科学家们的那些“脑洞大开”的冰川保护措施

冰川是地球上由降雪和其他固态降水积累、演化形成的处于流动状态的冰体，被称为“固体水库”，储存全球约75%的淡水。在气候变暖的背景下，全球范围内的冰川正在急剧消融和退缩，引发了全社会对淡水资源供应、海平面上升和生态系统变化等问题日益紧迫的关注。冰川的变化与保护已成为当今环境领域中备受瞩目的话题。

▲ 1962～2022 年天山乌鲁木齐河源1 号冰川变化

历史数据显示，20 世纪60 年代到80 年代中期，天山乌鲁木齐河源1 号冰川的物质平衡有正有负，变化相对平稳。直到1993 年，1号冰川消融后分割成东、西两支。90 年代中期以后，消融更加明显。1996～1997 年 ，1号冰川加速消融，物质平衡出现更大负值，以每年5～7m 的速度退缩，平均每年厚度减薄约40cm，主要在夏季消融。

冰川加速消融主要有两方面原因：一方面是气候变暖，这是最主要的原因，气候变暖导致冰川区温度升高，热量向冰体内部移动，冰体加速融化；另一方面是温度升高，雪线升高，消融区面积增大，导致冰川整体反照率减小，吸收了更多的太阳辐射。因此，冰川保护工作大多从增加物质积累和改变冰川反照率两个角度开展。

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减缓全球变暖

气温升高是冰川变化的最重要原因，控制温升是应对冰川变化最有效的方法。应对措施主要分为两种，一种是积极落实节能减排政策，另一种是科学家提出的人为干预气候系统的地球工程(SRM 和CDR)。

▋1. 节能减排

气候变化是一项的全球性挑战。应对这一挑战，需要在各个层面进行协调，需要国际合作，各国向低碳经济转型。全球应对气候变化的国际协定和公约是为了减轻气候变化的影响、推动全球减排行动而制定的重要法律框架。为应对气候变化及其带来的负面影响，2015年12 月12 日，缔约方会议第二十一届会议(第21 届联合国气候变化大会)在巴黎举行，世界各国领导人取得了重要进展，共同达成了具有历史意义的《巴黎协定》。《巴黎协定》设定了长期目标，引导所有国家：①大幅减少全球温室气体排放，将全球气温保持在比工业化前水平高出2℃以内，并努力将升温限制在1.5℃之内，大家都认识到，这将大大减少气候变化的风险和影响；②定期评估践行《巴黎协定》的精神和实现长期目标的情况；③向发展中国家提供资金支持，减缓气候变化，加强应对能力，并提高适应气候影响的能力。《巴黎协定》包括对减排和共同努力适应气候变化的承诺，并呼吁各国逐步加强承诺，为发达国家提供了协助发展中国家减缓和适应气候变化的方法，同时建立了透明监测和报告各国气候目标的框架。

欧美国家相继制定实施碳排放交易体系，通过设定碳排放配额和允许企业之间的碳排放交易，减少碳排放；制订了可再生能源目标，要求各成员国提高可再生能源在总能源消费中的比例，以减少对化石能源的依赖；颁布了一系列能效标准和法规，包括能效标签、能效指令等，以及清洁电力计划、清洁电力法案；推广可再生能源发电，支持太阳能、风能等清洁能源的发展，并制定了太阳能投资税收抵免政策等；通过技术改造和管理规范，提高工业生产过程中的能源利用效率，减少工业排放。

▲ 实现“双碳”目标的潜在技术路径和措施(于贵瑞等，2022)

在全球应对气候变化的大背景下，我国提出“双碳”目标，既是践行生态文明建设的重要举措，也是推动经济社会高质量发展的选择。实现这一目标需要多领域、多层次的系统性变革，其中的“三路综合”策略被认为是有效路径之一(于贵瑞等，2022)。这一策略通过能源脱碳、产业减排和生态增汇的协同推进，为“双碳”目标提供了创新解决方案，为实现绿色低碳发展奠定坚实基础。

