项目名称：
北方干旱化与人类适应
首席科学家：
符淙斌 中国科学院大气物理研究所
起止年限：
2006.1至2010.12
依托部门：
中国科学院
一、研究内容围绕上述国家重大需求，本项目拟解决的关键科学问题是“人类活动与干旱化相互作用”。提出这个问题的实质是要深入研究干旱化形成和发展的机理，定量地区分自然过程和人类活动（包括温室效应引起的全球增暖和区域尺度土地利用引起的地表生物地球物理／化学过程的变化等）在干旱化形成和发展中的作用，为干旱化发展趋势以及阶段性转折或突变的预测、影响评估和适应对策研究提供科学基础。
围绕上述关键科学问题，拟开展的主要研究内容是：
（1）干旱／半干旱区大气过程、地表过程及其与人类活动相互作用的研究。其任务是通过干旱／半干旱不同土地覆盖／利用条件下，大气和地表过程的强化观测试验以及相关遥感信息和模拟的综合集成分析，揭示北方干旱／半干旱区环境系统的基本性质。它包括了作为整体的环境系统中水、土、气、生各组成部分之间的相互作用，能量、水分及其它物质的交换，以及发生在该系统中生物、物理和化学过程之间的相互关系和人类活动（包括土地利用和水资源利用）与区域环境系统相互关系的研究，这是认识干旱化形成机理的基础性研究；
（2）干旱化发展趋势、阶段性转折或突变规律及可预测性研究。进一步研究这一特定地区生存环境变化的规律，重点研究转折和突变信号的检测，突变和转折发生的时空规律及其驱动因子，包括自然因子、全球增暖和区域尺度人为因子的可能触发作用以及探讨这一类突变或转折的可预报性，它们是未来干旱化趋势及转折或突变预测的理论基础；
（3）干旱化及其阶段性转折对我国粮食、水和土地资源安全的影响及适应对策研究。未来干旱化的发展方向，包括继续干旱化的趋势或可能发生阶段性转折或突变将会产生什么影响，人类又如何采取应对战略措施呢？将重点研究各种可能变化情景及转折和突变条件下粮食产量、水资源供需能力和土地资源利用格局的综合影响评估以及从调整社会经济结构、政策和法律等方面的综合措施来适应或减缓干旱化带来的不利影响的对策研究，它们是本项目为国家目标服务的更直接的知识基础；
（4）地球系统亚洲区域模式的发展及其在干旱化趋势和阶段性转折或突变预测、影响评估和人类适应对策中应用的研究。为了对干旱／半干旱区的区域环境系统及其与全球变化的联系进行综合集成研究，提供客观、定量研究的工具，将在《G19990434》项目已经建立起来的区域环境系统模式的基础上发展成为一个地球系统亚洲区域模式，这个模式将包括环境系统的各个主要组分和主要的物理、化学和生物过程以及描写人类活动的社会经济发展模式等，逐步实现这些组分和过程的耦合。同时还将发展一种基于系统动力学的中等复杂程度的地球系统区域模式，探索地球系统模拟的新途径。通过这些模式系统的发展、检验和数值模拟试验，将用于干旱化机理、趋势预测、影响评估和适应对策的综合集成研究。
二、预期目标围绕上述国家重大需求和关键科学问题的研究，本项目原则上将继续为实现《G19990434》项目的总体目标而努力。
总体目标：以全球变化和地球系统科学理论为指导，揭示我国生存环境长期变化的规律和机理，发展区域环境系统变化的理论和方法，为北方干旱化的预测、影响评估和对策建议提供科学基础，并为国家在工农业发展布局和生态环境建设规划方面的宏观决策提供知识基础。同时，在亚洲季风—干旱环境系统与全球变化相互作用的前沿领域作出新的贡献，保持和发展在这一领域已经确定起来的优势地位。
五年预期目标：
揭示我国北方干旱化发展中大气物理／动力过程、地表生物地球物理（水文）／化学过程和人类活动相互作用的基本规律，取得在干旱化形成机理方面的原创性研究成果；
