刘宗超    孙  莉    胡汝骥

(中国科学院新疆地理所天山积雪雪崩研究站)

    目前，科学研究正处在迅速发展的新潮流中。著名科学家钱学森教授于1983年和1985年

相继提出要创立地球表层学和数量地理学两门学科，在地理学界引起很大反响；浦汉听在自

然杂志上撰文论述了“地壳表层的系统与进化”；陈国阶的“论地理学现代化问题”一

文从诸多方面论及如何实现地理学的现代化；牛文元的《自然地理新论》和《现代应用

地理学》专著在这方面作了许多论述，有关方面的其他文章和新的学术思想也不断涌现．

整个地理学正在发展和提高中。作为交缘学科的积雪研究应该怎么办?笔者欲对积雪研究的

发展作初步探讨。

一、数理学科的引进

    如果说六十年代计量地理学的诞生给传统地理学以冲击和变革，那么如今在系统论、信

息论、控制论改变着人们自然观的今天，从耗散结构、协同学、突变论等观点着手研究积

雪，则势在必行。积雪研究仅作为地理学的分支是不够的，虽然它首先作为自然地理问题而

提出的，但作为地学——数理学科的交缘性质却日益显著。

    1．积雪物理学方向

    物理学的许多分支已渗透到积雪研究的许多方面，而积雪研究的物理学方向将拓宽物理

学的研究领域。尽管积雪物理学的研究体系还不够完善，但它体现了现代科学的交缘性、综

合性和系统性特征。其主要内容可分为积雪力学、积雪热学、积雪电学、积雪声学和积雪光

学等应用基础性研究以及雪害治理与融雪预报等应用技术学科。

    积雪力学是雪害治理的理论基础，它是分析雪崩、风吹雪等问题的理论工具，尤其是积

雪动力学更具有实际意义。它涉及的基本参量为积雪的组构、密度、空隙率，压缩系数、粘

性系数、内摩擦角等。积雪的应力和应变研究非常重要，它关系到斜坡积雪的稳定性，对于

雪崩预报和多雪地区的工民建筑等具有重要意义。

    积雪热学是融雪径流研究的基础，它的主要内容为积雪热传导、积雪辐射、积雪层温度

场、积雪结构等。它所涉及的主要参数为积雪容重、含水率、导热系数、导温系数、反射率

等。积学热学是研究积雪变质作用的必备手段，热力学的非线性非平衡态理论是积雪热学稳

定性的理论基础。    ．

    积雪电学的研究是成冰机制研究的关键，它从微观上给出积雪成冰的电动力学机制，对

于雪粒薄膜水的厚度以及雪层内水份输运机制研究都具有指导意义。

    积雪光学主要内容为积雪光谱分析，以可见光对积雪的穿透作三用以及积雪的辐射特性的

影响为重点。国内外在这方面的研究都刚刚起步。积童声学的研究仅从振动方面作了少量工

作。  

    综上所述，积雪——物理交缘研究工作的内部发展很不平衡，诸分支的研究深度参差不

齐。这正反映了它，造一门正左形成发展中的年轻学科。它不仅具有广阔的实际应用前景，而

且还有很多的：处女地等待我们去开发。

    2．积雪系统科学方向

    我们如果把积叠仅仅作为一个物理系统去研究是不够的，因为我们所研究的是地球表层

系统的一个子系统，是有层次有结构的，它与外界交换能流流物流，以使自己退化或演化。

因此，在我们的研究中要引进系统科学思想和系统科学方法。

    系统思想是注重部分与整体的联系，从整体出发找出系统运动的规律。它的主要基础为

一般系统论、控制沦、信息论、运筹学和系统工程等。它与概率论、统计学、模糊数学、多

维相空间理论、突变论、泛系数法、计算机科学等具本学科紧密相连。系统科学方法论所包

括的基本概念有：时间、序列，熵、信息、控制、反馈、系统要素结构、功能、等级秩序、

同构、同态、分解、协调等，其基本原则为整体性、综合性、线性最优化和非线性最优化、

协同性、稳定位、等级青序性、定量化、精密化等。其基本方法包括功能模拟法、泛箱方

法、信息法、反馈方法、系统方法(终端法、目的法)、模型化方法、符号法、形式化方法

(公理化、集合化)最优化方法等。

二、积雪系统

    1．积雪区域——生态系统

    积雪区域的划分是在三维空间中进行的，即二个空间尺度相一个时间尺度。空间尺度决

定了积雪存在的范围，时间尺度决定了积雪存在的周期。积雪区域划分为多雪地带、无雪地

带、多年积雪地区、季节性积雪区等景观类型。寒区的气候决定其生态系统的性质，如树线

高低、植物动物的种类和种群演化等。因此，在进行划分时应采用泛箱分析、模糊数学(模

糊相关、模糊聚类)等方法，从多方向、多层次的立方体叉着手，采用统计方法研究积雪区

域——生态系统以及与相应环境的交互作用，继而进一步研究接收反馈后的系统本身的特

征，如气象、气候、水文、地理、地貌、冰缘现象，以便作出中长期预报。

    2．积雪层系统

    积雪层系统的划分是在两维空间进行的，即一个空间尺度和一个对间尺度，如雪层的薄

厚、季节往积雪和多年性积雪等。。芭是积雪区域──生态系统的子系统，其自身的组成部分

是积雪质量体。该系统的对应环境为上边界大气层和下垫面冻土─—融冻层，通过上下边界

