基于InVEST模型的京津冀土地利用变化及碳储量时空分异研究

大气中二氧化碳含量的增加是国际社会广泛关注的环境问题,人类活动改变土地利用格局,而土地利用/覆被(land-use/land-cover,LULC)变化影响陆地生态系统结构、功能及碳循环。本文在全球地表覆盖数据GlobeLand30的支持下分析了2000-2020年京津冀土地利用变化,利用InVEST模型模拟了碳储量时空变化,并结合空间自相关分析技术对其进行了分区研究。结果表明:①2000-2020年京津冀地区耕地和人造地表变化面积最大,分别为减少340222.124 hm^(2)和增加246333.493 hm^(2);②京津冀地区2000、2010和2020年碳储量总值分别为1666.47×10^(6)、1654.63×10^(6)、1632.88×10^(6)t,耕地流失和人造地表扩张是碳储量下降的主要原因;③京津冀碳储量高值主要分布在海拔相对较高的山林地区,低值主要分布在北京市中心、津冀海岸带,以及河北省沧州和唐山的东部南部区域;④局部自相关结果表明,碳储量出现高-高聚集的区域在研究区的北部和西部,在出现低-低聚集的区域中天津市东丽区和河北省邯郸市邯山区呈现出较为明显的弱化趋势。

天津市南部平原地面沉降区新兴风险评估

新兴技术的发展在优化城市建设和改善人类生活的同时,也存在着一定的风险,进而引发城市安全问题。天津市是中国的沿海城市,其沿海海平面的不断上升,南水进津改变水循环,地下空间的开发利用,这些因素与地面沉降进行叠加耦合都将成为天津市新兴风险评价的重要因素。文章首先对天津市南部平原沉降信息进行获取,叠加海平面上升速率预测天津市自然海岸线后退情况。基于此,利用机器学习方法(XGBoost)预测天津市相对海平面上升带来的高风险因素。此外,针对南水北调-地下空间开发的应用带来的新兴风险进行分析,揭示南水进津和地铁建设运行对天津市城市安全的响应规律。这些地面沉降与现代人类活动结合带来的新兴风险分析研究将为区域防灾减灾提供科学依据,提高城市抵御灾害的能力。

GOCE实测数据反演高阶重力场模型的Torus方法

不同于当前广泛使用的空域法、时域法、直接解法,本文尝试采用Torus方法处理GOCE实测数据,利用71 d的GOCE卫星引力梯度数据反演了200阶次GOCE地球重力场模型,实现了对参考模型的精化。首先,采用Butterworth零相移滤波方法加移去—恢复技术,处理引力梯度观测值中的有色噪声,并利用泰勒级数展开和Kriging方法对GOCE卫星引力梯度数据进行归算和格网化,计算得到了名义轨道上格网点处的引力梯度数据。然后,利用2D-FFT技术和块对角最小二乘方法处理名义轨道上数据,获得了200阶次的GOCE地球重力场模型GOCE_Torus。利用中国和美国的GPS/水准数据进行外部检核结果说明,GOCE_Torus与ESA发布的同期模型的精度相当;GOCE_Torus模型与200阶次的EGM2008模型相比,在美国区域精度相当,但在中国区域精度提高了4.6 cm,这充分体现了GOCE卫星观测数据对地面重力稀疏区的贡献。Torus方法拥有快速高精度反演卫星重力场模型的优势,可以在重力梯度卫星的设计、误差分析及在轨快速评估等方面得到充分应用。

一种异质空间下加权Voronoi图的栅格生成算法

针对现有Voronoi图算法很多将被划分区域理想化为匀质空间,忽略了所依赖的传导方式及空间差异性的问题,该文提出了一种异质空间下加权Voronoi图的栅格生成算法。首先根据目标中心强度确定每个目标的影响权重,根据空间传导能力确定每个栅格的传导权重,然后进行十字交叉光栅扫描,在距离变换中按栅格对距离进行分解,将目标影响权重和栅格传导权重纳入变换公式,最后连通每个栅格到最近目标点的最短路径。该算法兼顾了目标中心强度、几何形状以及空间差异性,实现了异质空间下任意形状目标加权Voronoi图的生成。实验证明,该算法时间复杂度不受目标数量、分布和形状的影响,比普通Voronoi图算法更适合复杂空间下的城市影响范围划分。

海岸线变化的单链曼延编号快速匹配方法

受海岸带区域自然环境变迁与人类开发活动的综合影响,海岸线不断发生剧烈变化。发现海岸线变化并将变化前后的岸段进行匹配,对分析海岸线变化至关重要。针对传统空间分析工具难以直接确定不同时相变化岸段的对应关系的问题,本文引入单链曼延编号的思想对海岸线变化进行快速匹配,并按照“一对一”和“多对多”两种变化岸段匹配关系提出了位置变迁、类型转移、消失及新增等海岸线变化类型的判断公式,设计并实现了结合单链曼延编号的海岸线变化匹配与信息存储方法。试验证明,该方法能快速准确地实现海岸线变化匹配,并能很好地解决多对多变化岸段匹配的问题。

