1980—2020年全球重大洪灾时空特征探析

为充分理解全球洪涝灾害的时空演变规律,基于长时间序列全球历史洪灾数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,在不同空间尺度和年代际、年际的时间尺度上,全面分析了1980—2020年重大洪涝灾害的时空特征。结果表明:①全球洪灾次数在21世纪前10 a达到峰值,死亡和影响人口在1990s达到峰值,累计经济损失在2010s达到峰值,次均经济损失在1990s和2010s最高;②洪灾发生次数及造成的经济损失在1980—2020年期间呈显著上升趋势,每次洪灾造成的人口损失呈现下降趋势;③亚洲洪涝灾害严重,洪灾的发生次数、死亡人数、影响人口及经济损失的累计值分别占全球总数的41%、68%、95%和63%,然而包括中国在内的亚洲诸多国家的洪灾人口损失呈下降趋势;④全球重大洪灾呈东西向分布,灾害重心有南移趋势,洪灾由集中趋于分散,影响区域逐渐变广。

1981—2020年北京城市热岛效应时空特征及其影响因素分析

在气候变暖和快速城市化背景下,北京一直面临着城市热岛效应带来的环境问题。基于北京市1981—2020年逐日气温观测资料,采用线性回归、克里金插值和相关性分析等方法,研究了北京市城郊气温变化趋势以及北京市城市热岛强度(Urban Heat Island, UHI)的时空变化特征,并评估了气象因素、人口密度和土地利用/覆盖类型对城市热岛效应的影响。结果表明:近40 a来北京市城郊区的平均气温均呈上升的变化趋势,且城区气温增幅大于郊区,表明北京市UHI上升趋势显著。就季节而言,北京市冬季UHI最强(1.22℃),秋季次之,春、夏最弱,其中秋季UHI增幅最大。同时,北京市城市热岛效应范围也在逐渐扩大,其中城六区为高值区,热岛区由西北向东南方向延伸至城市副中心通州区,朝阳区和通州区增温趋势明显。2000年以来,北京市冬季UHI出现了显著的增加趋势,高值区UHI增加至1.6℃。此外,主成分分析表明人口、建设用地和气压对城市热岛效应的形成起促进作用,而风速和耕地是缓解城市热岛效应的重要影响因素。

东北三省农业碳排放时空分异特征及其关键驱动因素

推动农业低碳发展是应对气候威胁和农业面源污染的有效途径。本文基于IPCC和农用物资投入数据核算2000—2019年东北三省农业碳排放,利用空间自相关等方法分析其时空分异特征,通过LMDI指数分解模型和地理探测器探究农业碳排放驱动因素及其交互作用关系。结果表明:1)东北三省2015年农业碳排放总量达到峰值,约为1759.66万t,较2000年(1048.19万t)增加67.88%,年均递增4.53%;研究期整体呈现“先上升后下降”态势,碳排放增量变动可划分为“波动上升期(2000—2009年)—过渡期(2010—2015年)—平稳下降期(2016—2019年)”3个阶段。化肥施用是主要碳源,占比75.12%。2)分解模型测算结果表明,农业生产效率、农业产业结构和农业劳动力规模对碳排放具有抑制作用,其碳减排比例分别为207.31%、21.56%、20.72%;农业经济发展水平对碳排放表现出较强的推动作用,实现349.59%的碳增量。3)相较于单因子来说,农业经济发展水平、农业生产效率与农业产业结构之间交互结果对农业碳排放的影响呈非线性增强特征,农业劳动力规模与其他因素叠加均呈现出双因子增强的作用效果。以上研究结果表明东北三省农业碳排放受周边地区影响且影响程度不断加强,同时碳排放关键驱动因素之间存在协同作用。本研究成果为推动农业低碳发展提供理论基础与政策依据。

多层次时空特征自适应集成与特有-共享特征融合的双模态情感识别

在结合脑电(EEG)信号与人脸图像的双模态情感识别领域中,通常存在两个挑战性问题:(1)如何从EEG信号中以端到端方式学习到更具显著性的情感语义特征;(2)如何充分利用双模态信息,捕捉双模态特征中情感语义的一致性与互补性。为此,提出了多层次时空特征自适应集成与特有-共享特征融合的双模态情感识别模型。一方面,为从EEG信号中获得更具显著性的情感语义特征,设计了多层次时空特征自适应集成模块。该模块首先通过双流结构捕捉EEG信号的时空特征,再通过特征相似度加权并集成各层次的特征,最后利用门控机制自适应地学习各层次相对重要的情感特征。另一方面,为挖掘EEG信号与人脸图像之间的情感语义一致性与互补性,设计了特有-共享特征融合模块,通过特有特征的学习和共享特征的学习来联合学习情感语义特征,并结合损失函数实现各模态特有语义信息和模态间共享语义信息的自动提取。在DEAP和MAHNOB-HCI两种数据集上,采用跨实验验证和5折交叉验证两种实验手段验证了提出模型的性能。实验结果表明,该模型取得了具有竞争力的结果,为基于EEG信号与人脸图像的双模态情感识别提供了一种有效的解决方案。

