中國網/中國發展門戶網訊 在地球漫長的 46 億年曆史長河中，人類既是地球文明創造者，也是地球氣候環境和資源破壞者。進入人類世以來，特別是 20 世紀 50 年代以來，氣候環境風險急劇增加。2019 年地球人口已超過 78 億，21 世紀中葉可能達到 100 億，這進一步加重了地球的壓力，加速氣候環境生態系統不可逆轉的破壞，進而制約地球支撐人類發展的能力。
聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（AR5）指出：18 世紀 50 年代工業革命以來，人類活動排放的溫室氣體、氣溶膠、顆粒物、化學物質和其他雜質，以及土地利用情況的變化，這些因素導致了全球變暖效應。20 世紀 50 年代以來，全球溫升的一半以上是人類活動造成的（信度達 95% 以上）。IPCC AR5 還給出了未來不同經濟社會情景下的溫升、影響、適應和對策。但為維繫地球可持續發展，僅用溫升指標來衡量還不夠，還應對地球生命支持系統的能源、淡水、食物安全，以及陸地、海洋、生物多樣性等關鍵要素，建立一套類似《巴黎協定》規定的“為全球溫升不超過工業化前 2℃，力爭不超過 1.5℃”的定量表達，以指導社會經濟走上可持續發展之路，最終實現聯合國提出的《2030 年可持續發展議程》中的 17 項目標。
冰凍圈是氣候系統五大圈層之一，對大氣、水資源和水循環、生態系統、陸地和海洋環境，以及社會經濟可持續發展有重要影響。冰凍圈發育的地帶性特徵，決定了它的變化首先會影響到世界經濟最發達的中高緯地區的國家和經濟體，對中緯度地區的影響亦不可低估，加上其變化對海洋的影響，使低緯地區和小島國家也不可避免，“牽一髮而動全身”，從而波及全球。
為全面研究冰凍圈及其變化的內在機理、對其他圈層和社會經濟的影響及適應對策，短時期內冰凍圈科學從初創到向體系化發展，正在形成以圈層整體為核心，既綜合了各要素的共同屬性，又深入開展各要素相關過程的研究構架。冰凍圈科學研究內容涉及冰凍圈的物理學、化學和生物學過程，以及氣候和水文、生態和資源、工程災害、人文地緣、地理與地質地貌等多個方面。時間尺度從第四紀到未來幾百年，空間上則從地球向行星拓展。其目標是不斷髮展與時俱進的學科內涵，為人類建設健康地球和實現可持續發展作出重要貢獻。
冰凍圈和冰凍圈科學
地球上的冰凍圈
冰凍圈（cryosphere），是指地球表層連續分佈且具一定厚度的負溫圈層，圈內的水體一般處於凍結狀態。在陸地表層，冰凍圈分佈於地面及地面以下數十米至數百米，包括冰川（含冰蓋）、凍土（多年凍土和季節凍土）、積雪、河冰、湖冰等，屬於陸地冰凍圈。在海洋上，冰凍圈分佈在水面上下數米至數百米，以及大陸架向下數百米範圍內，如海冰、冰架、冰山和海底多年凍土等，屬於海洋冰凍圈。冰凍圈還存在於大氣圈 0℃ 線高度以上的對流層和平流層內，如雪花、冰晶等凍結狀水體，屬於大氣冰凍圈。水平方位上，地球高海拔和高緯度地區是冰凍圈發育的主要地帶（圖 1），在豎直方向上，冰凍圈覆蓋了從海底以下數百米到對流層中高層。
圖 1 陸地和海洋冰凍圈的全球分佈示意圖
在上方北半球圖中，海冰覆蓋顯示的是北半球夏季海冰範圍最小時（ 2012 年 9 月 13 日）的狀態， 30 年平均海冰範圍（黃線）顯示的是年最小海冰南界（海冰密集度 15 % ） 1979 —2012 年的平均值，所以在下方南半球圖中顯示的分別是最大海冰覆蓋和年最大海冰北界的多年平均值；該圖為極射赤面投影，未能表現低緯度冰川和積雪的信息。
