冰冻圈是气候系统的重要组成部分,在全球气温升高的影响下,冰冻圈发生了显著的变化。根据IPCC第五次评估报告,未来全球气温将继续升高,冰冻圈也会随着发生变化。本文通过利用CMIP5模式模拟结果和数值模型,对21世纪不同时期(初期：2016-2035,中期：2046-2065,末期：2080-2099)北半球冰冻圈主要分量积雪、冻土及寒区生态系统的净初级生产力的时空变化进行预估,并探讨了其变化的可能机制。CMIP5多模式集合结果表明21世纪北半球大部分地区雪水当量呈现减少的趋势,尤其在青藏高原和北美减少最显著,在西伯利亚是增加的；在RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5三种情景下,年平均雪水当量的绝对变化在高纬度较显著,而相对变化却在低纬度较显著,这和低纬度地区强降雪事件的减少有关;在季节变化上,雪水当量在三种排放情景下也呈现减少的趋势,雪水当量的绝对变化在冬季较显著,而相对变化却在夏季较显著；5月份以前,北半球陆地雪水当量的减少主要和降雪减少有关,5月份以后累积降雪的减少是雪水当量减少的主要因素；空间上,西伯利亚地区降雪的增加是3月份平均雪水当量增加的主要贡献者,而在青藏高原、北美和欧洲西部增加的春季较早的积雪融化是雪水当量减少的主要因素。基于改进的Kudryavtsev模型和全球高分辨率的土壤湿度资料(GLDAS),对21世纪北半球多年冻土的范围和活动层深度进行了估算。结果表明,21世纪北半球多年冻土的范围呈减少的趋势。在RCP2.6和RCP4.5情景下,多年冻土范围的变化不显著,在RCP8.5情景下,尤其在21世纪末期,大范围的多年冻土将完全退化,只在加拿大极区、俄罗斯北部和青藏高原腹地存在多年冻土。而活动层深度呈现出增加的趋势,且在青藏高原增加最显著。以青藏高原、欧洲和北美为三个典型多年冻土区,研究了上壤湿度、积雪深度和年平均气温对活动层深度变化的相对贡献。结果表明,在1986-2005年,土壤湿度只在青藏高原上对活动层有显著贡献,积雪深度只在欧洲对活动层有显著影响,而年平均气温在三个多年冻土区对活动层都有显著作用。相对于1986-2005年,21世纪不同时期不同排放情景下活动层深度呈增加趋势,但土壤的水热机制存在显著的区域差异性。在RCP4.5和RCP8.5排放情景下,在青藏高原活动层深度的变化主要受到气温的影响,而土壤湿度和积雪深度的显著影响只发生在中低排放情景下。在北美,年平均气温仅在RCP2.6和RCP8.5情景下对活动层有显著的影响。随着气温的升高,积雪开始融化,使得积雪对活动层的影响在逐渐减弱。在欧洲,由于受到地中海气候的影响,土壤的水热机制完全不同于青藏高原和北美。除了在1986-2005年积雪深度和年平均气温对活动层深度有显著的影响外,在21世纪,积雪深度、年平均气温和土壤湿度对活动层的影响逐渐减小。总体来看,21世纪活动层深度仍然主要受到温度的影响,随着温度的升高,积雪深度和土壤湿度对活动层的贡献逐渐减小。随着气候的变暖,多年冻土的热状况也呈现出显著的响应。21世纪北半球多年冻土年平均地温呈增加趋势,零较差深度呈减少趋势,尤其在西伯利亚、青藏高原、加拿大极区和阿拉斯加多年冻土对气候变化的响应最显著,在RCP8.5情景下热状况的变化要比在RCP2.6和RCP4.5情景下显著；而且21世纪多年冻土以低温多年冻土的变化为主；多年冻土零较差深度和年平均地温的显著变化主要是冬季(尤其是1月份)升温的效应。在气候变暖的背景下,北半球陆地生态系统也发生了显著地变化。相对于1986-2005,21世纪北半球中高纬度陆地NPP呈增加趋势,RCP8.5情景下NPP的增加比RCP2.6和RCP4.5情景下更为明显；在季节变化上,北半球中高纬度NPP也呈现出增加趋势,且NPP在夏季、尤其是6月份增加最显著；NPP对气候变化的响应存在明显的区域差异性,在中低排放情景下(RCP2.6,RCP4.5),相对于1986-2005年,21世纪北半球中高纬度地区温度显著影响的范围逐渐缩小,而辐射和降水显著影响的范围逐渐扩大。在高排放情景下(RCP8.5),21世纪北半球中高纬度地区温度是NPP变化的主要因素。