干旱半干旱区年代尺度干旱的形成及影响
干旱，自古以来就是人类面临的主要自然灾害之一。即使在科学技术如此发达的今天，干旱仍然会造成严重的灾难性后果。而且，随着经济发展和人口增加，水资源短缺现象日趋严重，这也直接导致了干旱地区的扩大与干旱化程度的加剧，干旱化趋势已成为全球科学家关注的问题。
占世界陆地面积45%的干旱半干旱区是全球变化最敏感的地区之一。过去100年，年代尺度干旱是干旱半干旱地区的主要气候特征，由此导致的荒漠化扩张、水资源匮乏、生态系统退化已对人类社会可持续发展构成了严重威胁，干旱半干旱地区已成为全球变化研究领域所关注的关键地区之一。在中国，占国土面积42%的干旱半干旱地区集中了全国大多数的贫困人口，在粮食生产中占有重要位置，持续干旱已严重影响了当地的粮食和水资源安全，是政府经济建设所关注的地区，其气候和生态问题也一直是科学家们长期研究的一个重点。
迄今，对北非、北美、澳洲及亚洲干旱问题的研究多半是孤立的，或者仅有现象上的联系，缺乏从全球视野来研究区域之间内在的本质联系以及区域差异的机理；从时间尺度上，过去有关干旱半干旱地区气候变化的研究主要着眼于年际尺度及其长期趋势，而与区域可持续发展密切相关的年代尺度气候变化问题的研究却是一个薄弱环节。与此相关，亟待解决的关键科学问题是：■干旱半干旱地区年代尺度气候变化的规律和机理，特别是其全球图像；■人类活动（如土地利用/覆盖变化）在年代尺度干旱形成过程中的作用；■干旱半干旱区未来10～30年气候变化的预测及其对生态系统和水资源的影响。对这些问题的准确回答是区域经济和社会可持续发展的战略需求，同时也是全球变化区域研究所关注的焦点，具有重要的科学意义和应用前景。
由中国科学院大气物理研究所主持的全球变化研究国家重大科学研究计划项目“全球典型干旱半干旱地区年代尺度气候变化的机理及影响研究”拟以北美、北非、亚洲和澳洲的干旱半干旱地区年代尺度干旱为研究对象，针对年代尺度气候变化机理和预估研究这个薄弱环节，从全球尺度认识典型干旱半干旱区年代尺度气候变化的机理及影响；定量估算年代尺度气候变化中自然过程和人类活动影响；系统评估年代尺度气候变化影响下的干旱半干旱地区生态系统和水资源脆弱性及所面临的风险，为年代尺度气候预测和人类活动有序开展及区域可持续发展提供科学依据。
项目共设4个课题：
年代尺度干旱的全球图像及其动力学机制研究；
典型干旱半干旱地区地气相互作用的对比研究；
人类活动对典型干旱半干旱地区年代尺度气候变化的影响；
干旱半干旱区生态系统和水资源脆弱性评估及风险预估。
研究队伍由中国科学院大气物理研究所、兰州大学、中国科学院新疆生态与地理研究所、中国农业大学、中国科学院地理科学与资源研究所和中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所6家单位组成。
通过近5年的实施，项目在年代尺度干旱的全球图像、干旱半干旱区陆气相互作用对年代尺度气候变化的影响、人类活动对干旱半干旱区气候变化的影响及干旱半干旱区年代尺度干旱对生态系统和水资源系统的影响等多个方面取得了一系列的重要进展。突出的成果主要体现在以下几个方面。
年代尺度干旱的全球图像及动力学机制：项目整合了多种古气候代用指标及算法，构建了亚洲地区干旱格点数据集程序库，并建立了亚洲地区过去500年的sc-PDSI格点数据集；揭示了历史时期中国东部旱涝多年代际变化特征及其与太平洋年代际振荡（PDO）的关系；给出了近60年全球陆地降水长期变化趋势的分布格局和总体演变特征；发现PDO和大西洋海温多年代际振荡（AMO）对全球陆地降水，尤其是干旱半干旱区的年代尺度降水的变化具有显著的调制作用；揭示了中国东部地区“南涝北旱”的动力学机制及其PDO和AMO对“南涝北旱”调制作用的季节性特征。
干旱半干旱区地-气相互作用对年代际气候变化的作用：项目基于干旱半干旱区陆面过程的协同观测、卫星遥感、实验观测及再分析数据，构建了用于地气相互作用的陆面过程的干旱多源数据库；分析了地气相互作用的特征及新的变化，并厘定了干旱半干旱区陆面过程的关键参数；完善了陆面过程参数化并发展能用于干旱半干旱区的陆面模式；利用发展和完善的陆面过程模式对中国50多年的陆面过程演变进行了数值模拟研究；给出了中国区域土壤湿度的时空分布。
人类活动对典型干旱半干旱地区年代尺度气候变化的影响：项目在系统评估了国际耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）多模式模拟性能的基础上，应用多模式单因子强迫历史气候归因试验定量评估了温室气体、气溶胶和大尺度土地利用等对全球典型干旱半旱区气候变化的影响。人类活动可解释近几十年增暖的90%以上，而降水的长期变化仍然是气候系统内部变率的结果；温室气体在干旱半干旱区增暖、变湿的贡献要远强于土地利用。增暖背景下全球陆地仍然呈现“干愈干、湿愈湿”分布特征，未来干旱事件仍然趋多、趋强，特别是在很多干旱半干旱地区，极端干旱发生的频率会增加2～3倍，而中国北方则是微弱变湿的倾向。项目构建了新的动力和统计降尺度方法以及年代际气候预测的统计预报模型，为年代际气候变化的检测归因以及预测研究提供了重要科学工具。
干旱半干旱区生态系统和水资源脆弱性评估及风险预估：理清了变化环境下脆弱性、风险以及风险管理的系统互动关系，提出了气候变化背景下两类系统脆弱性评估、风险预估及风险管理的理论与方法；对比分析了新疆天山南北坡典型流域水资源变化特征及其对气候变化的敏感性，发现中天山南坡的河流对降水的变化更敏感，而中天山北坡的径流对气温的变化更敏感的规律；改进了水资源抗压性和脆弱性计算方法，拓展了Copula函数在干旱危险性分析中的应用，提出了耦合脆弱性、暴露度和危险性的水资源综合风险评估方法；基于年代际气候变化下西北地区流域水资源的风险预估结果，提出了水资源管理对策与建议，其中针对塔里木河流域的水资源风险应对建议被国务院办公厅采用；提出了农田和草地生态系统脆弱性评估与风险预估方法，探讨了年代际气候变化背景下内蒙地区农牧业适应对策及中国干旱半干旱区农业发展所带来的环境效应，并提出了相应的对策建议，其“旱作农业关键技术与集成应用”成果获国家科学进步二等奖。
致谢：感谢国家重大科学计划全球变化研究项目“全球典型干旱半干旱地区年代尺度气候变化机理及其影响研究”（项目编号：2012CB956200）的支持。
马柱国：研究员，博士生导师，中科院特聘研究员/中国科学院大学岗位教授。中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室主任，全球变化国家重大研究计划“973”项目首席科学家，国家重点研发计划《全球变化及应对》项目首席科学家，国家自然科学基金委重点基金负责人。
左宏超：兰州大学。
赵天保：中国科学院大气物理研究所。
王权：中国科学院新疆生态与地理研究所。
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