实验室简介

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实验室简介

    中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室始建于 1991 年,1997 年成为中国科学院重点实验室,2005 年由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、中国科学院青藏高原研究所和中国气象局气象科学研究院联合共建,2007 年通过科技部基础研究司组织的国家重点实验室建设计划可行性论证会,成为冰冻圈科学国家重点实验室。
    冰冻圈是指地球表层水以固态形式存在的圈层,包括冰川(山地冰川、冰帽、极地冰盖、冰架等)、冻土 (季节冻土和多年冻土)、积雪、海冰、河冰、湖冰,等等。作为一门新兴学科,冰冻圈科学研究其各组成部分的形成机理、演化规律、与其他圈层之间的相互作用,以及对经济社会的影响。冰冻圈与大气圈、水圈、陆地表层和生物圈共同组成气候系统。由于对气候变化的高度敏感性和重要反馈作用,在全球变暖背景下,冰冻圈研究受到前所未有的重视,成为气候系统研究中最活跃的领域之一,也是当前全球变化和可持续发展最关注的热点之一。中国是中低纬度地区冰冻圈最发育的国家,广泛分布的冰川、冻土和积雪不仅有重要的气候效应,还是维系干旱区绿洲经济发展和寒区生态系统稳定的重要保障。中国冰冻圈变化的气候效应、环境效应、水资源效应和生态效应非常显著, 因此,对国家西部发展战略有重大意义。
 

    实验室的定位:冰冻圈科学的基础研究和冰冻圈变化对经济社会影响的应用基础研究,旨在推动冰冻圈科学与气候、水资源、生态、环境与可持续发展等领域的学科交叉。通过长期野外定位观测和实验室分析模拟,建立野外监测和实验室分析的一体化研究平台,在冰冻圈过程、冰冻圈气候环境记录、冰冻圈变化及其影响等领域取得标志性创新成果;实验室凝聚冰冻圈科学杰出人才和创新研究团队,发挥引领作用;为区域可持续发展提供科技支撑,取得不可替代地位,成为具有国际影响力的冰冻圈科学研究中心。
    实验室的研究方向和目标:根据实验室发展历史和学科优势,以冰川、冻土、积雪为主要研究对象,在以下两个方向开展研究:
    1.冰冻圈过程和机理:通过对冰川、冻土、积雪的物理、化学、生物过程和生物地球化学循环的研究,揭示冰冻圈演化过程和变化规律,预测其未来变化。主要研究内容有:
    ● 冰冻圈监测:通过野外站点的定位监测、区域考察、遥感技术应用等手段,监测冰冻圈主要要素及相关水文、气象、生态、环境等因子,形成冰川、冻土、积雪的完整监测体系,建立数据平台。
    ● 冰冻圈气候环境记录:研究冰冻圈区域各种记录形成过程,确定各种气候环境要素的指标,在中低纬度(如青藏高原和其他山系)和南、北极地区开展不同时间尺度气候环境记录重建研究,揭示区域和全球气候变化的规律和机制。
    ● 冰冻圈变化过程:研究冰冻圈的各种过程,揭示其能量、质量、动量变化,阐明冰冻圈的变化机理。
 

    2.冰冻圈与其它圈层相互作用:研究冰冻圈与大气圈、水圈、生物圈等圈层的相互作用,分析冰冻圈变化的各种影响,为冰冻圈变化的适应对策制定提供科技支撑。主要研究内容有:
    ● 冰冻圈的水资源和生态效应:以干旱区内陆河流域和青藏高原为重点,构建基于冰川融水、冻土水文、融雪过程及降水径流等要素相互耦合的流域水文模型,揭示冰冻圈水资源变化规律及其对生态影响的机理。
    ● 冰冻圈与气候模拟:建立冰川、冻土、积雪物质和能量平衡模型,改进雪冰 / 冻土陆面过程参数化方案,为提高冰冻圈区域气候变化的模拟能力奠定基础。
 

    3.冰冻圈灾害、影响与适应对策:构建冰冻圈对水资源、生态和经济社会影响的评价指标体系,发展冰冻圈影响评价理论,建立冰冻圈变化的适应性评价模型,提出我国冰冻圈变化适应对策。
    实验室现有地理学、大气科学、生态学和环境学的硕士点、博士点和博士后流动站。实验室具有大量先进的实验室分析仪器、完善的冰冻圈野外观测平台系统、多学科联合研究团队、特色鲜明的组织结构,实验室主任在学委会指导下,全面负责团队建设、实验分析平台、野外监测平台和数据平台的建设及运行。其三大平台有专职副主任 / 站长具体负责,野外平台监测内容与实验分析计划源于各研究团队、又服务于各团队。
 