揭示干旱化发展趋势、阶段性转折或突变的基本规律，分析其驱动机制，提出相应的可预测性理论和方法；
初步建成能描写物理、化学、生物和人文过程相互作用的地球系统亚洲区域模式，并用于改进干旱化预测、影响评估和人类适应综合集成研究；
培养一批能扎扎实实为国家需求作贡献，又有原始创新思想的中青年科学家，在国际科学舞台上确立应有的地位。
三、研究方案根据项目的总体目标和研究内容、本项目的总体学术思路是，把北方干旱化与人类适应问题作为全球变化的区域响应和适应问题研究的一部分。
项目将在前期工作的基础上，加强原始创新研究的力度，把研究工作的重点从以干旱化发展规律研究为主转入以干旱化形成机理研究为主的新阶段，集中优势力量强化对干旱/半干旱区大气过程、地表过程、生态过程及其与人类活动相互作用的长期连续观测实验和理论研究；在干旱化规律研究中，着重对阶段性转折和突变规律的研究。同时，发展能综合描写物理、化学、生物和人文过程及其相互作用的地球系统亚洲区域模式，进行干旱化机理、预测、影响评估的综合集成研究，在更坚实的基础上，为国家重大需求作出贡献。
根据地球系统科学的综合和集成思想，首先在科学上重点探索人类活动对干旱化的影响机理，以不同地区和不同人类活动（土地利用）条件下的地气交换通量的强化连续观测实验为基础，结合卫星遥感和其它环境信息资料、比较全球CEOP观测网半干旱区站点的通量实验资料和气候模式模拟，从地气物质、水、能量交换等方面揭示人类活动影响北方干旱化的机理；以典型区域的生态水文观测实验为基础，结合遥感信息和生态－水文模式模拟，揭示人类活动影响北方干旱化的生态－水文机制；通过高分辨率代用和器测资料的分析、比较和综合集成，探讨北方干旱化转折和突变的可预报性。根据以上机理及有关可预测性研究，提出北方干旱化发展趋势、阶段性转折或突变的可预测性理论，对干旱化对我国粮食安全、水安全和土地资源安全的影响作出客观评估并提出相应的社会经济适应对策。最后，以已经建成的区域环境系统模式为基础，综合集成上述认识，建成地球系统亚洲区域模式，为干旱化预测、影响评估和适应对策研究提供有效的数值试验工具，并为地球系统科学研究作出贡献。
与国内外同类研究相比较，本项目完全不同于目前仍然存在的单学科的干旱化研究，如气候学对降雨量的研究、水文学对径流和水资源的研究以及农业干旱的研究等，而是采用地球系统科学的学科交叉、集成的思路，组织大气科学、地理学、地球环境科学、生态学、经济学和水文学等自然科学和社会科学研究队伍进行多学科交叉研究，将高分辨率古环境信息与现代器测信息相结合，将定点地气通量实验和生态水文实验分析、遥感信息及与全球范围内多站对比相结合，将统计分析和数值模拟技术相结合，实现对人类活动影响下的北方干旱化变化规律和机理的综合集成研究。
拟采取以下主要技术途径：
通过在我国半干旱区开展的不同土地利用条件下地气物质、水分和能量交换通量观测实验，生态水文实验，获得高质量的长期连续观测资料，结合遥感信息和其它器测资料、应用大气动力模式和生态水文模式探索人类活动对北方干旱化影响的机理，并为地球系统区域模式的建立提供关键参数、初始场和相关过程模块；
充分利用我国丰富的高分辨率环境信息资源，发展高精度的定年技术、信息提取技术和非线性数据分析技术，结合器测气象和其它环境资料，通过数值模拟试验，研究北方干旱化的发展趋势、阶段性转折或突变的机理和可预测性；
充分利用我国主持的季风亚洲区域集成研究国际计划（MAIRS）和参加国际协同强化观测计划（CEOP）的机会，通过数据交换，获得大量的国外半干旱区地气通量强化观测资料，结合当地人类活动和自然环境状况，通过比较分析探索干旱化与人类活动关系的格局、机理和发展趋势；