地球陸地冰凍圈覆蓋了全球陸地面積的 52%—55%。其中，山地冰川和南極冰蓋、格陵蘭冰蓋覆蓋了全球陸地面積的 10%；積雪覆蓋陸地範圍平均為 1.3%—30.6%，北半球多年平均最大積雪範圍可佔北半球陸地表面的 49%；多年凍土區佔全球陸地的 9%—12%，北半球季節凍土（含多年凍土活動層）為 33%。也有資料顯示，北半球季節凍土多年平均最大可佔到北半球陸地面積的 56% 以上，極端寒冷年份高達 80% 以上。
冰凍圈儲存了地球淡水資源的 75%，其中冰川和冰蓋約佔全球淡水資源的 70%。全球 5.3%—7.3% 的海洋表面被海冰和冰架覆蓋。北冰洋海冰最大範圍可達約 15×106 km2，夏季最小時約為 6×106 km2。南大洋海冰範圍於每年 9 月最大，約為 18×106 km2；2 月最小，約為 3×106 km2。南極冰蓋外緣的諸多冰架總面積約1.617×106 km2，佔全球海洋麵積的 0.45%；北極地區的格陵蘭冰蓋和某些島嶼上的冰帽邊緣也有冰架分佈，但冰架體量遠小於南極地區。全球海底多年凍土主要在北極地區，約佔海洋麵積的 0.8%。大氣圈內的含水總量為 1.14×105 t，和陸地、海洋冰凍圈比，冰量最少、壽命很短。
冰凍圈科學
冰凍圈科學是研究自然條件下冰凍圈各要素形成、演化過程與內在機理，冰凍圈與氣候系統其他圈層相互作用，以及冰凍圈變化的影響和適應的一門新興交叉學科。冰凍圈科學的目的是認識自然規律，服務人類社會，促進可持續發展。
如果把冰凍圈作為一個整體，需要將其所有要素的共性進行歸納分類、綜合分析、系統闡述，從圈層層面來開展研究，如冰凍圈的物理和化學性質、形成發育和演化規律、生物地球化學過程、觀測與模擬、冰凍圈變化及其影響和適應對策、經濟社會可持續發展、地緣政策等諸多方面。
強調冰凍圈圈層的整體性和注重圈層組成要素的個性並不矛盾，前者是學科發展的需要，後者是學科持續深入發展的基礎。在對區域發展的影響方面，整個圈層的作用往往是問題的關鍵所在。例如，在某乾旱區，其上游的冰凍圈對區域發展有制約作用，主要矛盾是水資源供給，其中就有很多問題需要解答：水資源在何時能提供？能提供多少？對區域發展的最大承載能力是多少？全球溫升 2℃ 時水資源如何變化？怎麼避免這類風險？……要回答這類問題，如果僅從過去的冰川學或凍土學等單要素學科知識出發，很難較圓滿解決，需要利用冰川、積雪、凍土綜合研究，集成冰凍圈各個要素的水文特點，搞清圈層的時空變化，聯繫下游地區，特別是乾旱區人文經濟社會情況，再進行綜合設計規劃，方顯示圈層整體的作用。
冰凍圈科學主要由冰凍圈各個要素的水熱和動力機制和過程監測、變化、影響和適應研究 4 個階層組成（圖 2）。
圖 2 冰凍圈科學體系結構框架
冰凍圈的主體是地球表層自然固態水，不可避免地要與水有關的學科交叉，如山地冰川、積雪和水文水資源、凍土變化與生物多樣性變化、海冰與海洋、大氣冰凍圈與氣象等。此外，冰凍圈還與自然災害、工程地質、區域發展、地緣政治等相關。這些都說明冰凍圈科學是一門自然和人文深度交叉的綜合科學。
冰凍圈科學體系的建立
冰凍圈科學專門研究機構的建立