全球极端降水的热力学驱动机理及生态水文效应

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境,影响了陆地圈与大气圈的生物地球化学循环过程,对极端降水及陆地碳收支产生显著影响.现有研究发现极端降水一般呈Hook气候响应结构,但较少分析其形成机理,也未能量化降水对生态系统生产力的影响,不利于科学评估未来极端气候灾害及潜在生态风险.为了揭示全球极端降水的热力学驱动机理及生态水文效应,文章结合十余套卫星遥感、大气再分析、气候模式、陆面模式、机器学习重构和通量站观测数据集,评估了水-热-碳通量对极端降水的反馈效应,通过大气热力和动力机制的降水效应解释了Hook结构形成机理;基于ISIMIP3b框架下5个全球气候模式集合,预估了未来Hook结构迁移路径及其对极端降水的影响,最后结合CLM4.5陆面模式探讨了气候变化下降水的碳收支效应.研究发现,极端降水事件往往伴随着剧烈的水-热交换,降水与生态系统生产力及碳收支过程存在非线性响应关系;全球大多数地区极端降水强度上升、历时缩短,三维降水事件更趋集中;大气动力作用是形成Hook结构的关键因素,但该结构并不稳定,未来随全球变暖发生动态迁移,可能导致本世纪末极端降水强度增长10~40%;较充沛的降水有助于生态系统固碳,气候变化下碳收支对降水的响应特征较为稳定.

青藏高原植被覆盖度时空变化特征及其驱动因素

系统掌握青藏高原植被覆盖度时空特征变化及驱动因素的影响,为生态可持续发展提供科学依据。本文利用2001—2020年MODIS⁃NDVI数据、地表温度数据、气象数据,采用像元二分模型、趋势分析、偏相关分析以及残差分析等方法,分析了青藏高原地区植被覆盖度时空变化特征及其与水热因子和人类活动的关系。结果表明:2001—2020年,青藏高原地区植被覆盖度总体呈波动上升趋势,空间上呈现由西北向东南阶梯状递增;植被覆盖度与气候因子呈一定程度的正相关性,降水与气温的作用呈现良好的互补性;植被覆盖与地表温度呈一定程度的负相关性,地表温度的升降幅度高于气温,热量因子中的气温更易成为限制植被生长的因素;人类活动对植被覆盖起到改善作用的区域主要分布于青海中北部地区、阿里地区北部,退化区域主要分布于玉树中东部地区的草地区域、那曲和拉萨等的部分地区。

基于精细单元碳收支核算及变化分类方法

精确地核算碳收支是实现“双碳”目标的前提,通过开展统计单元的碳收支核算可为国土空间优化提供可靠的数据支撑。本文在地理国情监测数据的支持下,结合社会经济数据、人口数据和能源数据等提出了一种格网为统计单元的精确碳收支核算及变化分类方法。该方法先核算了土地利用与覆被各类型的固碳量和碳排放量并将其空间化,再据此核算选定分辨率的统计单元内碳收支量,后根据碳收支量及其在研究期的变化将统计单元划分为9类:汇提高区、汇稳定区、汇恶化区、平衡向好区、稳定区、平衡向差区、源好转区、源稳定区和源加剧区。以江苏省2015年和2019年的数据为例进行碳收支核算和公里格网统计分析,结果表明:2019年江苏省的碳收支量为344.21×106t,与2015年相比增加了4.24×106t,旱地和工矿用地分别为固碳量和碳排放量的主要来源;苏北和苏中碳收支为碳汇的区域远多于苏南,碳收支为碳源的区域在经济比较发达的中心城区呈现聚集分布;覆盖江苏省的格网被划分为5类,针对每一类典型区域提出了低碳发展的有关建议。和传统方法相比,本文方法在碳收支核算和碳收支变化分类方面的可行性与优越性,可为实现碳公平和协同减排提供技术支持。

Galileo卫星导航系统电离层全球建模及其性能分析

为全面分析和评估Galileo电离层全球建模和卫星差分码偏差的精度,该文选取全球364个GNSS观测站,利用15阶球谐函数构造高精度的电离层格网模型,并以CODE发布的电离层产品为基准,将其与该文建立的电离层网格模型按照不同纬度进行验证和分析。此外,该文将计算的差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析。实验结果表明,Galileo建立的电离层模型在平静日状态下与CODE的平均偏差在2 TECU以内、均方根误差在3 TECU以内;在活跃日状态下的结果与CODE的平均偏差在3 TECU以内、RMSE在4 TECU以内。解算的卫星差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析的结果表明,平静日的偏差在0.1 ns以内,活跃日的偏差在0.2 ns以内,两种状态下的STD均在0.1 ns以内。所以,采用Galileo进行电离层建模可以精确表现电离层。

