项目名称全球典型干旱半干旱地区气候变化及其影响首席科学家

项目名称：全球典型干旱半干旱地区气候变化及其影响首席科学家：黄建平兰州大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容1.拟解决的关键科学问题本项目在集成国内外已有研究成果的基础上，围绕全球典型干旱半干旱地区气候变化及其影响这一核心主题开展综合研究，为实现研究目标需要解决的关键科学问题是：(1)全球典型干旱半干旱区年代-百年-千年尺度气候变化的时空特征和关联，及其与大尺度环流变化的关系；(2)影响干旱半干旱气候变化的主要物理和动力过程，尤其是大气环流变化对区域增温的反馈和对干旱化趋势的影响；(3)自然变化（太阳活动、火山喷发）和人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对干旱半干旱气候变化的相对贡献；(4)典型干旱半干旱区社会生态系统脆弱性及其对气候变化的响应机制。2.主要研究内容(1)不同时间尺度干旱半干旱区气候变化的时空特征利用高分辨率气候代用指标，重建中亚和东亚干旱半干旱区全新世气候变化序列；结合精确定年和现代过程研究，定量重建上述地区近两千年来高分辨率干湿变化时空分布；基于气候动力理论研究，结合气候重建和现代综合观测资料，研究典型干旱半干旱区多时间尺度气候变化的空间差异及时空关联，探索其与大气环流变化的联系；探讨全球变暖背景下大气环流的变化及其对北美西部、中亚和东亚干旱半干旱气候的影响。(2)干旱半干旱区陆-气相互作用的地基综合观测和卫星遥感反演选取我国干旱半干旱区多种典型下垫面，进行陆-气能量、水分、物质交换和气溶胶的长期连续观测，并与在北美西部、中亚和东亚干旱半干旱区已完成的与干旱气候研究相关的试验结果进行对比，揭示不同区域陆-气相互作用的特征与差异；利用高质量地基观测数据校准卫星遥感反演模型，建立干旱半干旱区地面近30年辐射收支、感热通量、蒸散发、地表温度、土壤水分和气溶胶等的时间序列，并进行尺度转换，构建网格点上陆-气相互作用的关键参数数据集，为本项目研究提供数据基础。(3)干旱半干旱气候变化的动力学机制将诊断分析与数值模拟相结合，从物理机制入手，探索大气环流变化影响干旱半干旱气候的动力学机制；分析横向环流（西风急流）的波状特性、相关性（正、负相关）及其动力原因，并与纵向环流比较；分析北美西部、中亚和东亚干旱半干旱区云、辐射、降水、蒸发等因素对大气环流变化的响应，探索其对干旱半干旱区气候变化的反馈作用；通过对比分析千年-百年气候模拟结果、气候重建和现代观测资料，评估自然变化（太阳活动、火山喷发）和人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对干旱半干旱气候变化的相对贡献；揭示干旱半干旱气候变化趋势。(4)区域影响和适应对策在上述研究的基础上，选择干旱半干旱区对气候变化响应最敏感的关键指标，构建社会生态系统脆弱性指标体系和量化方法；以我国黄土高原和河西走廊作为典型案例区，对比分析社会生态系统的脆弱性及其对气候变化的响应及差异，评估未来10-50年气候变化可能引发的生态与环境风险，提出气候变化的适应对策。二、预期目标总体目标以全球视野研究干旱半干旱气候变化及其影响，并对未来变化趋势作出准确预测，是我们长期的战略任务和目标。本项目以干旱半干旱区冬季快速增温为切入点，以全球变暖背景下大气环流变化为纽带，以北美西部、中亚和东亚干旱半干旱区为重点，开展干旱半干旱气候变化规律和机理的综合集成研究，取得原始创新性成果，增强中国科学家在全球变化研究中的竞争力，为应对气候变化自主行动提供科学依据。科学目标1.结合气候重建和现代综合观测资料，给出全球典型干旱半干旱区多时间尺度气候变化的时空特征的区域差异和相互关联；2.揭示在全球变化背景下副热带急流位置向极地移动所导致的大气环流变化及其对北美西部、中亚和东亚干旱半干旱气候的影响；3.揭示干旱半干旱区陆-气相互作用的空间差异及其对区域气候的影响，阐明云、辐射、降水和蒸发等因素对区域气候变化的反馈作用；4.