项目名称亚洲中部干旱区多尺度气候环境变化的特征与机理Word文件下载.docx

1、程国栋中国科学院西北生态环境资源研究院（筹）寒区旱区水资源、冰冻圈科学亚洲中部干旱区是全球最大的非地带性干旱区，也是绿色丝路建设的核心区域；水是干旱区的命脉，要真正理解全球变暖背景下该区域水资源的现代变化和未来趋势，亟需厘清其在过去不同时间尺度上的变化特征及机理。项目组聚焦亚洲中部干旱区一万年来气候和环境演变规律，系统研究了该区域多尺度气候变化驱动机制，取得了一系列创新性成果：1. 根据全新世亚轨道尺度湿度变化过程的重建结果，发现了亚洲中部干旱区具有显著有别于季风区的降水/湿度变化特征，提出气候变化“西风模态”的理论框架。2. 通过对过去千年高分辨率气候变化记录重建并结合器测资料分析，论证了气

2、候变化“西风模态”在短尺度上的适用性。3. 基于气候模拟和再分析数据揭示出，在多千年尺度该模态源于气候系统外部驱动（太阳辐射）变化，而在年代际-百年尺度该模态主要由气候系统内部变率所导致。此项研究8篇代表性论文发表在QSR、GRL、NCC、CD等国际地学/气候学顶级学术刊物，获得国内外同行的高度关注和评价，其中3篇入选ESI前1%高被引论文；被SCI总引922次，他引707次；相关成果获省部级科技奖4项（含一等奖3项）。项目对干旱区科学基础研究具有重要的理论价值，将为“一带一路”沿线地区以水资源管理和配置为核心的绿色发展提供重要的科学支撑。3. 姓名：傅伯杰中国科学院生态环境研究中心综合自然地

3、理学季风-干旱环境构成了中国的总体气候格局，过往的气候变化研究集中在季风区开展，干旱区的工作相对薄弱，实际上成为我国过去全球变化研究的瓶颈问题。陈发虎领衔的团队常年扎根西北，对亚洲中部干旱区气候环境变化规律及其与季风区的异同进行了整体性的系统探索，成为现代地理学“格局-过程”综合研究的一个典范：1. 发现了中纬度亚洲全新世气候和环境变化存在东-西向空间差异，提出西风控制下的亚洲中部干旱区存在不同于东部季风区的湿度/降水变化模态。2. 研究了过去千年特征时期（中世纪暖期、小冰期和现代暖期）中纬度亚洲的水文气候变率，论证了气候变化“西风模态”也存在于百年-年代际尺度。3. 揭示了在不同时间尺度“西

4、风模态”产生的动力过程，系统建立了“西风模态”从事实到机理的理论框架模型。项目8篇代表性论文发表在包括Nature子刊在内的国内外重要刊物，被SCI总引922次，他引707次，相关成果获省部级科技奖4项（含一等奖3项）。该研究推动了对我国气候环境空间分异的认识从“静态”上升到“动态”层面，不仅实现了在地理学经典的空间思想指导下对古气候学和全球变化科学的丰富和发展，对“一带一路”倡议顺利实施所依赖的国家宏观战略制定也具有重要的参考价值。提名该项目为国家自然科学二等奖。项目简介：本项目属于地理学研究领域。探讨不同环流系统控制区气候环境变化的时空特征及其机理，是当前全球变化研究亟待解决的重大科学问题

5、。季风环流主控的亚洲东-南部湿润区和西风环流主控的亚洲中部干旱区构成了中国及周边的气候环境总格局，提供了解决上述科学问题的天然试验场。其中，亚洲中部干旱区是世界上最大的非地带性干旱区，也是绿色丝路建设的核心区域。然而，对该区域现代间冰期多尺度气候环境变化过程和机理，及其与东部季风区的异同尚缺乏系统研究。研究团队通过开发和集成亚洲中部干旱区高质量气候环境代用记录，整合模拟结果、观测数据以及再分析资料，并与东部典型季风区同期气候环境变化进行综合对比，将季风-干旱环境作为一个整体来考虑，取得了系统性原创成果：1. 发现了西风区具有早全新世干旱、中晚全新世相对湿润的气候变化特征，提出在亚轨道尺度上该区

6、域存在显著不同于季风区的气候变化“西风模态”。2. 查明了过去千年特征时期西风亚洲与季风亚洲水文气候变率的空间格局，论证了“西风模态”在百年-年代际时间尺度的适用性。3. 揭示了多尺度气候变化“西风模态”形成的物理机制，阐明气候系统外部驱动和内部变率分别在亚轨道尺度和年代际-百年尺度“西风模态”形成中起主导作用。项目揭示出西风-季风主控区域不仅具有“静态”上环境状况（干旱-湿润）的显著差异，而且表现出“动态”上气候变化的不同特征，代表了在地理学空间思想指导下对全球变化科学的丰富和发展。项目将干旱区气候变化机理研究拓展至高-中-低纬和海-陆-气耦合框架下的多尺度和多动力因子研究层面，对构建干旱区