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题,该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计,利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下:北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内,地球静止轨道(GEO)精度在0.2~0.9 ns水平;BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^(-14)水平;GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明,MEO比IGSO卫星钟差精度高,稳定性强;BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定,这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响,相位与频率的波动较大;BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足,可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。

面向智能手机的改进有限状态机步态探测算法

针对室内定位行人航位推算中步态探测算法步数识别准确率不高、同步控制不精确及位置估计偏差较大等问题,提出了一种面向智能手机平端活动的改进有限状态机步态探测算法。通过设定有限状态对应步行过程合加速度变化趋势,利用相邻合加速度差值和上/下坡次数阈值实现步数识别和步态周期估计。在211 m走廊内由2名实验人员分别平端智能手机开展实验,结果表明,改进算法的步数识别准确率为100%,每一步的平均识别时间提前了0.004 s,平均位置误差为0.384 m,相比于自相关分析和加速度差分有限状态机算法,识别准确率、同步控制精度和位置估计精度分别至少提高了0.7%、60%和21.15%。改进算法在步数识别、同步控制及位置估计方面优于现有算法。

兼顾成本与效益的城市生态廊道提取

针对传统的生态廊道构建方法难以适用于土地利用复杂且生境质量较差的城市环境的问题,该文提出了利用电路理论,将生物多样性保护能力和城市生态廊道的建设成本与效益相结合,建立城市综合阻力面的方法,并对城市地区的生态廊道构建方案进行了模拟。该文利用提出的方法识别出武汉市20个生态源地和44条生态廊道,分析了生态网络中的生态夹点与生态障碍点,区分了廊道建设的优先级,最终形成兼顾自然环境和人类活动与的城市生态廊道构建方案,可为城市生态廊道建设提供科学指导。

基于陆地水储量异常预估中国干旱及其社会经济暴露度

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境,影响了陆地-大气系统的能量收支和水循环过程,降水、径流、陆地水储量等水文要素发生改变,未来旱情演变更趋复杂.现有研究基于陆地水储量监测评估旱情,通常仅关注干旱历时或烈度单一特征,忽略了非一致性条件下旱情的多维属性及其社会经济影响.本文基于GRACE/GRACE-FO卫星观测数据识别中国陆地干湿状况,采用ERA5再分析数据集评估了感热通量、潜热通量、大气相对湿度和对流有效位能等湿度能量因子对干旱事件的反馈效应;基于CMIP6框架下8个全球气候模式集合,考虑三类共享社会经济路径,采用基于分位数映射的Trend-preserving偏差校正方法预估了未来陆地水储量及干湿变化情势;通过滑窗法构造了干旱历时和烈度的时变Copula函数,采用最大可能权函数分析了未来二维干旱风险变化,并基于共享社会经济路径量化了受旱灾风险增高影响的人口和GDP.研究发现陆-气耦合作用与旱情演变具有复杂的互馈效应,未来水资源分布不均程度将进一步加剧,中国大部分地区遭受持续变干威胁.到21世纪末,中国部分区域中、重和特大干旱持续时间增加1倍,干旱烈度增长80%以上;对于历史期50年一遇二维干旱事件,部分地区发生概率可能增加5~10倍,中国约有35~55%的人口和GDP受到影响.

中国极端降水对气候变化的热力学响应机理及洪水效应

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境,影响了陆地-大气系统的能量收支和水循环过程,对降水、湿度、径流等水文要素产生显著影响.大气边界层水汽是降水形成的物质基础,现有研究主要关注饱和水汽压对极端降水的影响,发现了呈"抛物线"形状的Hook气候响应结构.但是未能定量阐明其形成原因,也较少分离大气热力和动力作用对极端降水演化的贡献分量,制约了未来气候灾害风险预测及水文过程模拟精度.本文以中国大陆和151个典型流域为研究区域,通过扩展的克劳修斯-克拉珀龙(Clausius-Clapeyron)方程评估了极端降水和地表径流对近地气温的响应强度,采用ERA5再分析数据集评估了整层气柱水汽含量、对流有效位能和相对湿度对极端降水的促进/抑制作用,基于能量收支和水分平衡分离了极端降水的热力项和动力项,并解释了Hook结构的形成原因;基于CMIP6框架下21个全球气候模式输出数据,通过偏差校正和流域水文模拟方法预估了未来气象水文过程,研究了Hook结构的迁移路径及其暴雨洪水效应.研究发现,动力学约束造成高温下极端事件的水汽输送能力受限,进而形成了Hook结构,但极端降水和地表径流的Hook结构并不稳定,其峰点温度未来随气候变暖升高3~5°C,造成响应曲线右移,可能使21世纪末中国暴雨、洪水量级增长20%~30%.