全球火山活动时空分布特征及其对强震活动趋势的指示

基于史密森学会火山目录分析了全球火山活动的时空特征,并结合中国地震台网目录讨论了火山活动对全球和中国大陆强震活动趋势的指示意义。结果显示:①全球火山活动表现出较为显著的百年周期特征,且百年周期内火山活动和M≥8.0大震之间存在着频次准同步和能量互补现象;②中国大陆1955年前后强震活动状态的变化可能与同期全球火山活动状态变化密切相关,且二者可能受控于百年周期内地球内部能量积累与释放的状态变化;③2022年汤加火山的剧烈喷发意味着地球内部能量仍在持续释放。结合全球M8地震和中国大陆M7浅源地震的活动特征,认为当前及未来一段时间全球及中国大陆的大震活动状态可能与二十世纪上半叶相似。

新冠疫情期间西安市空气质量时空特征研究

2019年和2021年新冠疫情期间西安市政府均采取了强有力的管控措施,为此对比研究了不同程度减排措施对空气质量的影响。采用特征雷达图、空间插值和HYPLIST轨迹模型等方法对西安市疫情期间(2019年12月—2020年2月、2021年12月—2022年2月)和正常生产期(2020年12月—2021年2月)冬季空气质量变化特征进行了对比分析,并探讨了人为减排情景下空气质量变化潜在原因。结果表明:(1)西安市环境空气质量指数(AQI)空间分布整体呈现“西北劣东南优”特征。2020年疫情严控期空气质量得到明显改善,优良率达到53%;2022年疫情严控期空气质量未受管控措施明显影响。(2)2020年疫情严控期除O_(3)外污染物浓度均明显下降,降幅分别为PM2.5(42.90%)>NO_(2)(42.13%)>CO(35.37%)>PM10(32.58%)>SO_(2)(17.40%);2022年仅有SO_(2)和NO_(2)浓度下降,降幅为NO_(2)(31.86%)>SO_(2)(18.31%)。疫情期间污染类型属于偏二次型。(3)疫情期间,污染天气是在高湿静风天气条件和盆地地形的基础上,受人为源排放和区域污染物传输引起的,因此促进污染物协同减排和关中地区联防联控是改善空气质量的关键举措。

基于夜光遥感的东南亚国家经济发展时空特征研究

东南亚地区是中国“一带一路”倡议的必经通道,也是我国发展对外经贸的重要节点区域,具有重要的战略地位.基于NPP/VIIRS夜间灯光数据,运用重心、标准差椭圆以及莫兰指数等空间分析方法,分析2012—2021年东南亚国家经济发展的时空特征.结果表明:东南亚国家GDP与夜间灯光数据之间存在显著相关性;从东南亚经济发展方向特征来看,东南亚经济重心整体向西北迁移,大部分灯光集中的中心已向东南亚的西北方向,即向中国的陆地边界移动了476 km,经济重心移动和“一带一路”倡议有关;东南亚总体经济体量增大,经济发展向区域内聚集,东南亚经济发展方向性愈发明显;从东南亚经济发展空间聚集性特征来看,高高聚集和低低聚集是东南亚经济发展最显著的两种空间聚集特征,高高聚集地区起到了很好的辐射作用,带动周边地区的经济发展,低高聚集区的发展潜力较大.研究时间段内,东南亚北部低低聚集区大幅度减少.

