全球旱区居住着超过全球38%的人口,其经济落后、环境脆弱以及社会不稳定的特征使得全球旱区一直是实现可持续发展目标关注的焦点。在近百年来的全球变暖背景下,全球旱区的强化增温、干旱加剧、极端天气增加等气候灾害愈发严重。本文在前人工作基础上,从温度、降水、氧气三个气候变化要素出发补充探索了旱区气候变化特征、机理并预估了未来影响。一方面,我们分析了旱区温度及降水的时空特征,并探索了全球旱区强化增温以及中亚典型旱区降水变化的可能机制。另一方面,我们利用CMIP5和CESM模式模拟结果预估了未来全球旱区温度、降水、蒸散以及面积变化对《巴黎协定》所提出的全球增暖1.5°C及2°C目标的响应,并评估了两个目标对旱区水文、干旱、农业以及健康的影响。最后从地球系统中的氧循环出发,构建了适用于定量评估全球旱区城市氧平衡状态的氧指数,并探讨了城市氧指数与高温热浪以及缺水缺氧风险之间的关系。通过研究,本文主要研究结果如下。（1）提出了旱区强化增温的辐射平衡机制并对其未来变化进行预估。在全球增温背景下,过去近百年旱区增暖趋势比湿润区高20%-40%左右。其主要原因是旱区内较低的土壤湿度和植被覆盖导致旱区的地表蒸散发较低,其接收的净辐射主要以感热形式加热大气。此外,旱区以冰云的加热效应为主,而湿润区以水云和更多的人为气溶胶排放产生的冷却效应为主。利用气候模式预估旱区未来温度变化发现,将全球增暖控制在1.5°C以内不仅可以使旱区增温控制在3°C内,湿润地区在2°C内,还能极大程度地降低旱区农业、水文、干旱和健康将遭受的威胁。强调了1.5°C升温目标的必要性。（2）揭示了中亚旱区降水变化的时空特征及影响机制。1979-2019年中亚夏季降水主要以年际变化特征为主,与印度洋海表温度变化密切相关。当印度洋海温偏暖时,海陆热力差异减小导致南亚夏季风减弱,输送到北印度大陆的水汽减少导致北印度大陆降水偏少。进而导致北印度大陆凝结潜热释放减少,其西北侧的中亚上空出现异常气旋。温度冷平流使得中亚对流层中上层温度异常偏冷,这会减弱中高纬度温度水平梯度,从而致使中亚副热带西风急流减弱偏南,中亚上空出现异常垂直上升运动,中亚南侧水汽输出转化为输入,最终导致中亚夏季降水偏多。（3）对比了不同定义升温目标下旱区气候响应的差异及原因。利用CESM模式中四种情景下的未来预估结果,对比了旱区气候变化对瞬时增暖和稳定增暖1.5°C/2°C的响应差异。结果显示瞬时增暖情境下的旱区增暖以及面积扩张通常高于稳定增暖情境,主要是由于瞬时增暖情境下的温室气体辐射强迫大于稳定增暖情境。额外的0.5°C增暖将导致北美,南非和北非的降水减少,而潜在蒸散（PET）的增加将更加明显,最终将增加这些旱区的干旱风险。与2°C全球增暖目标相比,将碳中和提前不仅可以使本世纪末全球变暖控制在1.5°C以内,旱区增暖减少～0.7°C,还可以避免全球旱区约60%干旱程度的加剧以及44%的面积扩张,并降低北美洲南部和北非等旱区的干旱恶化程度。（4）评估了旱区城市氧失衡状态以及相关的缺氧缺水和高温热浪风险。首先我们计算了全球网格点的耗氧量和产氧量,构建了一个氧指数（OI）,即耗氧量与产氧量之比。对比了干旱与湿润城市的氧气平衡状况以及相关的热浪和缺水风险。结果显示,旱区城市地区平均氧指数高达～81.0,大约是湿润城市地区氧指数（～47.6）的两倍。人口更多的大城市平均有更高的氧指数,并且干旱大城市拥有高氧指数的概率比湿润大城市大得多。在全球变暖背景下,生活在OI较高的大城市的人们更有可能受到更高的温度以及更频繁和更长时间的热浪的影响,并且会面临严重缺水以及缺氧的风险。而这种缺水和缺氧的风险在旱区更显著,这会使得旱区生态环境更加脆弱。综上,本文沿着“特征分析-机制探索-影响预估”的框架系统地开展了旱区气候变化机制及其未来风险预估的研究,不仅从温度以及降水两个基本气候变化要素出发,还以氧循环为纽带,与旱区水热循环一起从多方面探索了全球旱区所面临的威胁。本文为实现可持续发展提供了科学参考,尤其是对于制定出更适合解决全球旱区各类问题的策略有积极作用。