冰雪圈

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強度的主要因素[2]。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[3]。

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[4]。

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[5] 。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[6]。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[7]。

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