基于机器学习降雨动态时空特征识别山丘区小流域洪水预报方法研究

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空特征最相似的历史降雨洪水过程,“借古喻今”进行洪水预报。结果表明,在人为影响小、流域面积在600 km^(2)左右的山丘区小流域,该方法预报洪峰流量平均误差为8.33%,洪量平均误差为14.27%,峰现时间平均误差1 h,均达到了洪水预报精度要求。区别于传统的洪水预报方法,该方法从整场降雨发展趋势的角度上预报山洪,更有针对性,为山丘区小流域洪水预报提供了新思路,为“三道防线”数据深度挖掘,防洪“四预”智能化水平提升提供有力技术支撑。

2013—2022年白洋淀水体富营养化时空变化特征研究

作为华北平原最大的淡水湖泊,白洋淀水质安全与区域生态环境健康息息相关。基于2013—2022年逐月监测数据(总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a(Chl-a)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD_(5))、氨氮和高锰酸盐指数),采用综合营养状态指数(TLI(Σ))揭示了白洋淀水体营养状态分布特征,以期为未来白洋淀水质提升工作提供科学依据。结果显示,2022年白洋淀水体处于中营养状态,TLI(Σ)较2013年下降6%。白洋淀水体营养程度呈现西高东低特征。2022年南刘庄在春季和夏季处于轻度富营养状态,春季属于磷限制,夏季属于氮+磷双限制,春、夏季应严格管控入淀水中氮、磷的浓度;采蒲台在夏季处于轻度富营养状态,属于磷限制,应通过控制底泥释放、加强水草收割管理等措施控制其夏季水体中磷的含量。

考虑多对一时空特征的短期风功率组合预测模型

为研究单台风机数据进行风功率预测时未考虑空间特征造成预测精度不理想的问题,提出了一种考虑多对一时空特征的基于改进序列到序列(Seq2Seq)模型的短期风功率预测组合模型。首先,采用k近邻算法对风电场的风机实现空间区域的划分,获取k台近邻风机的数据,基于孤立森林算法对异常数据进行识别、筛选和填充。其次,应用双向门控循环单元和自注意力机制对Seq2Seq模型进行改进,利用具有空间特征的邻接矩阵对模型进行权重优化。最后,进行多对一短期风功率预测,输出目标风机风功率预测结果。采用美国风场实际运行数据,将所提出的组合模型与长短期记忆(LSTM)等5种模型进行对比,以验证模型的可靠性。结果表明:该组合模型在时空风功率预测中表现出令人满意的稳定性和鲁棒性,可有效提高风功率预测精度及效率。

基于SPI和VHI的长江中下游地区干旱时空特征分析

近60 a来,长江中下游地区干旱发生频率越来越高,强度不断增强,影响范围不断扩大,持续时间不断变长,对经济发展造成了严重的影响。通过构建长江中下游地区60 a长序列历史降水数据和40 a遥感数据集,基于标准化降水指数、植被健康指数等指标建立干旱监测指数序列库,分析时序干旱指数变化特征,开展旱情时空分布、季节差异、发生频次等指标统计分析,探究旱情发生频率及其时空分异特征、旱情程度等时空特征。研究结果表明:长江中下游地区干旱事件发生具有明显的季节性,春夏季干旱频率高,秋冬季干旱频率低;干旱存在明显区域性差异,易旱地区主要包括湖北北部、湖南南部等地。

多源多特征集成的南水北调工程丹江库区湿地时空格局演变

丹江口水库是中国南水北调工程的关键水源区。随着城镇化发展以及大坝二次建设,库区湿地生态系统变化显著,亟需湿地生态科学监测。以丹江库区为例,依托Google Earth Engine(GEE)平台,首先采用已有土地覆盖数据集生成湿地样本集,其次整合Landsat影像、DEM等数据构建多源特征集合,并基于Jeffries-Matusita(JM)距离进行特征优选,使用随机森林(RF)算法实现了1985~2023年丹江库区湿地制图。结果表明:①本文提出的样本采集流程可有效提高样本质量,为长时序分类样本采集提供参考;②湿地分类特征优选后特征数由37个减为27个,分类总体精度变化不大,优选后的特征应用于丹江库区湿地分类的平均总体精度(OA)以及平均数量和分配分歧指数(QADI)分别为89.53%和0.0802,说明特征优选有效减少信息冗余,提高影像分类效率;③1985~2023年,丹江库区湿地面积呈波动增加趋势,从1985年的17839.85 ha扩大到2023年的28872.48 ha,面积增长38.12%。总体来说,丹江库区湿地生态系统呈现出逐步恢复和优化的良好态势。