西方科學家提出了冰凍圈概念，中國科學家發展並初步建成了冰凍圈科學體系。由於發展階段、方式和理念不同，所處自然條件和人口結構各異，西方雖然最早提出了冰凍圈概念，但在冰凍圈科學上發展卻比較緩慢。1972 年世界氣象組織（WMO）在斯德哥爾摩聯合國人類環境會議上，首次將“冰凍圈”這一獨特自然環境綜合體與大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈並列，明確了五大圈層之間的相互作用與反饋，奠定了氣候系統的理論。2000 年，世界氣候研究計劃（WCRP）科學委員會決定設立“氣候與冰凍圈”（CliC）計劃，旨在定量評估氣候變化對冰凍圈各要素的影響，以及冰凍圈在氣候系統中的作用。
經過長期的學術積累，結合氣候變化、可持續發展和健康地球建設，中國學者提出了冰凍圈科學的概念和理論框架，並建立了國際上首個以冰凍圈科學命名的專門研究機構。早在 20 世紀 20 年代初，竺可楨在教授《地學通論》時就設立專章講述冰川。20 世紀 50 年代後期，施雅風組織祁連山和天山現代冰川考察，後在蘭州設立中國科學院蘭州冰川凍土研究所，該研究所成為中國冰凍圈科學研究基地。20 世紀 80 年代起，冰凍圈在全球變化研究中的作用日益受到重視，2007 年 4 月冰凍圈科學國家重點實驗室成為國際上第一個以“冰凍圈科學”命名的研究機構。該實驗室將冰凍圈過程與機理、冰凍圈與其他圈層相互作用和冰凍圈變化影響的適應與對策確定為 3 個重要研究方向，以期為社會經濟可持續發展服務。冰凍圈科學國家重點實驗室的建立和學科定位，顯示了冰凍圈科學研究由單要素向圈層綜合的轉變和將自然科學與社會經濟可持續發展有結合起來的轉變，標誌著冰凍圈科學的發展進入了新時代（圖 3）。
圖 3 冰凍圈科學在中國發展的主要歷程
國際冰凍圈科學研究沿著 2 條主線展開：①以WCRP/CliC 為主線展開。目標是加深對冰凍圈與氣候系統之間相互作用的物理過程與反饋機制的理解，提高氣候預測的準確性，為防災減災服務。②以國際冰凍圈科學協會（IACS）為主線展開。國際大地測量與地球物理學聯合會（IUGG）於 2007 年 8 月將“國際水文科學協會”下屬的“國際雪冰委員會”提升為“國際冰凍圈科學協會”，以推動冰凍圈單要素研究之間的聯繫。
建立冰凍圈科學框架體系
冰凍圈科學始於冰川學、凍土學以及積雪、河冰、湖冰、海冰等的研究。從研究內容來看，在氣候變化和區域可持續發展需求驅動下，冰凍圈科學根據自身特點，從動量、能量、水量、經濟社會特徵出發，不僅研究冰凍圈內在機理和過程，更加註重研究冰凍圈與大氣圈、水圈、生物圈、岩石圈（陸地表層）及人類經濟社會（人類圈）的相互作用。冰凍圈變化對各圈層的影響和適應研究，涉及社會經濟與可持續發展，實用性強，社會需求迫切，這些內容豐富了冰凍圈科學的內涵，促進了學科體系的完善。從研究方法來看，冰凍圈科學研究同時使用自然科學和社會科學的方法，包括利用光學、熱學、力學、電學、電磁學、化學、生態學的知識和方法，建立立體觀測體系，採集冰凍圈各要素觀測資料，完善實驗室測試系統，發展冰凍圈全球和區域模式，並與地球系統模式嵌套；注意使用經濟學、社會科學的原理，研究冰凍圈自身規律及其與社會的關係，分析冰凍圈變化的影響、脆弱性和適應性。
我國冰凍圈科學研究團隊通過梳理國內外科學發展趨勢，總結冰凍圈研究進展，解析冰凍圈科學內涵和外延，先後完成《冰凍圈科學詞彙》《冰凍圈科學辭典》和《冰凍圈科學概論》（中、英文版）。同時，以機理、變化、影響、適應為主線，編寫了“冰凍圈科學系列”叢書，包括冰凍圈物理、化學、地理、氣候、水文、生態、微生物、環境、第四紀、工程、災害、人文、地緣、遙感和行星冰凍圈等 15 個方面，涵蓋了自然和人文社會學科的多個領域。