揭示干旱半干旱气候变化的动力学机制，探明北美西部、中亚和东亚干旱半干旱区显著增温的物理机制；5.评估自然变化（太阳活动、火山喷发）和人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对干旱半干旱气候变化的相对贡献；6.揭示我国北方干旱半干旱区社会生态系统脆弱性及其对气候变化的响应，评估其面临的全球气候变化风险。国家需求1.提出全球变化背景下国家应对干旱半干旱气候变化的科学对策，为政府决策、国际气候谈判提供科学支撑；2.强化干旱半干旱气候综合观测系统，提供高质量的地面综合观测和卫星反演资料，为气候变化研究提供数据支撑；3.在干旱半干旱气候变化及其影响方面做出国际一流的研究成果，逐步确立我国在该研究领域的国际领先地位。成果表达1.围绕干旱半干旱气候变化及其影响的研究，完成专著1部，在国内外主要学术刊物上发表高质量科研论文120-200篇，其中SCI论文60-100篇；2.建立干旱半干旱气候变化数据库；3.提供国家所需的干旱半干旱地区应对气候变化的社会经济发展战略咨询报告。人才培养1.凝聚和建设一支既能在分支学科和多学科交叉国际前沿进行深入和拼搏，又能为社会经济发展科学决策服务的科研团队；2.培养一批在干旱气候变化研究领域具有国际影响力的青年学术带头人，包括培养国家杰出青年基金和百人计划入选者2-3名，博士50名，博士后10名，硕士50名。五年分期目标(1)第一年度工作任务：采集中亚和东亚干旱半干旱区具有年-年代-百年分辨率的湖泊、树轮和石笋代用资料，收集项目组成员已有的多指标代用资料和合作研究者所能提供的代用资料，建立中亚和东亚干旱半干旱区多指标多时间尺度的代用资料网络；获取过去30年季节性积雪面积、雪水当量和土壤冻融范围资料，初步建立研究区得积雪和冻土时间序列；以兰州大学SACOL站，中科院通榆站，中国气象局兰州干旱所定西站、张掖站为定点观测站，开展干旱半干旱区多种典型下垫面陆-气能量、水分、物质交换和气溶胶的长期连续和加强期观测，验证卫星反演大范围陆-气相互作用的关键参数；分析对比IPCCAR4/AR5多模式在干旱区半干旱区的气候及气候变化的模拟；构建干旱区/半干旱区千年-百年时间尺度的气候模拟试验设计方案，完成FGOALS气候模式的安装调试；筛选指示社会生态脆弱性且对气候变化响应敏感的关键指标，并进行分析。主要考核指标：初步建立中亚和东亚干旱半干旱区多指标多时间尺度的代用资料网络；开展典型干旱半干旱地区陆-气相互作用的观测；完成模式的安装和调试；初步构建社会生态脆弱性的评估指标体系、量化方法和研究框架。发表论文18-38篇。(2)第二年度工作任务：选择中亚和东亚干旱半干旱区部分典型区域的湖泊和石笋等资料以及具有年和年代分辨率的湖泊、树轮和石笋等代用指标网络，通过精确定年和现代过程分析等，恢复典型区域全新世以来气候变化的背景；揭示典型干旱半干旱地区季节性积雪和季节冻土的变化特征及其与全球积雪和冻土变化的相互关联；继续开展干旱半干旱区多种典型下垫面陆-气能量、水分、物质交换和气溶胶的长期连续和加强期观测；完成不同历史时期典型干旱区/半干旱区千年-百年时间尺度的气候模拟，结合IPCCAR4/AR5多模式试验模拟，构建数据集；揭示干旱半干旱区在中世纪暖期、小冰期及20世纪暖期这些时段的气候变化特征；探明典型干旱半干旱气候变化的时空分布特征和关联，及其与大气环流的关系；揭示气候变化对典型案例区林草和农业生态系统初级生产力、荒漠化以及水资源和粮食保障能力时空变化的影响；揭示过去30年案例区经济结构和社会发展应对气候变化的能力；准备项目中期考核。主要考核指标：提供年-百年-千年尺度的气候变化研究资料；基本建立干旱半干旱地区的卫星反演资料集；完成有关模拟试验；对比分析案例区过去30年社会生态系统的脆弱性、演化趋势及其区域差异，揭示气候变化的影响机制。发表相关研究论文27－40篇；完成中期评估总结报告。