基于多尺度时空特征和篡改概率改善换脸检测的跨库性能

目前大多DeepFake换脸检测算法过于依赖局部特征,尽管库内检测性能尚佳,但容易出现过拟合,导致跨库检测性能不理想,即泛化性能不够好。有鉴于此,文中提出一种基于多尺度时空特征和篡改概率的换脸视频检测算法,目的是利用假脸视频中广泛存在的帧间时域不连续性缺陷来解决现有检测算法在跨库、跨伪造方式和视频压缩时性能明显下降的问题,改善泛化检测能力。该算法包括3个模块:为检测假脸视频在时域上留下的不连续痕迹,设计了一个多尺度时空特征提取模块;为自适应计算多尺度时空特征之间的时空域关联性,设计了一个三维双注意力机制模块;为预测随机选取的像素点的篡改概率和构造监督掩膜,设计了一个辅助监督模块。将所提出的算法在FF++、DFD、DFDC、CDF等公开大型标准数据库中进行实验,并与基线算法和近期发布的同类算法进行对比。结果显示:文中算法在保持库内平均检测性能优良的同时,跨库检测和抗视频压缩时的综合性能最好,跨伪造方法检测时的综合性能中等偏上。实验结果验证了文中算法的有效性。

太行山复杂地形下华北暖季极端降水的时空分布特征

基于2012—2021年5—9月华北五省的逐日降水资料和台站地形高度数据,统计分析了华北全区及各子区域极端降水事件的降水量及其强度和频次的时空分布特征;并运用地理加权回归(GWR)模型分析得到极端降水事件的降水量、强度及频次与海拔高度之间的关系。结果表明:1)华北区域极端降水量的时间变化均呈多波动特征且区域差异性显著,太行山以西高原和以东平原降水频次多、波动明显且强度较弱,太行山南段以南平原降水频次少、变化平缓而强度明显偏强。2)极端降水量的空间分布呈现南北少、中间多的型态分布,降水量大值区分别位于燕山东南侧和太行山南段晋冀豫三省交界处;极端降水高频站点主要聚集在晋东南地区;日最大降水量超过300 mm的站点主要集中在太行山脉和燕山山脉与华北平原的过渡地带。3)华北区域38°N以北,极端降水量、降水频次、强度和日最大降水量均随海拔高度的升高而减小;38°N以南,山西南部临运地区降水量随海拔高度的升高而显著增加。由于降水频次和强度与地形均存在正相关而导致,太行山附近降水量随海拔高度的升高而减小的贡献主要在于降水强度而非降水频次。

长江流域干旱评估指标、时空特征及成因研究进展

在梳理长江流域干旱相关研究成果的基础上,从气象干旱、水文干旱、农业干旱3个角度评述了当前长江流域干旱评估指标的研究现状,阐述了长江流域干旱的时空特征及成因。指出当前研究在区域干旱的精准识别和多因素交互作用方面仍面临严峻挑战,未来长江流域干旱的主要研究方向包括提高多源数据综合利用水平,增强干旱监测的时效性与准确性;完善干旱监测及预报体系,提高干旱预测的科学性与可靠性;深化人类活动对干旱的响应研究,揭示人类活动与自然因素在干旱事件中的相互作用机制。

时空多尺度关联特征融合的二维卷积网络细粒度动作识别模型

针对传统二维(2D)卷积网络提取时空特征尺度单一以及对细粒度动作数据集中帧与帧之间的远程时间关联信息利用不足的问题,本文提出时空多尺度关联特征融合的2D卷积网络细粒度动作识别模型。首先,为建模视频多尺度空间关联以加强对细粒度视频数据的空间表征能力,模型使用多尺度“特征压缩、特征激发”方式,使网络所提取空间特征更加丰富有效。然后,为充分利用细粒度视频数据时间维度上的运动信息,本文引入时间窗口自注意力机制,利用自注意力机制强大的远程依赖建模能力同时只在时间维度上进行自注意力操作,以较低计算成本建模远程时间依赖关系。最后,考虑到所提取时空特征对不同类型动作分类的贡献不均等,本文引入自适应特征融合模块,为特征动态赋予不同权重实现自适应特征融合。模型在2个细粒度动作识别数据集Diving48和Something-somethingV1上识别准确率分别达到86.0%和46.9%,分别使原始主干网络识别准确率提升3.8%和1.3%。实验结果表明,在只使用视频帧信息作为输入的情况下,本模型达到与现有基于Transformer和三维卷积神经网络(3D CNN)算法相当的识别准确率。

黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全时空特征及驱动因素

水、能源、粮食是实现黄河流域国家战略的关键要素与有力支撑。在分析水-能源-粮食关联系统协同安全机理的基础上构建协同安全度评价指标体系,基于2000-2019年黄河流域85个地级市面板数据,采用改进的耦合协调度模型测度水-能源-粮食关联系统的协同安全度,利用核密度函数、空间计量模型探讨其时空特征及影响因素。结果表明:①2000-2019年黄河流域水-能源-粮食关联系统综合安全水平总体表现为上升态势,空间上整体呈现从东向西递减的态势;②研究期内黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全度的空间差异变化较明显,空间格局由研究初期“下游>上游>中游”向研究末期“下游>中游>上游”演变;③社会发展水平、教育状况、创新投入水平和投资水平对协同安全度产生正向影响,经济运行水平、贸易水平和环境污染程度则产生负向影响。