    实验室研究环境优良、仪器设备先进,实验室建筑面积 4669 m2,仪器设备总值约为 4870 万元,主要包括低温实验室、超净化系统、气体稳定同位素比质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、离子色谱仪、气相色谱仪、微粒分析仪、低浓度 α/β 活化度计数仪、高温元素分析仪、低温微生物分析系统等,以及用于冰川变化和冻土监测研究的仪器包括冻土钻机 1 台、大幅面扫描仪(Contex Chameleon 36'' plus)1 台、HP 工作站 1 台、HP 与 IBM 服务器各 1 台,冻土能量水分观测系统 13 套,冻土深钻孔观测系统 18 套、自动水文观测系统 3 套、自动气象站 12 套、温室气体采集分析系统 1 套、1 套 ELIS35 分析级纯水系统。同时,根据学科发展需求和针对国际研究热点,实验室已研制和改造了冰芯钻机、冰芯温室气体和碳黑分析前处理系统、冰雷达系统、冰芯连续快速融化装置。2008 年根据科技部关于《冰冻圈科学国家重点实验室建设任务书》 的批示,实验室对气溶胶质谱、气相色质联用仪、雪特性分析仪、红外温度传感器、雨(雪)量计、冰雷达、地物波谱仪、树木年轮仪和切片机及其附属配件进行了集中招标,实际购置到高分辨时间飞行气溶胶质谱一套(HR-ToF-AMS)(含车载平台)、外置离子阱型气相色质联用仪(ITQ1100)、雪特性分析仪(Snow Fork)10 套、冰雷达(含全部低频天线 5 副)、地物波谱仪 1 套(350-2500μm)、红外温度传感器 20 套、全自动雨(雪)量站 10 套以及树木年轮仪和切片机各一套,使实验室野外观测和室内分析能力大大提升到新的水平。另外,自研钻机也取得成功。2011 年以来,结合国家重点实验室修购修缮项目,完成用于固体同位素比(如:Pb,Sr,Nd)精确分析的热电离质谱仪(TIMS,Triton Plus)、冰晶物理参数鉴定的冰组构分析仪(G60)等设备的购置、等离子体质谱仪(ICP MS,Element)升级改造(主要升级了进样系统,改蠕动进样为膜去溶(AridusII)进样,提高了灵敏度,1ppb In 在低灵敏度下信号由 5 万 cps 提高到 30 万 cps,灵敏度提高了约半个数量级)以及实验室四层部分实验室改造修缮等,实验室自筹经费购置总有机碳氮元素分析仪、温室气体色谱分析仪、离子色谱仪(用于气溶胶质谱仪配套),碳氮同位素比分析仪(可独立使用,也可作为 MAT 253 进样使用)、蒸汽钻机等研制项目也取得较快进展。2015 年,新增热光黑碳分析仪(DRI 2015)。DRI 2015 型有机碳 / 元素碳(OC/EC)分析仪采用热光法测量原理,设计精良、技术成熟,适用于美国IMPROVE_A,NIOSH,加拿大 MSC1 和中国香港 EPD-TOT 等方法,测量颗粒物样品中的有机碳和元素碳含量。冰冻圈科学国家重点实验室机械加工工作室初步完成建设,为实验室技术人员机械设备加工提供了研制平台。
    实验室技术支撑团队根据新老设备量体裁衣设置了一系列实验室急需的预处理装置项目,在改善了实验室硬件条件的同时为科学家获得实验数据创造了良好的软件环境。
    实验室将野外台站作为重要的科学研究平台,主要包括:新疆天山冰川国家野外科学观测研究站(简称天山站)、藏北高原冰冻圈国家野外科学观测研究站(格尔木站)、玉龙雪山冰川与环境观测研究站(玉龙站)和祁连山冰川与生态环境观测研究站(祁连山站)、托木尔峰冰川与环境观测站(托木尔站)、唐古拉冰冻圈与环境观测研究站(唐古拉站)等。此外,实验室还在青藏高原及其周边地区建立了多个半定位观测站(如喜马拉雅山的珠峰、昆仑山、祁连山、帕米尔高原的慕士塔格峰、天山西段、横断山区的海螺沟等地的考察站)。
    2015 年,新疆天山冰川国家野外科学观测研究站在阿尔泰山设立分站,是天山站观测范围覆盖到中高纬度的阿尔泰山地区。


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