目前，我國已建立了冰凍圈科學國家重點實驗室、凍土工程國家重點實驗室等專門研究機構，在一些部門和高等院校也建立了若干與冰凍圈科學相關的研究實體，多所大學開設冰凍圈科學課程，甚至還設立了冰凍圈科學專業，服務於冰凍圈科學研究後備人才培養。“冰凍圈科學學會”也已籌建多年，該學會的學術年會和各專業委員會的活動豐富多彩，壯大了冰凍圈科學研究隊伍，擴大了冰凍圈科學的影響和普及。
冰凍圈變化和影響
冰凍圈變化在不同時空尺度上，通過改變其物質和能量交換，與大氣圈、水圈、岩石圈、生物圈及人類圈相互作用，影響人類經濟社會可持續發展。冰凍圈變化的影響有負面也有正面，對負面多種災害和損失的研究居多。
冰凍圈變化
冰凍圈變化是指冰凍圈內熱狀況和質量的時空分佈變化，在表觀上主要體現為形態、體積和質量的變化，如冰川面積、厚度、冰量及末端或邊緣變化，凍土面積或範圍、厚度變化，積雪範圍和雪水當量變化，海冰範圍和厚度變化，河冰、湖冰封凍和解凍日期，以及凍結日數、厚度的變化等。冰凍圈內部如熱量（溫度）、物質結構、物質遷移、化學和生物學等方面的變化，也屬變化的內容。地球冰凍圈是氣候系統最敏感的圈層。在全球變暖的今天，冰凍圈各要素都在顯著變化，主要表現為規模在縮減，溫度在升高。
海冰因為有較長的觀測數據，可以看到長期變化的細節（圖 4）。北冰洋和南大洋是海冰主要分佈區，監測表明，相對於 1981—2010 年，北冰洋海冰（北極海冰）自 1979 年以來海冰範圍持續減少，南大洋海冰（南極海冰）海冰範圍較穩定，20 世紀最後幾年到 2015 年間還略有增長。但是最近幾年這兩個地區的海冰範圍均顯著減少。
2006—2015 年，格陵蘭冰蓋和南極冰蓋平均冰量損失速率分別達 278±11 Gt/a 和 155±19 Gt/a，這加快了全球海平面上升。全球山地冰川整體都處於退縮或急劇退縮的狀態。在中低緯高山地區，近年頻頻出現冰川崩塌/垮塌事件，給當地帶來災害。例如，2018 年西藏林芝地區的雅江冰崩堰塞湖事件。
近幾十年來，積雪範圍、最大深度、積雪期和雪水當量普遍呈現減少趨勢。多年凍土普遍升溫、活動層厚度增加。河冰和湖冰結冰日數縮短、厚度減薄、融化時間顯著提前。
冰凍圈變化的影響
冰凍圈變化與氣候系統其他圈層及人類圈相互作用，影響著區域和全球經濟社會發展。
冰凍圈—大氣圈—社會經濟
冰凍圈變化影響不同時空尺度的氣候變化。潔淨的雪面反照率達 90% 以上，是一般地表面反照率的 3—9 倍。海洋在有、無海冰覆蓋的情況下，吸收能量的差別可達 9 倍以上；北極海冰減少使海洋吸收更多的太陽輻射，導致區域溫升速率達全球平均水平的 2 倍以上。北半球多年凍土含有 1 460—1 600 t 的有機碳，幾乎是大氣中碳的 2 倍，多年凍土融化所釋放的額外溫室氣體加劇了全球氣候變暖。如果全球溫升不能控制在 1.5℃ 內，21 世紀將有（1.50—2.50）×106 km2 的多年凍土融化，釋放約 100 Gt CO2，可能引發氣候突變。這將使當前的“碳排放社會成本”增加近 8 倍——CO2 排放成本將從目前的 15 美元/t 成本上升至 116 美元/t。
冰凍圈—水圈—社會經濟
在全球尺度上，冰凍圈退縮使大量冷淡水進入海洋，導致海平面急劇上升，使世界沿海地區和地勢較低的島嶼處於危險之中；同時，還會相應改變大洋的鹽度和溫度，影響大洋熱鹽環流過程，進而改變全球水循環過程，包括大洋輸送帶和洋流強度等。區域尺度上，冰川的加速退縮在短時間內可增加冰川徑流，但長時間內將導致徑流量減少；水文過程發生改變，影響流域水循環和淡水資源的供給，尤其對高度依賴冰凍圈水資源的區域影響最大，給糧食安全、人體健康、維繫生態系統和社會經濟發展等帶來巨大的負面影響。亞洲水資源利用產生的總收入為 2 050 億美元，而其產生的總外部成本卻達到 6 600 億美元，約為總收入的 3 倍。