与环境交换能量，是开放系统。此系统在一定条件下，形成远离平衡态的耗散结构，并且具

有一定功能。在一定限度内随环境协同变化。如冰川耗散结构体系，它随自然环境的变化

而变化。若人为地增加冰川消融，超过一定限度，则破坏了冰川的自组织功能，使其失掉与

环境协同变化的能力，从而也失去了对气候的反馈作用。积雪层系统的研究可用模型化方

法、功能模拟法等研究其有序性、稳定性、协同性等。

    3．雪质系统

    雪质系统是积孽渚系统中的最低一级于系统，它包括雪分散体相界面，即冰一水一气

界面或冰─水─矿物(杂质、微粒、矿岩等)界面。该系统发生水热输运过程及变质过程

(冻结一融化)，它决定着雪的一些物理性质及深霜发育情况等。与该系统相关的系统概念

为熵、结构等，可利用模型化方法使研究精密化。

    由上论述可知，一定规模的系统与一定的时一空尺度相时空。积薯区域一生态系统对应

于较大的空间和较长的时间，且具有较高的系统层次。积雪层系统则次之，三贡系统变化最

为短暂和急剧。结构决定功能，积雪区域一生态系统和积雪层系统具有较强的记忆功能，

“富内性”较高，它可在记录系统进行不可逆演化对，给系统本身留下痕迹，这样就为莱伊

尔准则在积雪研究中的应用提供了条件。雪质系统层次较低，因此其记忆功能较弱，  “富内

性”较低。

    在进行积雪系统方向研究中，序参量的选取具有举足轻重的地位。可以推论，合适的序

参量是能够帮助我们找出系统的广义配分函数，据此可演绎出高层次系统更一般的性质，这

样就可使菜伊尔准则科学化、精密化相定量化。

三、实验手段的改进

    现代的积雪研究虽已渡过了皮尺、花杆、螺盘、量筒、风杯的创业岁月，并日益趋向定

量化和实验化，但与当今学科高良分析与高度综合的急流相比还远远不够。技术的发展必将

给基础性研究带来许多新的研究方法和手段，积雪工作者有责任采用先进手段进行实验研

究，以改变积雪研究的面貌。

1．实验模拟

    积雪的野外研究存在着条件复杂、易变、不易重复等困难，因此建立良好的低温室和创

造进行单因素、多因素分析实验模拟条件则是必须的。

    2．电子计算机的应用

    无论是野外观测或室内实验都需要得到大量精确的数据，计算机与人工智能表所组成的

数据采集系统不仅可进行快速准确的定量分析、存贮数据和信息资料，而且进行积雪区域

——生态系统、积雪层系统以及雪质系统旧演化、结构与功能的数学模拟。它既省人力又省

物力且可进行重复实验。

    3．遥感技术的应用

    传统积雪研究是采用普查——绘图的点——线——面的工作方法，这样的方法难以从整

体上把握寒区景观类型和区域持性，气象卫星的多光谱扫描可为积雪分布及特征从整体上提

供信息，有利于我们从整体上把握积雪的空问特征和时序演化，这对融雪及其径流研究意义

重大。

    4．物理测量

    诸如雪的导热系数、导温系数等热学性质；蠕变、抗伸、抗压、抗剪等力学性质；渗透

系数、空隙率、持水性等输运性质，测量时都具有本身的特殊性。而雩的强度小、松散、易

变等因素对此又有影响，很难测量，因此，应当研制一些适用于积雪研究的实验仪器。

    5．分析方法

    化学分析和物理分析，普遍引用了14C、孢粉分析、光谱分析、原子吸收分光光度计、

中子活化、离子探针、电子探针，萤光分沂、包谱分析、质谱分折，差热分析、偏光结构分

析等分析手段。在积雪研究巾，我们采用以上化学或物理的分析方法对积雪中的微量元素及

微量浓度进行分析，来研究环境污染问题。同时，化学分析、物理分析与电学量测试是研究

积雪薄膜水和相变特征的育力工具。

四、开展应用研究

生产力的发展和社会需求是学科发展的直接动力。随着寒区的开发，许多问题已被提出。

    1．积雪环境与雪资源利用

    积雪区域——生意系统积雪层系统与外界交换能流与物流，以冻结和融化对环境进行

协同性调节。诸如作物保墒、森林分布、动物种群迁徙等寒区生态与环境的演化问题部与

积雪系统的演化密切相关。因此，积雪系统的资源利用也要遵循一定的自然法则。以融雪径

流的成因与时空演化为例进行分析，则可用广义热力学的观点把该问题表述为：通过热力学

判据——超熵产生来判断积雪系统是否退出非线性区，即是否由耗散结构退向平衡结构。我们

对雪水资源的利用准则是力函维持积雪系统的耗散结构状态或阻止其向平衡结构过渡。对处

于近平衡态的线往积雪系统，我们总是顺其自然，促进系统向高熵状态发展，即促进其融化

以利用雪水资源。只有这样才能在保护自然环境的情况下充分合理地利用自然资源。

    2．积雪工程和雪窖治理

    雪崩及风吹雪的防治工作在我国已开展了许多，如天山公路雪窖的工程治理设备种类齐

全、结构合理，且已初见成效。但还有一些雪害，如雪一雨淞对动力输电线的破坏坏、草原牧

场的白害问题、东北雪山森林线退移问题、融雪洪水与农田水土流失等问题，目前尚未得到

充分的治理，因此，在这些方面的工作也应加强。

--摘自干旱区地理1986-第九卷第四期