在极地冰川研究领域，建立了“普里兹湾-艾默里冰架-冰穹A（PANDA）”观测断面和冰穹A地区冰川学综合观测体系，在国际上首次揭示南极冰盖的形成和演化过程；实施冰穹A深冰芯钻探，找到了东南极冰盖小冰期的冰芯证据；构建南极固定翼飞机综合科考系统，伊丽莎白公主地航空调查填补国际空白区，发现了南极第二大冰下湖。
在极地海洋学研究领域，揭示了环流和海洋热通量等要素变化，对海冰和冰架的潜在影响，提高了对极地冰-海相互作用的科学认知；自主研发的“海-冰-气无人冰站观测系统（UNIS）”在北冰洋实现了1年以上连续观测，将作为我国构建极地海洋观测网核心装备，参与北极气候研究漂流观测国际计划。
在极地生物学研究领域，构建了极地微生物菌种资源保藏与研究技术平台，发现并报道了一批微生物新物种及新型活性酶与酶基因，提出了环境污染物全球长距离传输机理与来源解析的一系列新认识。
在极区空间物理研究领域，构建了极隙区空间环境南北极共轭观测体系，研制国际领先水平的钠荧光多普勒激光雷达系统；在极光亚暴发生区建立了中-冰联合极光观测台，获得日侧极光的综合观测分布特征，发现了一类新的极光形态——“喉区极光”；首次获得磁暴袭扰地球期间，极区电离层等离子体云块演化的直接观测证据。
在南极天文研究领域，与中科院紫金山天文台等合作提出国家重大科技基础设施“中国南极昆仑站天文台”的概念方案和项目建议；开展黑洞与星系共同演化研究，发展了一套利用氢和氦元素示踪黑洞周边气体的新方法，首次获得了物质吸入黑洞过程的直接观测证据。