▋2. 地球工程

在工业和农业中使用节能减排技术来减少化石燃料的燃烧，显然是应对全球气候持续变化的最直接策略。常规的减排方案进程跟不上全球变暖的脚步，控制全球平均气温增幅在1.5℃和2℃以内是一巨大挑战(陈迎，2016)。为了避免气候变化危害越演越烈，全球积极探索和实施新的适应措施来应对气候变化。近年来，科学家提议采取一些人为方式大规模干预气候系统，主动为地球降温，提出了“地球工程”(geoengineering)的概念，作为应对气候变化的“Ｂ计划”(Schneider et al.，2020)。

表 地球工程技术的分类

根据地球工程实施方式的作用机制，可以分为太阳辐射管理(solar radiation modification，SRM)和碳移除(carbon dioxide removal，CDR)两大类，也分别称为太阳地球工程(solar geoengineering，SG)和碳地球工程(carbon geoengineering，CG)。SRM 是指在不减少大气中二氧化碳含量的情况下通过减少到达地面的太阳辐射来缓解地球升温，基本思路是通过增加行星反照率来减少地球吸收的短波辐射，这种技术可在太空、大气和地球表面实施；碳移除技术致力于降低大气中温室气体的浓度，这种技术具有永久降低全球温度的潜力。

▲《巴黎协定》温度目标背景下评估气候的地球工程提案

(a) 碳捕获利用主要技术方法；(b) 碳移除与储存主要技术方法；(c) 太阳辐射强迫地球工程主要技术方法；CCU 为碳捕获与利用(carbon capture use)；CCS 为碳捕获与储存(carbon capture storage)；CDR 为碳移除(carbon dioxide removal)；RFG 为太阳辐射强迫地球工程。(Lawrence et al.，2018)

1992～2023 年，有74 个国家发表了地球工程方面的研究成果或合作进行地球工程方面的研究。分析地球工程领域发文量排名前24 位的国家合作网络关系可以发现，美国、中国、英国、德国具有较强的国际合作关系，与其他20 个国家均有合作。其中，美国在开展国际合作方面最为积极，发文量排名前24 位的国家中有21 个国家与之合作；我国的主要合作对象为欧美国家，如美国、英国、德国、加拿大和法国。

表 部分开展的地球工程研究项目情况

(截至2019 年11 月)(陈迎等，2020)

在地球工程研究领域，处于国际领先地位的是欧美国家，相关研究可以追溯到20 世纪60～70 年代。1965～2005 年，科研人员提议在地表上空安置反射性材料(气溶胶、反光镜)、采取植树造林等人工手段抵消气候变化的影响(Govindasamy et al.，2002；Teller et al.，2002)，但是在相关领域中所受关注较少。直到2006 年，Crutzen 关于“平流层注硫”的评论文章使地球工程受到了科学界的广泛关注，但由于对环境具有威胁，他不建议推广该方法(Crutzen，2006)。此后，科学家对地球工程开展了长期、广泛、全面的研究，赋予了它更丰富的内容，加深了人们对地球工程的理解，地球工程的概念趋于成熟。2015 年，《巴黎协定》通过，致力于实现将全球气温上升幅度控制在不高于工业化水平前2℃的水平，并努力将升温控制在1.5℃以内，此举进一步推动了关于地球工程的研究和讨论。通过对地球工程领域论文中的高频关键词进行数据共现与聚类分析，可观察到该领域的研究热点与整体态势。对2018～2023 年地球工程领域的研究热点进行可视化分析，结果反映了该领域研究的演变过程与发展趋势，气候变化、模拟、参数、技术等关键词是2018～2023 年的主要研究热点。相比20 世纪末热点词汇仅聚焦在CO₂，随着气候变暖加剧、人类活动影响逐渐加深、对地球工程领域的研究逐渐深入，更多热点问题如地球辐射平衡研究、地球系统模拟研究、地球工程模拟试验研究等越加凸显。