7、气候变化理论有重要贡献。项目聚焦于人类文明勃兴的全新世，该时段内短尺度气候环境变化与社会经济发展有直接关联，对其规律的深入理解可为干旱区未来的生态恢复和环境整治、特别是“一带一路”倡议的顺利实施提供科学支撑。项目成果引领了中纬度亚洲多时空尺度气候环境变化及相关研究的发展：“全新世气候变化的西风模态”成为包括美国AGU会士Overpeck J.T.、GSA会士Quade J.等在内的著名地球科学家开展亚洲中部及其周边区域研究时普遍接受的基础性观点；被著名人类学与考古学家、英国学术院会士Harris D.R.在其专著中完整引用，作为中亚考古研究的环境背景。“百年-年代际尺度亚洲水文气候变率的空间格

8、局”被Nature论文用作中世纪暖期和小冰期北半球气候变化空间分异的重要证据。“不同时间尺度西风模态产生的驱动机制”被Nature Geoscience、Nature Climate Change、Nature Communications、PNAS等权威刊物论文多次引用，作为亚欧大陆多时间尺度上环境演变特征的机理解释。项目是近20年来研究团队相关成果的系统总结，在Nature Climate Change、Quaternary Science Reviews、Climate Dynamics、中国科学等刊物发表论文200余篇（SCI论文100余篇），被SCI总引4600余次。8篇代表性论文被

9、SCI总引922次，他引707次，最高单篇他引274次；其中3篇入选ESI前1%高被引论文。研究团队入选国家创新群体并获得三期连续资助，陈发虎获选中国科学院院士和第三世界科学院院士。客观评价1、对亚洲中部干旱区全新世气候变化“西风模态”的评述：国内外知名学者和机构普遍将“西风模态”作为一个基础性理论，如：AGU和GSA会士Quade J.（Geology, 2013）、德国柏林自由大学Thomas Mlg（Nature Climate Change, 2014）等著名地球科学家开展的亚洲中部及其周边区域研究；中国科学报2014年12月30日发表的题为“证实全新世存在西风模式”的报道。著名人类学

10、与考古学家、英国学术院会士Harris D.R.在其专著Origins of Agriculture in Western Central Asia（2010）中评述，“Chen等（2008）的综合性比较分析确认和阐明了中亚干旱区气候最宜期的发生，与其他该区域全新世气候变化研究具有整体上的一致性。”并完整引用作为中亚考古研究的环境背景。美国科学院院士、AGU、地球化学会士Lawrence Edwards以及AGU会士、国际知名地球科学家程海在Nature杂志旗下期刊发表关于中亚轨道-千年时间尺度气候变化文章（SR，2016）中引用“西风模态”作为区域气候对比的基础，并基于此在一定程度上修正了对

11、干旱区全新世石笋氧同位素记录环境指示意义的理解。德国波茨坦地球科学中心Herzschuh U.教授（Earth-Science Reviews, 2010）在对全新世季风演变与中亚干旱区关系综述时，将代表性论文（Huang et al., 2009）的全新世湿度演化序列选为代表性序列，来进行亚洲中部干旱区全新世湿度演化集成研究，并在文中多处引用代表性论文（Chen et al., 2008）的结果。2、对过去千年特征时期亚洲水文气候变率空间格局的评述：美国科学院院士，哈佛大学人类学系史前考古学教授Ofer Bar-Yosef在研究东西亚地区气候波动与早期农业发展时（Current Anthro

12、pology, 2011）评述，“更频繁的干旱事件也被Li等（2006）在天山地区的树轮所记录”。著名树轮气候学家、亚利桑那大学树轮实验室主任David Frank在国际顶尖杂志（Nature, 2016）综述过去1200年北半球水文气候变化时评述，“这种现象（反相水文气候条件）在地中海东部和西部、美国西南部和西北部以及中国东部和青藏高原这些相同的地区基于器测和一些代用指标阶段在其他研究中（Chen et al., 2015）报道过”。印度德里大学前副校长、法国学术勋章奖（Order of Academic Palms）获得者Tandon S.K.对代表性论文（Chen et al., 201

13、5）评述，“我们的研究认可Chen等（2015）合成的最新的中国及其周边地区过去千年降水记录的工作，我们的研究和Chen等（2015）研究提供了亚热带亚洲地区过去千年水文气候变化方面的全面概述”。国际著名历史学家、俄亥俄州立大学历史学研究中心主任John Brooke教授在由剑桥大学出版社出版的专著Climate Change and the Course of Global History（2014）中引用代表性论文（Chen et al., 2010）中西风区过去千年干湿变化的集成曲线及观点“总体而言，中国和中亚在中世纪暖期及其后的小冰期经历了不同的气候状况：中国在14世纪之前季风降水丰沛

