冰凍圈

冰雪圈（英語：cryosphere），這個名詞來自於希臘文中的κρύος(cryos)，指"寒冷"、"霜"或是"冰"；以及σφαῖρα(sphaira)，指"球體"^[1]。冰雪圈是用來描述在地表上，水以固態形式出現的區域，包括了：海冰、湖冰、河冰、積雪、冰河、冰帽、冰蓋和凍土。

冰雪圈的性质决定了它與水圈有很大的重疊。 冰凍圈是全球氣候系統的組成部分，通過對地表能量、水分通量、雲、降水、水文、大氣和海洋循環的影響，產生重要的聯繫和回饋。 這些回饋過程使得冰凍圈對全球氣候和全球变化中的氣候模式（英语：Climate_model）反應起著重要作用。其中一个直观的例子是：深色的海洋表面通常只反射6%的太阳辐射，而冰可以反射50%~70%。^[2]冰消學（deglaciation）描述冰雪圈特徵的衰退。冰雪學（cryology）則是對冰雪圈的研究。此外，根据存在的时间尺度，地球上的冰雪圈可分为间断的、短期的、季节性的、多年的和若干世纪的五种类型。

组成

地球上的冰雪圈主要由下列几种组成：

短期的、季节性的和多年的雪盖，它积累流散的冰，并使水汽凝结；在季节性冻结的土壤和山石的裂缝和空隙中包含着的冰；季节性和多年的淡水和咸水冰盖；季节性和多年的地表和地下水冰冻；极地半岛和大陆的山地冰川和雪盖；山石深层含有不同来源的冻结冰，多年、世纪或数千年期间都不融化；含有一固体状态存在的大气水分的移动性云系统。

 

冰雪圈組成的概述。分別包括雪、海冰、冰棚、冰蓋、冰河與冰帽、連續永久凍土帶、不連續永久凍土帶、孤立永久凍土帶。

分布

地表上發現的固態水主要為積雪、湖泊和河流中的淡水冰、海冰、冰川、冰蓋、凍土和永久凍土。 每個冰凍圈子系統中水的停留時間差異很大。積雪和淡水冰基本上是季節性的；除了北冰洋中心的海冰以外，絕大多數海冰只會持續幾年。然而，冰川、冰蓋或底土冰中的水分子可能會凍結10-10000年或甚至更長時間。南極洲東部部分地區的冰層年齡可能接近100萬年。

世界上大部分的冰量都是在南極洲，尤其是東南極冰蓋。不過要是從面積來看，北半球冬季積雪面積最大，在1月份平均佔半球面積的23％。

冰雪學

冰和雪的氣候作用，與其獨特的物理特性相關。若具備觀察且模擬冰雪覆蓋程度、厚度和物理性質（輻射與熱）的能力，對氣候研究具有特殊的意義。

冰和雪的幾種基本物理性質調節地表和大氣之間的能量交換。最重要的幾個特性是表面反射率（反照率），傳熱能力（熱擴散率）和改變狀態的能力（潛熱）。這些物理性質以及表面粗糙度、發射率和介電特性對於從太空中觀察冰和雪很重要。例如，表面粗糙度通常是決定雷達背向散射（英语：Backscatter）強度的主要因素^[3]。晶體結構、密度、長度和液態水含量等物理性質，則是影響熱與水的轉移，以及微波能量散射的重要因素。

入射太陽輻射的表面反射率對於表面能平衡（SEB）是重要的，這是太陽輻射反射與入射的比，通常稱為反照率。氣候學家主要關注電磁波譜短波（300－3500奈米）部分的反照率，與主要太陽能輸入吻合。通常，除了森林區域，未融積雪覆蓋表面的反照率很高（可達80-90％）。冰和雪的反照率，導致秋季和春季高緯度地區的表面反射率迅速變化，但這種變化的總體氣候意義在空間和時間上會被雲量所調節。（行星反照率主要由雲量決定，以及冬季在高緯度地區接收到的太陽輻射量較少。）夏季和秋季是北冰洋高平均雲量的時期，因此反照率回饋與大面積海冰分布的季節性變化大幅降低。格羅伊斯曼等人觀察到，在春季（4月至5月），太陽輻射在積雪覆蓋地區最大時，積雪對地球輻射平衡影響最大^[4]。

冰雪圈組成的熱性質也具有重要的氣候結果。熱擴散率表示溫度波穿透物質的速度。冰和雪在熱擴散方面的效率比空氣低很多個數量級。積雪隔離地面，海冰隔離海洋，使地表-大氣界面的熱通量和水氣通量去耦合。對於厚度30－40公分以下的薄冰，熱通量仍然是可觀的，但只要有薄冰存在，就能消除水面的水分流失。然而，即使在冰層上有少量的雪，也將顯著地減少熱通量，並降低冰的增長速度。雪的絕熱效果也有水循環有很大影響。在非永久凍土區域，雪的絕熱效果使得只有接近表層的地面凍結，深水土壤排水不會間斷^[5]。

冰和雪在冬季可以避免地表能量大量損失，但因為冰的融化也需要大量能量（融化潛熱，0℃時為3.34×10⁵J / kg），它們也延遲了春季和夏季的回暖。然而，在廣布冰或雪的地區，大氣的靜態穩定性很強，傾向於將即時冷卻效果限制在較淺的層，使相關的大氣異常通常是短暫的、本地局部尺度的^[6] 。世界上一些地區，如歐亞大陸，已知厚重積雪和春季潮濕土壤相關的冷卻可以調節夏季季風的循環^[7]。古茨勒和普雷斯頓也在美國西南部提出了相似的雪-夏季循環回饋的證據^[8]。

參見

• 水圈
• 冰川
• 冰蓋
• 冰帽
• 海冰
• 多年凍土
• 冰
• 雪
• 低溫生物學

參考資料

1. σφαῖρα （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus
2. Thermodynamics: Albedo | National Snow and Ice Data Center. nsidc.org. [2021-12-06]. （原始内容于2020-06-12）. 
3. Hall, D. K., 1996: Remote sensing applications to hydrology: imaging radar. Hydrological Sciences, 41, 609-624.
4. Groisman, P. Ya, T. R. Karl, and R. W. Knight, 1994a: Observed impact of snow cover on the heat balance and the rise of continental spring temperatures. Science, 363, 198-200.
5. Lynch-Stieglitz, M., 1994: The development and validation of a simple snow model for the GISS GCM. J. Climate, 7, 1842-1855.
6. Cohen, J., and D. Rind, 1991: The effect of snow cover on the climate. J. Climate, 4, 689-706.
7. Vernekar, A. D., J. Zhou, and J. Shukla, 1995: The effect of Eurasian snow cover on the Indian monsoon. J. Climate, 8, 248-266.
8. Gutzler, D. S., and J. W. Preston, 1997: Evidence for a relationship between spring snow cover in North America and summer rainfall in New Mexico. Geophys. Res. Lett., 24, 2207-2210.