▲ 地球工程领域2018～2023 年的研究热点

地球工程领域的部分学者将地球工程研究聚焦于两极冰盖，明确提出了针对冰盖的定向地球工程研究(Moore et al.，2018)。冰盖地球工程旨在通过减少冰盖融化、增强冰盖稳定性甚至增加冰量来抵消气候变暖的影响。Wolovick 和Moore(2018)针对维持冰盖稳定性，采用冰川动力学模拟的方法，探讨利用人工山体或人工支撑点进行有针对性的地球工程能否抵御崩塌、减缓消融速率(Moore et al.，2018；Wolovick and Moore，2018)。模拟结果显示，当工程阻止深层暖水到达冰架前端时，冰架底部停止消融，冰川前端和接地线位置都前进；在建造人工山体或者人工支撑点的情形下，冰川的崩解有望被推迟、减缓甚至逆转。由于考虑的设计在规模上与现有的土木工程项目相当，成功率只有30%，较大的设计规模对于维持冰盖稳定性更为有效。针对冰盖的地球工程是很复杂的系统研究，包括数值模拟、方案设计、工程试验和政治法律等诸多方面，国际上的研究团队正在开展数值模拟和方案设计的研究，但数值模拟的研究区域十分有限，数值模拟的结果也有待采用不同模式进行对比验证。此外，极地地区的地球工程是一个复杂且有争议的研究领域，任何大规模的实施都需要仔细考虑伦理、环境、经济和技术因素。

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减缓冰川融化

冰川消融应对措施主要分为两种：一种基于地球工程措施，针对冰盖这种大型冰体；另一种基于局部干预措施，针对小冰川。以下是有关局部干预措施的简略介绍。

国内外学者已经结合实际情况在山地冰川区具体开展了一些工作，在微观尺度上基于地球工程学原理来减缓冰川消融，验证其在山地冰川区的适用性，为缓解和适应气候变化提供科学实践的依据。早在19 世纪40 年代初期，著名生物学家和地质学家路易斯 · 阿加西斯(Louis Agassiz)表示：与其他冰川相比，那些在海拔更高地区的冰川因为表面有大量表碛覆盖，沙层下面的冰融化速率会显著减缓。他只是对这一现象进行了阐述，并没有对其机理及应用进行拓展，毕竟那时全球变暖问题并没有得到大众的广泛关注，冰雪资源利用问题也没有得到重视，直到21 世纪初，全球变暖导致的冰川积雪消融才开始成为热点话题。21 世纪初以来，阿尔卑斯山冰川滑雪场相关工作人员积极探寻、开发人工减缓冰雪融化的方法。例如，奥地利的冰川滑雪场用人造雪来维持雪道的雪量；瑞士科研人员针对减缓冰川消融，利用计算机模型模拟得到在当时CO₂ 排放情景下人工增雪可减缓瑞士Morteratsch 冰川400～500m(长度)的消融萎缩(Oerlemans et al.，2017)。Fischer 等(2016)总结了阿尔卑斯山冰川区及滑雪场十年来的研究结果，他们研究了各种材料(泡沫、锯末、木屑、防水布和土工织物等)和技术的冰雪保存能力。结果表明，在冰川的最上面部分，春季在雪表面铺设土工织物对减缓冰川融化具有显著作用。土工织物具有高反照率，同融化的雪冰表面相比，可以反射更多的太阳短波辐射；土工织物具有良好的热性能，由于湍流热通量较小，减少消融量；土工织物的半渗透特性抑制了水坑的形成，从而减小水坑渗水升温对冰川的影响。

▲ 阿尔卑斯山冰川纺织材料保护(Sense et al.，2020)

我国已对气候变化做出了积极的响应策略。一些对气候和人类活动特别敏感的山区，在条件许可的情况下，在小区域内对冰川实行封禁保护，控制或禁止人类在冰川区活动。我国冰川学目前大多聚焦于研究冰川变化过程、机理和预估未来变化，针对冰川消融的工程措施方面的研究相对较少。为此，科研人员在我国西部冰川区开启冰川保护试验，主要分布在萨吾尔山木斯岛冰川、天山乌鲁木齐河源1 号冰川、青藏高原东部的横断山达古17号冰川和祁连山摆浪河21 号冰川等。

