北半球中高纬干旱半干旱区地表气温年循环变化的时空特征及其机理

Climate of mid-high latitude arid and semi-arid regions of the Northern hemisphere has been experiencing the strongest warming in the past century, further studies of climate change in arid and semi-arid regions, especially causes of enhanced warming of the winter periods are very important for better understanding the mechanisms of climate change and evaluating the climate change in arid and semi-arid regions. However, being the most prominent climatic oscillation, the annual cycle of surface air temperature(SAT) hasn't been paid too much attention. This program will construct data sets of the changes of SAT annual cycle in land of mid-high latitude arid and semi-arid regions, then we will study the characteristics of the changes of SAT annual cycle under different timescales and summarize the spatio-temporal correlations between SAT annual cycle changes of different arid and semi-arid regions. By analyzing correlations between SAT annual cycle changes and changes in the atmospheric circulation, specifically those of the large scale patterns, like the Northern Annular Mode and Pacific-North American Pattern, we try to find the mechanisms of changes of SAT annual cycle in different arid and semi-arid regions. And on this basis we will evaluate the contributions of SAT annual cycle changes to the enhanced warming in arid and semi-arid regions. So this program will further the understanding of climate changes in arid and semi-arid regions and will be valuable to climate models for modeling and predicting future climate change.

北半球中高纬的干旱半干旱区经历了20世纪至今最为剧烈的增暖，深入开展干旱半干旱区气候变化及其影响的研究，尤其是冬季快速增温的成因，对加深理解干旱半干旱区气候变化的规律和机理、评估干旱半干旱区气候变化，具有重大的科学意义。但是，作为气温资料中最主要模态的年循环却没有受到太多关注。本项目通过构建干旱半干旱区地表气温年循环变化的数据集，研究干旱半干旱区地表气温年循环在不同时间尺度上的变化特征，系统归纳不同干旱半干旱区地表气温年循环变化的时空关联；通过分析地表气温年循环的变化与大尺度环流模态，如北半球环状模（NAM）、太平洋北美模态（PNA）等的关联，探讨不同干旱半干旱区地表气温年循环变化的机理；在此基础上，评估干旱半干旱区地表气温年循环的变化对干旱半干旱区快速增温的贡献，从而加深对干旱半干旱区气候变化的理解，为气候模式模拟和预测未来气候变化提供宝贵的资料和理论依据。

干旱半干旱区降水稀少，水资源匮乏，生态系统极为脆弱，对全球变化的响应非常敏感，干旱半干旱区对全球陆地平均增温具有很大贡献，是近百年来全球除北极地区以外累积变暖最剧烈的区域，尤其在冬季增温达1.67℃，是全球陆地年平均增温的2-3倍，对全球陆地增温的贡献高达45%，而且最近几十年增温速率最大的区域也是在北半球中高纬度的干旱半干旱区，达到了每10年增温0.4℃。以往的研究大多是从年平均温度的角度来进行，但事实上，年循环（Annual Cycle），是大多数气候变率中最主要的模态，尤其是在温度资料中年循环的主导地位更加明显，而一直以来年循环都是作为距平参照系从原始资料中被剔除，并未受到太多重视。因此，本项目定义北半球中高纬干旱半干旱区地表气温资料频-幅调制的年循环；深入研究干旱半干旱区地表气温年循环在不同时间尺度上的变化特征，系统归纳不同干旱半干旱区地表气温年循环变化的时空关联；研究其与北半球环状模（NAM）、太平洋北美模态（PNA）等大尺度环流模态的关联，探讨其可能的变化机理。在此基础上进一步讨论地表气温年循环的变化对北半球中高纬干旱半干旱区冬季快速增温的贡献。该项目主要研究成果：1、利用非线性方法，从全球地表气温月数据中提取出年循环分量，构建了干旱半干旱区地表气温年循环振幅变化的数据集；2、对干旱半干旱区地表气温年循环振幅进行分解，研究了其在不同时间尺度上的变化特征；3、探讨了干旱半干旱区地表气温年循环振幅的变化与大尺度大气环流因子（如NAO、PDO、AMO）之间的关联。以上的研究结果进一步加深了对全球气候变化，尤其是干旱半干旱区气候变化的理解。