通过发展现有的水分驱动的土地利用模式、作物模式等数值模型，在项目对北方干旱化趋势预测情景下，研究社会经济、土地利用和作物产量所受到的影响，提出区域产业结构调整、土地利用格局、粮食生产的适应对策；
以区域环境系统模式RIEMS为基础，发展新的模块耦合技术，实现区域模式与生态、水文、气溶胶、冻土、雪盖、土地利用、社会经济、人口、影响评估等模块的耦合，建成高分辨率的地球系统亚洲区域模式，为北方干旱化的预测、影响评估和适应对策的研究提供数值试验平台。
根据本项目的科学积累、学术带头人的水平、开展学科交叉研究的经验、国际合作中的地位和作用，以及前期《G19990434》项目5年来的实施效果看，完全有可能按照项目的总体思想和技术路线，开展项目所规定的各项研究内容，实现预期目标。理由如下：
本项目拥有从事地球环境研究的优秀科学家，他们有研究生存环境长期变化的丰富经验，所属研究单位具有先进的环境信息的提取设备和分析技术，为高分辨时空演变模型建立提供了技术保障；
本项目拥有从事各类生存环境模式的研制和试验研究的优秀科学家，已经发展了各类获得国际学术界承认，并被证明是优秀的生态模式、陆面过程模式、水文模式、植被大气相互作用模式和适合于东亚区域环境系统的集成模式，并拥有运行这些模式的丰富经验，是国内具有开展定量集成分析能力的实力雄厚的研究队伍；
本项目拥有一批从事遥感、生态、水文和大气边界层观测实验研究的优秀科学家和经验丰富的实验技术人员，他们也是参与我国生态系统研究网络、对地观测、边界层观测实验网、生态水文实验工作的主要力量，并且可以充分运用网络观测台站的仪器设备和历史资料、组织场地实验研究；
领导着季风亚洲区域集成国际合作研究计划（MAIRS）和参与协同强化地气观测计划（CEOP）等其它国际计划，可以交换获取大量的实验观测资料和开展实质性国际合作研究；
本项目拥有一批从事非线性动力学理论及其应用研究的科学家，在区域环境变化的预测理论以及环境预测、环境突变和极值研究方面积累了丰富资料和经验；
尤其重要的是，上述各方面的研究力量在过去和现在有着良好的合作关系，建立了共同语言。他们共同努力开创了我国全球变化的研究新领域，共同组织项目开展交叉学科的研究，其中包括彼此交换培养博士生、博士后，举办多学科的学术交流活动等，特别是在“八五”、“九五”两次攀登计划和973计划项目中的成功合作，为进一步开展更深层次的学科交叉和综合集成研究提供了良好的条件。
四、年度计划年度
研究内容
预期目标
第
一
年
1 开展本项目设计的陆气交换过程、大气过程、生态、水文等过程的长期连续强化观测实验；
2扩展和完善本项目的数据库系统，包括卫星遥感数据、陆气交换实验观测数据、模式输出数据、台站气象、水文和土壤湿度数据、再分析资料、土地覆盖、社会经济资料和国内外模式并进行整理和初步分析；
3 干旱化特征、其生物物理/化学、气候、水文、人文因素及影响过程规律和驱动因子的初步分析和建模；
4 地球系统区域模式主要模块的改进和发展。
1 获取高质量的陆气交换、大气、生态、水文过程的长期连续强化观测实验数据；
2扩展和完善本项目的数据库系统；
3 初步揭示半干旱区不同下垫面地表大气间水分、物质和能量交换和动力学特征
4 初步完成地球系统区域模式的总体设计和几个主要模块的构建
5 完成论文23-29篇，其中SCI（E）论文7-10篇。
第
二
年
1继续开展本项目设计的陆气交换过程、大气过程、生态、水文等过程的长期连续强化观测实验，并继续扩充本项目数据库系统；