电离层二阶项改正对BDS精密单点定位的影响

为了提高北斗卫星导航系统(BDS)全面建成后的精密单点定位(PPP)的定位精度,电离层二阶项对BDS PPP的影响值得进一步研究。该文利用PRIDE-PPPAR软件处理了全球分布的20个MGEX站观测数据,研究了不同纬度地区、不同电离层活跃程度下电离层二阶项对BDS静态和动态PPP的影响。实验结果表明,电离层二阶项改正使定位结果南偏,纬度越低南偏影响越明显。电离层活跃程度越高,电离层二阶项改正对E方向定位结果的影响越大。在电离层活跃时期,电离层二阶项改正引起的静态PPP和动态PPP最大定位偏差通常出自低纬度地区的测站。对电离层活跃时期的低纬度地区测站进行电离层二阶项改正,在一定程度上能提高BDS PPP定位精度。

土地利用与生态系统服务价值演变及其关联性

为了科学、合理地评估生态系统服务价值,为生态质量提升、土地合理利用、区域可持续发展提供重要参考,论文采用土地利用动态度、当量因子修正的生态系统服务价值评估模型和灰色关联度等方法,基于高分辨率遥感影像解译的数据,对京津冀地区2007、2015、2018年的土地利用和生态系统服务价值的时演变特征及其关联性进行分析。结果表明:在研究期内,京津冀地区的土地利用类型主要以林地为主,其次是耕地,二者占比都在30%以上。与2007年相比,2018年面积变化较大的是建设用地和林地,分别增加了24.68%和17.38%;京津冀地区的生态系统服务价值呈北高南低的空间分布格局,生态系统服务价值整体呈增加态势。近10年间林地的生态系统服务价值占比在60%以上,其次是耕地和水域;水域、荒漠与裸露地、园地的变化能较大幅度地影响生态系统服务价值,随着时间的推移,耕地对生态系统服务价值的影响在逐渐增加。

西藏植被碳源/汇时空变化特征及其影响因子分析

针对气候、地形和人类活动对西藏植被碳源汇的影响程度问题,该文基于MOD17A3HGF数据,结合土壤异养呼吸模型,模拟估算西藏植被净生态系统生产力,综合气候、地形和人类活动3方面影响因子,利用趋势分析和地理探测器方法,探讨了2001—2020年西藏碳源/汇时空演变特征及碳汇空间分布的影响因子。结果表明:①2001—2020年西藏植被整体呈现碳汇状态,多年均值为124.72(gC·m^(-2)·a^(-1));②碳汇区主要集中在东部及南部林地地区,碳源区主要分布在西北部昆仑高寒高原地区和南部喜马拉雅山脉高海拔地区;③高程、温度和降水是影响碳汇空间分布的主要因素,解释力均高于40%,其中降水和高程的交互作用是碳汇的显著影响因素;④在不同产业县内,降水和高程对碳汇的解释力仍然较强,人类足迹对牧业县碳汇的影响力远高于农业县和半农半牧县。

夜间灯光视角下京津冀地区协同发展特征研究

为了从地理格局视角探讨京津冀协同发展战略的实施效果,该文采用《京津冀协同发展规划纲要》提出的前后对比法,利用NPP-VIIRS夜间灯光数据,在对京津冀各城市建成区范围提取的基础上,计算了景观格局、城市关联度、区位度、基尼系数和首位度等指数,综合反映京津冀地区的协同发展特征。结果显示:①京津冀各城市建成区的空间聚集性不断增强,建成区面积不断增加,而斑块数量变化较少;②京津两市与河北省各市的关联程度有明显提升,主要集中在京津周边城市,且京津周边城市在空间上也更加趋近京津地区;③京津冀各城市发展差距逐渐缩小,河北省各市的区位度整体呈上升趋势,城市群的规模结构逐渐趋于均衡,基尼系数和首位度均呈下降趋势。总体来看,《纲要》实施后,京津冀地区的协同程度明显改善。

局部重力异常的球面小波多尺度信号分析

针对局部重力场信号的多尺度分析问题,利用EGM2008重力场模型前720阶和2190阶系数计算菲律宾南部地区(120°~130°E,0°~12°N)的重力异常,基于DOG球面小波建立球面小波模型并进行多尺度分析。结果显示,球面小波分解的能力与数据的分辨率有关,分辨率较高的重力数据在小尺度具有更多的细节特征;经叠加得到的重力异常球面小波模型值可以很好地还原重力异常信号。该方法将有望用于多源数据融合反演地球重力场、高精度海底地形反演等方面的研究中。