(3)第三年度工作任务：利用近百年地面温度、气压和降水的观测及各种气象要素的再分析资料和近30年卫星遥感资料，系统分析全球地面温度和降水变化趋势的空间分布和季节性差异；建立30年以来北半球干旱半干旱区积雪面积、雪水当量和冻土的时间序列数据库；将各站点地基定点观测与卫星遥感资料反演结果相结合，通过统计诊断和对比分析等手段，分析干旱半干旱区典型下垫面及整个研究区域的陆-气能量、水分交换的时空变化特征及差异；，利用地基观测校准项目组成员已有的卫星遥感反演模型，结合NOAA、MODIS等国际上已有的近30年卫星遥感产品，建立干旱半干旱区地面近30年辐射收支、感热通量、蒸散发、地表温度和土壤水分以及积雪面积、雪水当量及积雪厚度、近地表土壤冻融循环和NDVI等时间序列;揭示大气环流变化、云-辐射反馈、陆-气相互作用以及地表积雪变化对干旱半干旱气候变化的影响；探讨全球变化背景下大气环流变化对区域增温的反馈和对干旱化趋势的影响机制；区分自然变率特征时段（中世纪暖期及小冰期时段）与人类活动影响时段（20世纪暖期）的气候差别；揭示干旱半干旱区社会生态系统的脆弱性及其区域差异;揭示社会生态系统对气候变化的响应模式与机制。主要考核指标：给出全球典型干旱半干旱区温度和降水的年际变化特征；为干旱半干旱区陆-气相互作用机理及其对区域气候和全球变化的影响与响应提供资料基础；发展和完善干旱半干旱气候变化机理的数值模拟系统；完成有关数值模拟试验；发表学术论文27-42篇。(4)第四年度工作任务：将气候重建资料与现代观测资料有机结合，系统探讨百年-千年尺度全球干旱半干旱气候变化的时空特征及其与大气环流的关系；研究全新世大暖期和中世纪暖期干旱半干旱地区的气候变化特点；评估自然变化（太阳活动、火山喷发）和人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对全球干旱半干旱气候变化的相对贡献；揭示人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对大气环流及辐射收支、云、降水和大气环流等的影响；揭示典型区社会生态脆弱性的变化趋势及其对未来气候变化的响应；揭示气候变化可能引发的风险。主要考核指标：揭示大气环流变化对百年-千年尺度干旱半干旱气候变化的影响；建立典型干旱半干旱气候变化及其影响的评价体系；发表研究论文27-42篇。(5)第五年度工作任务：深化全球典型干旱半干旱气候变化的时空特征研究；深化典型干旱半干旱区陆-气相互作用的时空特征研究；预测未来10-50年不同排放情景下干旱区/半干旱区气候变化趋势，为课题4提供资料基础；评估未来干旱区/半干旱区气候变化趋势的预测结果；提出减轻社会-生态系统脆弱性、规避气候变化风险的对策和建议；提交典型区社会生态脆弱性评价基础数据库；总结项目各项工作进展，整合项目数据库，完成项目结题验收。主要考核指标：完成干旱半干旱气候变化的风险评估报告；发表研究论文21-32篇；汇交项目数据库；完成项目总结报告。三、研究方案1.项目总体学术思路将气候重建与现代观测资料相结合、地面综合观测与卫星遥感资料相结合、诊断分析与数值模拟相结合，以干旱半干旱区冬季快速增温为切入点，以全球大气环流变化为纽带，开展干旱半干旱气候变化规律和机理的综合集成研究，实现项目预期目标。总体学术思路参见图1。图1项目总体学术思路示意图通过气候重建，结合现代综合观测资料，研究全球典型干旱半干旱区多时间尺度气候变化的时空特征和关联，探索其与大气环流变化的联系；利用干旱半干旱区的地基观测资料，校验卫星遥感反演模型，揭示干旱半干旱区陆-气相互作用的时空变化及其对区域气候的影响；重点研究北美西部、中亚和东亚干旱半干旱气候对全球变化的响应，探索大气环流变化对干旱半干旱气候影响的动力学机制；分析上述区域云、辐射、降水、蒸发等对大气环流变化的响应，探索其对干旱半干旱区气候变化的反馈作用；诊断分析和数值模拟相结合，评估自然变化（太阳活动、火山喷发）和人类活动（温室气体、气溶胶及土地利用/覆盖变化）对干旱半干旱气候变化的相对贡献，揭示干旱半干旱气候变化趋势。基于上述研究，从自然环境和社会经济要素入手，构建社会生态脆弱性评价指标和模型，研究我国北方干旱半干旱区社会生态系统对气候变化的响应，及其面临全球气候变化的风险，提出