2开展干旱化的自然和人文过程的比较研究，包括国内外典型半干旱区间的比较；
3地球系统区域模式主要模块的改进、发展和耦合及其数值模拟实验；
4完成项目的中期检查和评估报告。
1获取高质量的陆气交换、大气、生态、水文过程的长期连续强化观测实验数据；
2 初步揭示：各典型半干旱区的干旱化特征；2000年来北方干旱化、阶段性转折和突变的基本事实和规律；
3 初步建立：耦合了人文过程的地球系统亚洲区域模式；
4 完成论文46-60篇，其中SCI（E）21-29篇，并向有关方面提供咨询报告1－2篇。
第
三
年
1继续开展本项目设计的陆气交换过程、大气过程、生态、水文等过程的长期连续强化观测实验，并继续扩充本项目数据库系统；
2开展国内外典型半干旱区干旱化与其对应的生物物理/化学、气候、水文和人文因素的综合集成分析及机理研究；
3区域环境系统集成模式向地球系统区域模式转化的耦合方法研究；
4 干旱化趋势、阶段性转折或突变及其影响的可预报性研究和适应对策。
1获取高质量的陆气交换、大气、生态、水文过程的长期连续强化观测实验数据；
2 初步揭示：全球变暖对北方干旱化的影响和北方干旱化对其主要驱动因子和响应机理；典型站点土地利用变化对干旱化的影响的相对贡献；
3提出:干旱化对研究区粮食、水资源、土地资源安全的影响评价结果;适应干旱化发展的区域产业用水定额和土地利用优化调整方案；
4 初步建立：通用耦合器模块和地球系统亚洲区域模式；中等复杂程度的地球系统模式；
5 完成论文44-58篇，其中SCI（E）19-27篇。
第
四
年
1继续开展本项目设计的陆气交换过程、大气过程、生态、水文等过程的长期连续强化观测实验，并继续扩充本项目数据库系统；
2北方半干旱区干旱化的机理研究，包括研究大尺度强迫因子（包括季风、大尺度水汽输送和中高纬度定常波异常）和敏感性参数变化与初始扰动（如人类活动影响）与干旱化转折或突变相联系的物理过程及其可预报性研究；
3地球系统亚洲区域模式和中等复杂程度的地球系统模式的发展和验证和校准；
5 干旱化、阶段性转折或突变对土地资源安全、水资源安全和粮食安全的影响和适应对策研究。
1获取高质量的陆气交换、大气、生态、水文过程的长期连续强化观测实验数据；
2 初步揭示：北方干旱化趋势、阶段性转折或突变的机理（包括人文因素、水文、大尺度强迫和土地利用等）；
3提出:干旱化转折或突变对粮食、水资源、土地资源安全的影响评价结果和适应对策；
4 完善：地球系统亚洲区域模式；中等复杂程度的地球系统模式；
5 完成论文40-50篇，其中SCI（E）17-23篇。
第
五
年
1继续开展本项目设计的陆气交换过程、大气过程、生态、水文等过程的长期连续强化观测实验，并继续扩充本项目数据库系统；
2 干旱化、转折或突变机理和可预报性的综合集成研究；
3干旱化趋势、阶段性转折或突变及其影响和适应对策研究。
4地球系统亚洲区域模式和中等复杂程度的地球系统模式发展、验证、校准和在干旱化趋势预测、影响评估、适应对策方面的应用研究；
5 项目总结和验收。
1获取高质量的陆气交换、大气、生态、水文过程的长期连续强化观测实验数据；
2 提出：干旱化趋势、阶段性转折或突变及其影响的机理和可预报性；
3提出:干旱化、阶段性转折或突变对粮食、水资源、土地资源安全的影响评价结果;适应干旱化发展的区域产业用水定额和土地利用优化调整方案；
4 建立：地球系统亚洲区域模式；中等复杂程度的地球系统模式及其配套的参数系统和资料系统；
5 完成论文44-60篇，其中SCI（E）20-27篇，咨询报告2－3篇。