▲ 萨吾尔山木斯岛冰川人工增雪前的实景

▲ 天山乌鲁木齐河源1 号冰川保护试验

▲ 横断山达古17 号冰川保护试验

▲ 祁连山摆浪河21 号冰川保护试验

国外对冰雪资源的研究保护工作大多始于20 世纪末，主要在阿尔卑斯山的滑雪场进行试验，开发了覆盖保温材料、造雪等方法，为冰川旅游及高山冰川滑雪场的运营管理提供了一定参考。我国科研人员则聚焦在我国西部地区河流径流量依赖冰川补给的山地冰川，在此背景下研究了人工增雪对冰川的保护效果，而且通过借鉴国外研究经验，人工覆盖不同保温材料，研究了不同保温材料对减缓冰川消融的效用，并评估其推广性。国内外冰川保护工作从科学本质来讲殊途同归，大部分是通过减少到达地面的太阳辐射来减少太阳对冰川的能量输送，以此减少太阳直接辐射和近地层大气湍流交换，从而实施冰川保护。

▲ 人工保护冰川与冰盖的方法

为了有效应对气候变暖背景下冰川变化带来的威胁，《 》深入剖析冰川变化与保护的科学机制，介绍冰川对地球气候系统的深远影响及人类社会应对这一变化采取的各种冰川保护科学方法，获得许多有价值的实践经验，包括减缓冰川融化的工程手段、模拟试验等多个方面的内容。希望通过汇聚学术界的研究成果和实践经验，为冰川保护提供全面、可行的解决方案，为读者提供多个深入思考的视角，以更好地知悉冰川现状及冰川保护的可行路径。

冰川保护措施研究与应用

王飞腾等编著

北京 : 科学出版社, 2025. 6

ISBN 978-7-03-081794-5

本书梳理了国内外相关试验内容与案例，研究评估了其减缓冰川消融的效果，分析讨论了技术的应用。国内外学者肯定了人工覆盖和人工增雪对冰川的保护效率优于其他技术方法，主要是因为节能减排和其他人工措施需要依赖大量的人力物力，且工作周期较长。人工增雪节能和节水，具有合理的物质损失减少效率，学者在新疆木斯岛冰川、瑞士Vadret da Morteratsch冰川验证了其有效性，适用于更多的亚洲内陆冰川。应用人工覆盖措施减缓冰川消融，具有35%～50%的保护效果和较低廉的成本，适用于消融剧烈的营利性冰川或冰川公园。从模拟结果来看，某些地球工程在大规模干预气候变暖减缓冰川消融方面保护效果较好，然而在实践方面存在不可预估的不确定性。

冰川的变化是一个复杂的、全球性的问题，需要全球性的合作。期待本书能够引起公众对冰川领域更广泛的关注，为读者提供启示，激发更多的研究者和决策者投身冰川研究和保护的伟大事业中。愿我们共同努力，保护珍贵而脆弱的冰川，为子孙后代留下一个更加宜居的地球。

本文摘编自《冰川保护措施研究与应用》（王飞腾等编著. 北京 : 科学出版社, 2025. 6）一书“第1 章 绪论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-081794-5

祝 洁：18628452164

汤宇晨：15667011271

本书全面探讨冰川保护的理论基础、技术措施及实际案例，介绍冰川保护领域的研究与应用成果。在介绍冰川变化现状及其对自然灾害、水文资源、生态系统和人类活动深远影响的基础上，突出冰川退缩对全球生态平衡与社会发展的威胁，详细阐述多种保护措施，如人工覆盖、人工增雪、节能减排、地球工程等，从理论原理到技术实施方面提供系统分析和实践指导，尤其对天山乌鲁木齐河源1 号冰川和四川达古冰川的人工覆盖减融试验、人工增雪补冰试验进行详细解析，结合气象、物质平衡与反射率等多维度观测数据，评估保护措施的实际效果与改进空间。此外，探讨创新性保护方案，包括冰盖工程、反射率控制和人工冰库建设，为未来冰川保护提供新思路。

本书内容丰富，理论与实践并重，适合地理学、生态学、气候变化和环境保护相关专业的科研人员、高校师生及关注可持续发展的相关从业者参考。

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