究，可達到精確測量某些重要物理參數、觀察重要的物理過程、揭示某些參數之間相互影響等方面的目的。實驗室研究在科研條件上需要很大的經費投入，如建造實驗室、建立各種實驗環境控制系統、配備相關的儀器設備等；因此，目前冰凍圈實驗室主要以小型和分散的實驗研究為主，側重于對樣品某些物理參數的測定和單一物理過程的實驗觀測。由于自然界的冰凍圈變化是各種物理過程綜合作用的結果，通過實驗室人為控制環境條件來考察?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，需要加強實驗室建設，特別是要著力發展實體模擬實驗和相似性模擬實驗研究。

實體模擬實驗室是冰凍圈實驗室研究的發展目標之一。實體模擬實驗可以是單個目標或單個參數的模擬實驗，如風吹雪的起動和運動實驗、靜態水和流動水體結冰實驗等；也可以是具有一定綜合性特征的實驗，如凍土凍脹-融沉及變化過程實驗、不同形式河冰與水流相互作用實驗等。這類實驗研究的特點是能夠在人為控制條件下真實再現需要研究的物理過程，以便建立比較準確的有關參數之間的定量關系。由于在室內很難將一個完整的冰凍圈要素或者很大一部分實體再現，建造與自然狀態具有相似性的模擬體進行觀測研究是實驗室研究的發展目標之一。比如，要精細地了解冰川、海冰和河冰等運動過程，可以在室內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、溫度等條件進行相似性樣本運動過程觀測。

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，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-物質平衡、力學-動力學與熱力學過程、水分遷移和熱量傳遞等許多過程都是相互影響的；因此，要準確地描述某一個過程，必須要考慮與之密切相關的另外過程。例如，對冰川運動來說，溫度不僅是冰的蠕變變形中至關重要的參數，也決定著冰川底部的運動和動力學條件，而冰的應變和冰體滑動又會產生熱量從而改變溫度；因此，要想很好地描述冰川動態變化，就需要將冰川動力學模式與熱力學模式耦合起來。物質平衡是冰川變化的驅動因子，要獲得比較準確的物質平衡時空變化，必須依賴分布式能量-物質平衡模式；凍土中的水和熱更是密不可分，發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，而凍土的力學問題也與凍土水-熱過程密切相關；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部的能量-物質平衡過程，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境等條件變化的驅動下發生變化，反過來其變化又影響氣候、水文、生態等，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行耦合。過去長時期內，一方面冰凍圈各要素模式發展不平衡，另一方面因冰凍圈與氣候系統其他圈層的模式研究在時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合，促進冰凍圈變化及其影響研究的發展。