冰凍圈—岩石圈—社會經濟
冰凍圈對陸地表層的影響主要表現為地表風化、侵蝕、搬運與堆積作用，以及由此產生的一系列災害。冰川地貌過程、冰湖洪水和泥石流、凍土凍融或熱融作用、山區積雪形成的春汛、海冰消退連同凍土融化引發的塌岸和“地面坍陷”等，都會對社會經濟產生嚴重影響。例如，加拿大吉勒姆至丘吉爾間鐵路線路約 300 km 的修復重建，而 1978—1983 年僅用於穩定凍土沉降、修復橋涵、恢復縱坡和更新軌枕就花費掉 3 000 餘萬美元。
冰凍圈—生物圈—社會經濟
冰凍圈退縮導致陸地生態系統發生演替的概率增加、物候提前，尤其是生態系統的結構、功能與時空分佈格局。例如，多年凍土活動層深度增加、土層內水分向下遷移，高寒草甸、高寒沼澤和溼地顯著退化。1970—2010 年，青藏高原的高寒沼澤溼地萎縮25.6%，沙漠化土地增加17.2%。此外，大氣冰凍圈變化可以直接影響植被生長，導致農作物減產嚴重。
冰凍圈變化對海洋生態系統的影響非常顯著。北極海冰範圍與厚度的持續減少，導致北極海冰邊緣區域食物鏈網絡或生物棲息地遭到破壞，進而波及種群繁衍。北極熊賴以生存和捕獵場所不斷縮小，導致北極熊數量和繁殖成功率不斷降低。若海冰持續減少，未來北極熊的數量可能會銳減近 2/3。生態系統的變化對環北極原住民的生活也有極大影響，不僅其謀生方式和社交方式出現改變，甚至本土語言文化也存在流失的危機。
冰凍圈—人類圈—地緣政治
冰凍圈持續退縮也引起國際地緣政治問題。北極海冰減少和北極航道的開通改變了航運格局，商業利益和環境效應明顯，能源和礦產價值突出，軍事和戰略博弈也愈發明顯。冰凍圈退縮帶來了潛在戰略資源，對有效資源競爭的驅動力使得有些國家開始窺伺南極資源，導致南極洲地緣政治的局勢日趨緊張。在高山區，山地冰川退縮，導致淡水資源短缺，引發水資源危機。在國際河流區，水資源的爭奪加劇地緣政治摩擦。冰川融化還將引起海平面上升，低地國家與小島國家面臨著領土被淹沒的威脅。
冰凍圈變化的適應
為應對冰凍圈變化及其影響，應在冰凍圈未來變化預測的基礎上，通過自然科學和社會科學的交叉融合，分析冰凍圈變化的風險和脆弱性，結合區域社會經濟現狀和發展趨勢，建立不同區域冰凍圈變化適應性的評估方法，提出冰凍圈變化的適應性和減緩對策，為全球和區域社會經濟可持續發展提供科技支撐。
我國是中低緯度冰凍圈最發育的國家，但冰凍圈大多分佈於經濟發展相對落後和生態環境脆弱之地。同時，我國也是近北極國家，北極地區冰凍圈變化的影響也波及我國。南極地區不僅是國際科技競技場，也是國際戰略爭奪的重要區域。因此，我國不僅需要對國內冰凍圈影響的提出區域尺度適應方案，如制定“亞洲水塔”水安全戰略、推動水合作、建立科學的利益分享與補償機制、完善跨境河流水爭端解決機制、加強凍土區生態恢復和保護措施及冰凍圈災害風險和管控方案等，還要大力提升南、北極冰凍圈變化的適應對策研究。
總之，冰凍圈變化不僅影響自然系統，也影響人文經濟社會和國家關係。冰凍圈變化適應研究不僅要著眼於區域社會經濟可持續發展，也要聯繫聯合國《2030 可持續發展議程》17 項目標，從全球視野建立基於恢復力的冰凍圈變化—影響—適應研究體系（圖 5）。
圖 5 全球冰凍圈的變化—影響—適應框架