黄河流域工业水资源利用与碳排放时空特征及脱钩分析

为了明晰黄河流域工业水资源利用与碳排放的关系,选取工业碳排放量、工业碳排放强度、工业用水量、工业用水强度以及工业碳水系数5个指标,采用全局莫兰指数以及局部莫兰指数分析其空间相关性,并利用Tapio脱钩模型分析黄河流域各省(区)碳水脱钩关系。结果表明:1)各研究指标的空间聚集性表现为强正相关性。2)工业碳排放量高-高聚集区主要分布在甘肃、陕西、山东,低-低聚集区分布在内蒙古、青海;工业碳排放强度高-高聚集区主要分布在青海,低-低聚集区分布在内蒙古;工业用水量高-高聚集区分布在河南,低-低聚集区分布在青海;工业用水强度高-高聚集区和低-高聚集区分布在甘肃;工业碳水系数高-高聚集区分布在青海,低-低聚集区分布在内蒙古和山东。3)在研究期内,黄河流域碳水脱钩关系大部分时间处在负脱钩状态,各省(区)碳水脱钩关系的阶段差异性较大。

地铁环境质量时空分布特征及其影响因素研究

目的评价武汉市地铁环境质量,揭示其主要空气污染物的时空分布特征及其影响因素,为采取针对性防控措施提供科学依据。方法鉴于地铁线路开通时长、地铁线路站点功能(商业网点、换乘)等多因素对地铁空气质量的影响,选择武汉地铁2号线、3号线和7号线为研究线路,共18个地铁站点为监测点(6个站点/线路)。采样时段为2018年12月-2019年10月,覆盖春、夏、秋、冬4个季节,每个季节连续监测7天。监测指标包括温度、相对湿度、风速、照度、噪声、CO、CO_(2)、PM_(10)、PM_(2.5)和细菌总数。结果在夏、冬季,站台(24.8℃、13.1℃)和站厅(25.1℃、11.4℃)的空气温度中位值均低于《公共场所卫生指标及限值要求》(GB 37488-2019)的标准限值。站厅、站台的照度值均是7号线>3号线>2号线(P<0.01),仅秋、冬季可见室外照度值在三条线路有显著性差异(P<0.05)。站内环境噪声的中位值均高于《公共场所卫生指标及其限值》(GB 37488-2019)的标准限值(70dB(A)),且该值在4个季节均为站台>站厅>室外(P<0.05)。在冬季,站台、站厅和室外的CO浓度均较高。在春、夏、秋季,CO_(2)浓度均是站台>站厅>室外(P<0.01)。在冬季,站台、站厅和室外的PM_(10)、PM_(2.5)浓度较高(P<0.01),且站台(115μg/m^(3))和站厅(126μg/m^(3))的PM_(2.5)中位值高于《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)修改单中的标准限值;在春、夏、冬季,3条线路的站台、站厅和室外之PM_(10)、PM_(2.5)均有显著性差异(P<0.01)。不同季节细菌总数含量在站台、站厅间未见显著性差异(P>0.05)。结论武汉市地铁室内温度、PM_(2.5)质量浓度、噪声污染应予以重视。该市地铁站内环境质量受室外环境、客流量、集中通风空调系统、地铁照明系统、地铁站空气净化装置的影响。

中国水利现代化时空分异特征

为明晰水利现代化时空分异特征,构建了包含资源、环境、生态和安全需求保障四大目标、14项准则的水利现代化评价指标体系,提出了结合目标一致性方法、变异系数法和层次加权法的水利现代化综合评价方法,对中国及各省(自治区、直辖市)水利现代化实现程度进行了评价,分析了中国及各省(自治区、直辖市)水利现代化时空分异特征。评价结果表明:中国水利现代化经历了发动期、加速期和提速期,总体实现程度较好,资源、安全需求保障的实现程度高,但环境、生态需求保障的实现程度较低;各省(自治区、直辖市)加快推进水利现代化,东部和中部地区明显快于西部和东北地区,资源、安全需求保障实现程度较好,环境需求保障实现程度相对滞后,生态需求保障实现程度较差;现阶段,各省(自治区、直辖市)亟需加快水生态环境建设,提高环境、生态需求保障,加速推动水利高质量发展,以推进中国水利现代化进程。