14、，而与之相对，对过去1000年中亚干旱区的分析显示1350之前该区域气候干旱，最湿润时期出现在1550-1750，由大西洋西风的南北摆动所导致”，作为该区域人类发展史的气候背景。我国湖泊沉积研究学术带头人中科院湖泊所沈吉研究员（Chinese Science Bulletin, 2013）在综述我国基于湖泊沉积的古气候研究时，完整引用了我们关于中世纪暖期和小冰期西风区和季风区湿度反位相变化的观点（Chen et al., 2010）。我国著名古气候模拟学者、中科院地球环境研究所刘晓东研究员（Dynamics of Atmospheres and Oceans, 2017）评述，“Chen等（2

15、011）研究认为，西风环流作为一个气候系统，不仅是控制中亚和青藏高原西部冬季降水，还是控制了降水的年际变化”。我国著名树轮气候学者、中科院地球环境研究所刘禹研究员基于树轮重建公元1430年以来黑河流域水文变化时（Water Research, 2010）评述，“（20世纪30年代以来，降水持续增加），这一趋势也被黄河上游、天山（Li等, 2006）、蒙古以及巴基斯坦北部的气候资料所记录”。3、对不同时间尺度“西风模态”产生的驱动机制的评述：AGU会士Overpeck J.T.研究百年-年代际尺度亚洲季风对青藏高原南部气候影响时（EPSL, 2017）评述，“长时间的海温异常导致的厄尔尼诺现象（

16、西太平洋赤道海温偏低）导致在几十年到百年时间尺度上亚洲季风降水减少（Chen等, 2015）”。在Science的一篇新闻稿（Science, 2016）及在研究全球变暖与ENSO联系时（Nature Climate Change, 2015），澳大利亚联邦科学与工业研究组织海洋大气研究所资深科学家Wenju Cai研究员评述到“Li等（2013）研究发现，20世纪的ENSO强度比之前明显要强”。AGU和AMS会士Bette L. Otto-Bliesner在研究ENSO对热带火山喷发响应时（PNAS, 2017）评述，“火山喷发当年，热带太平洋呈现拉尼娜态，同时季风亚洲干旱（Li等, 201

17、3）”。AGU会士程海等利用石笋重建中美洲古降水时（Nature Communication, 2015）评述，“大量的气候重建及模拟工作表明ENSO与火山活动之间存在着统计学及动力学上的联系（Li等, 2013）”。GSA会士Yemane Asmerom在探讨欧亚大陆西部全新世变暖的驱动机制研究时（Nature Geoscience, 2017）评述，“古气候模拟结果表明冰盖的扩张和冰川地貌的形成降低了欧亚大陆北部的地表温度，尤其是冬季温度（Jin等, 2012）”。我国中国科学院地质与地球物理研究所郭正堂院士在探讨中国北方末次冰盛期以来水汽变化及东亚夏季风气候变化时（Global and

18、Planetary Change, 2014）评述，“北半球高纬增加的冰盖导致海平面下降，同时海温降低，极地海冰的扩张会降低低纬度海水温度，从而减少了海水的蒸发，削弱了东亚夏季风强度（Jin等, 2012）”。我国中国科学院地质与地球物理研究所刘嘉麒院士在探讨中国东北部湖泊孢粉记录的全新世植被和气候变化时（Quaternary Science Review, 2015）评述，“Jin等（2012）认为中亚早全新世的干旱是由于冬季西风减弱使得带来的水汽减少，同时西风带上游蒸发的减小也使得西风带来的水汽减少”。德国亚琛工业大学的XXX在探讨青藏高原风成沉积物形成的地貌和古气候动力学时（Earth-

19、Science Review, 2015）评述，“这种早全新世干旱和中全新世湿润的气候模式被Jin等（2012）的模型实验所证实”。代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码（xx年xx卷xx页）发表时间（年月日）通讯作者（含共同）第一作者（含共同）国内作者SCI他引次数他引总次数论文署名单位是否包含国外单位1Holocene moisture evolution in arid central Asia and its out-of-phase relationship with Asian monsoon history/Quaternary Science Revie

20、ws/Chen, FH; Yu, ZC; Yang, ML; et al.4.7972008年27卷351-364页2008年2月15日陈发虎陈发虎杨美临王苏民黄小忠赵艳陈建徽安成邦274376是2Moisture changes over the last millennium in arid central Asia: a review, synthesis and comparison with monsoon region/Quaternary Science Reviews/Chen, FH; Chen, JH; Holmes, JA;2010年29卷1055-1068页2010年2