為健康地球和人類福祉服務
冰凍圈服務
冰凍圈變化對自然和社會經濟系統既有負面效應，也有正面效應。例如，冰凍圈災害、風險評估等負面效應已有深入研究。近年來，我們將冰凍圈的服務與社會經濟可持續發展以及人類福祉緊密結合，聯繫聯合國《2030 年可持續發展議程》的 17 個目標，發展了冰凍圈功能和服務理論與方法體系。
冰凍圈的服務是基於冰凍圈在氣候、水資源、生態、工程、旅遊和休閒、探險和體育、資源利用及特色人文等領域，產生可觀的服務價值。冰凍圈服務指人類社會從冰凍圈獲取的各種惠益，包括直接或間接從冰凍圈系統獲得的資源、產品、福利和享受等。對人類生存與生活質量有貢獻的所有冰凍圈產品和服務都是冰凍圈服務，包括供給服務、調節服務、文化服務、承載服務和支持服務 5 個方面（圖 6）。
圖 6 冰凍圈服務框架
冰凍圈供給服務是指冰凍圈本身能夠給人類提供的各種產品或服務，包括淡水資源、天然冷能、種質資源、天然氣水合物和冰（雪）材等供給服務；冰凍圈調節服務是指人類從冰凍圈過程和功能的調節中獲得的惠益，包括氣候調節、徑流調節、水源涵養、生態調節和陸表侵蝕調節；冰凍圈文化服務指人類能夠從冰凍圈獲得的精神滿足和發展認知等非物質性收益，包括美學、靈感、宗教、知識與教育、休閒與旅遊、文化多樣性等；冰凍圈承載服務是指在一定時期的陸地或海洋表層的冰凍圈作為天然冷凍固態介質，可為大規模人類遷徙、跨河道（湖泊）行進等特殊活動，以及人們所需的物質運輸和工程建設提供重力支撐，包括特殊交通通道服務和設施承載服務；冰凍圈支持服務，專指人類從冰凍圈支持或主導的特殊環境中獲得的惠益，包括生境支持服務、資源生成服務及地緣政治和軍事服務。
在全球變暖背景下，冰凍圈退縮使其特有的服務趨於減弱。因此，需要研究冰凍圈變化與冰凍圈服務之間的定量關係，確定不同時空尺度上冰凍圈變化與服務功能強弱、盛衰之間的關聯，特別是某些關鍵特徵值，如功能增強期、平臺期、拐點、衰退期乃至喪失期。此外，冰凍圈的不同服務之間也可能存在此消彼長的關係。例如，對於融水服務，如果過多強調其經濟社會服務，則可能削弱其生態服務。
隨著冰凍圈變化影響的級聯效應不斷擴展，冰凍圈與生態、經濟、社會問題之間的銜接既是學科發展的必然趨勢，也是延伸冰凍圈科學應用價值的必然要求。冰凍圈服務功能價值評估研究可為冰凍圈服務與市場價值體系之間架起一座橋樑，為決策者提供冰凍圈服務功能及其價值信息，對於促進以“寒”“旱”為特徵的經濟欠發達地區的社會、經濟可持續發展、加強生態環境建設與保護有重要科學意義和長遠戰略意義。
為地球健康作貢獻的冰凍圈科學
“一個維持全新世間冰期狀態功能的星球，它惠益人類和非人類有機體，並使全人類公平分享自然賦予的福祉、風險，並承擔相應責任”。亞健康的地球能否繼續惠益巨大的人口，能否保障人類繁衍和生存，是我們面臨的重大考題。
地球系統在晚第四紀的 120 萬年裡，一直處於冰期和間冰期的自然交替。自 18 世紀 50 年代人類社會工業化以來，人類活動造成全球變暖、空氣汙染、海平面上升和海洋酸化、土地利用變化、淡水資源匱乏、能源短缺、生物多樣性下降、冰凍圈退縮等。人類活動導致的這些不良後果導致我們賴以生存的星球上的氣候環境和生態系統的穩定性遭受破壞，持續了 1 200 年的全新世的良好生態環境遭到不可逆轉的毀損，嚴重製約了地球支撐人類發展的能力。目前，地球氣候環境處在一個臨界點，加強地球系統管理，增強地球恢復力是一個選項；如若任其發展，地球將跌入不可逆轉的“熱室地球”，這是最壞的結局（圖 7）。1750 年世界人口為 7.91 億，1950 年增長到 25.4 億，2000 年已超過 60 億，2019 年為 78.15 億，估計 2050 年將達 100 億。面對人類世之前 10 倍的人口和每年 1 億的增長速率，人類迫切需要尋找一條路徑，引導地球系統遠離潛在的臨界點，恢復到末次間冰期時的環境，保障地球健康和人類發展。