21、月12日陈发虎陈建徽王宁练张家武1001263El Nio modulations over the past seven centuries/Nature Climate Change/Li, JB; Xie, SP; Cook, ER;19.3042013年3卷822-826页2013年7月2日李金豹李金豹陈发虎勾晓华方克艳79814Hydroclimatic changes in China and surrounding areas during the Medieval Climate Anomaly and Little Ice Age: Spatial patterns and

22、possible mechanisms/Quaternary Science Reviews/ Chen, JH; Chen, FH; Feng, S;2015年107卷98-111页2014年11月9日陈建徽陈建徽陈发虎冯松黄伟刘建宝周爱锋39455Spatiotemporal precipitation variations in the arid Central Asia in the context of global warming/Science in China: Earth Sciences/Chen, FH; Huang, W; Jin, LY;1.9892011年54卷18

23、12-1821页2011年12月8日陈发虎黄伟靳立亚陈建徽王劲松43否6Causes of early Holocene desertification in arid central Asia/Climate Dynamics/Jin, LY; Morrill, C;4.1462012年38卷1577-1591页2011年5月12日靳立亚靳立亚陈发虎26337Tree-ring based drought reconstruction for the central Tien Shan area in northwest China/Geophysical Research Letters/

24、Li, JB; Gou, XH;4.2532006年33卷L07715页2006年4月12日勾晓华李金豹勾晓华陈发虎861058Dry late-glacial and early Holocene climate in arid central Asia indicated by lithological and palynological evidence from Bosten Lake, China/Quaternary International/Huang, XZ; Fan, YX;2.1992009年194卷19-27页2009年2月1日黄小忠黄小忠陈发虎范育新杨美临6080合计

25、707927主要完成人排名：行政职务：副校长教授兰州大学完成项目时所在单位：对本项目主要学术贡献：项目研究内容的主要设计者和负责人。申报书中发现点1和2的主要贡献者，由代表性论文1、2、4、8支持。长期坚持和引领亚洲中部干旱区气候环境变化研究，提出“西风模态”理论框架并论证了其在短尺度上的适用性，在国内外产生重要影响，入选国际地球科学高引用科学家名录。本人在项目中的工作量占本人近20年科研工作量的70%。曾获国家科技奖励情况：2007年，国家自然科学二等奖，中国西北季风边缘区晚第四纪气候与环境变化，排名第一，证书编号2007-Z-104-2-03-R01。无申报书中发现点2的主要贡献者和发现点

26、3的贡献者，由代表性论文2、4支持。在可靠年代框架下，利用湖泊沉积物中对气候变化响应敏感的代用指标，论证了“西风模态”理论在过去千年特征气候时期的适用性，并提出了百年尺度上“西风模态”的可能驱动因子。2013年作为第三完成人获得教育部自然科学二等奖。本人在项目中的工作量占本人近10年科研工作量的80%。助理教授香港大学兰州大学、香港大学申报书中发现点3的主要贡献者和发现点2的贡献者，由代表性论文3、7支持。利用精确定年的树轮记录，重建了近千年ENSO的变化历史，揭示了百年尺度热带海气耦合对“西风模态”的影响，推动了对低纬过程在中纬度亚洲气候变化中所扮演角色的理解。2017年获得河南大学黄河学者

27、人才奖励。本人在项目中的工作量占本人过去10余年科研工作量的50%。4. 姓名：讲师申报书中发现点2的主要贡献者和发现点3的贡献者，由代表性论文5支持。基于器测数据和再分析资料，丰富和完善了年代际尺度“西风模态”理论，揭示了年代际-百年尺度“西风模态”产生的物理机制；将中低纬气候系统作为有机整体，探讨其海气相互作用对“西风模态”的影响。获得2015年甘肃省优秀博士论文奖励。5. 姓名：成都信息工程大学申报书中发现点3的主要贡献者，由代表性论文6支持。利用气候模型揭示了亚轨道尺度“西风模态”产生的驱动机制，提出了外强迫（太阳辐射）是导致该尺度“西风模态”的主控因子，并探讨了高纬地区环境状况对干旱区气候变化的影响。2013年作为第四完成人获得教育部自然科学二等奖。本人在项目中的工作量占本人近10年科研工作量的60%。完成人合作关系说明本项目主要完成人陈建徽、李金豹、黄伟和靳立亚均是第一完成人陈发虎教授在兰州大学指导的研究生，参加了项目“亚洲中部干旱区多尺度气候环境变化的特征与机理”在不同阶段的工作。近20年来，第一完成人与其他四位完成人一起开展了本项目的研究，包括共同完成科研项目和合作发表学术论文等。与本成果相关的主要合作关系如下：一、项目合作1、国家重点基础研究发展计划子课题“西风区气候环境变化的特