Steffen 等在研究地表溫度臨界點（閾值）時，預估全球溫升 1℃—3℃ 時，格陵蘭冰蓋和山地冰川急劇融化，西南極冰蓋崩解，夏季北極海冰消失，海洋的珊瑚礁白化，可見冰凍圈對這一最低臨界點最為敏感。IPCC 報告也預估在 21 世紀繼續升溫背景下，冰凍圈各要素將進一步顯著退縮。於是，下列問題值得深思：冰凍圈是地球最大的淡水庫，2050 年和 2100 年世界需要至少多少淡水（上限和下限）？冰凍圈可以提供多少淡水才能維繫地球健康？冰凍圈是全球氣候變化的調控器和啟動器，不同溫升（如1.5℃、2℃ 和 3℃）條件下，冰凍圈與氣候之間的相互作用結果如何？不同溫升條件下冰凍圈變化對生態系統和地表環境會有怎樣的影響？冰凍圈急劇退縮從不同時空尺度上影響和制約著人類生存和發展，人類社會如何減緩和適應以維持可持續發展？
圖 7 地球系統從全新世進入人類世的路徑示意圖
圖中分岔處顯示未來地球系統的 2 條不同路徑（虛線箭頭）：一條路徑是目前地球系統正處於溫室地球路徑上，是人類排放溫室氣體和生物圈退化等所致。溫升超過 ∼2°C 閾值時，地球系統將在其內生的生物地球物理反饋驅動下，進入不可逆的“熱室地球”之路；另一條路徑是通向穩態地球，這是一條人類創造的反饋引導的地球系統管理之路，將地球引入一個準穩定凹地。
冰凍圈退縮將改變著世界地緣戰略格局，冰凍圈發育的核心地區可能將成為大國利益競爭的戰略高地，或者成為全球合作的新領域，“人類命運共同體”的理念如何在這裡得到體現等，這都是冰凍圈科學需要研究的課題。此外，冰凍圈科學可從氣候調節、水源供給和調節、生態調節、災害防治、適應減緩、區域可持續發展和全球戰略等方面入手，聯繫聯合國《2030 年可持續發展議程》的 17 個目標，應對地球面臨的集自然與社會問題於一體的挑戰，在推動學科新發展，深化冰凍圈科學的內涵的同時，為健康地球作貢獻。
人類活動給地球帶來了諸多負面影響，如全球變暖、生態系統受損、水資源短缺、土地退化等。冰凍圈作為氣候系統圈層之一，其變化與上述現象息息相關。
冰凍圈在地球系統裡有不可替代的作用，對全球溫升極度敏感。冰凍圈退縮不僅影響著世界經濟最發達的中高緯地區的國家和經濟體，對中緯度地區的影響也不可低估，加上對海洋的影響，低緯度地區和小島國家也深受其害。冰凍圈內海量的淡水資源、巨大的相變潛能、廣闊的發育空間等，對支持地球生命系統的水資源、能源、食物安全，以及陸地、海洋、生物多樣性等關鍵要素有重要影響。冰凍圈變化既能給人帶來損失，也能給予種種惠益。
冰凍圈科學體系的建立和發展，符合國際“未來地球計劃”和“地球委員會”倡導的大方向，也是其意義所在。
（作者：秦大河，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室；姚檀棟，中國科學院院士，中國科學院青藏高原研究所所長；丁永建、任賈文，中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室。致謝效存德、李春蘭、徐新武和俞傑在成文過程中的幫助。《中國科學院院刊》供稿 ）
