基于OCO-2卫星观测模拟高精度XCO2的空间分布

本文首次基于OCO-2卫星观测数据,采用高精度曲面建模（High Accuracy Surface Modeling, HASM）的方法来模拟大范围高精度的二氧化碳柱浓度（XCO₂）的空间分布。首先,探讨分析HASM方法应用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布的可行性。从2014年9月至2015年8月OCO-2观测的12个月的XCO₂数据中,分别随机选取其各个月90%的XCO₂数据用于空间插值,剩余10%作为精度验证点。自验证结果表明,12个月的平均绝对值误差为0.34 ppm。由此可见,HASM适用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布。然后,采用HASM对OCO-2在2014年9月至2015年8月的各个月观测数据进行空间插值,获取空间分辨率为0.5°×0.5°的各个月均值XCO₂的空间分布,同时基于地基观测TCCON( Total Carbon Column Observing Network)站的XCO₂数据对HASM模拟结果进行交叉验证。验证结果表明,HASM模拟的XCO₂与TCCON站对应观测数据相比,其平均绝对值误差为0.81 ppm,相关系数为0.88。因此,HASM在模拟OCO-2卫星观测的XCO₂空间分布上具有很大的优势。     

对流层中层与近地面大气二氧化碳浓度的比较研究

通过地基观测站点的实测数据,首次证实大气温室效应是由人为排放造成的,地表能量平衡受二氧化碳（CO₂）浓度水平的影响。因此,分析CO₂浓度时空分布特征,从而探究其源汇、控制其排放尤为重要。本文采用AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）对流层中层CO₂浓度数据及GOSAT（Greenhouse gases Observing SATellite）近地面CO₂浓度数据,对比研究了CO₂浓度在对流层中层及近地面的时空分布特征差异。结果表明,AIRS探测到的对流层中层CO₂浓度,在时空上普遍高于GOSAT探测到的近地面CO₂值,高值区位于30°~90°N,浓度多集中在390~395 ppm,这与AIRS探测的对流层中层CO₂浓度已充分混合相关;而GOSAT CO₂浓度高值区则位于热带、亚热带人口众多的地域,如非洲和中国东部沿海地区等人类活动活跃地带,这也表明GOSAT探测近地面CO₂的重要性,其可弥补地基站点测量在空间分布上的不足。本文进一步对比分析了CO₂浓度在海陆及南北半球的差异特征及影响原因,CO₂在海洋及陆地区域的平均浓度具有相似的时间波动特征,但其浓度在陆地几乎始终高于海洋,这与人类活动释放大量的CO₂密切相关。CO₂浓度在南北半球存在明显的差异,这是因为南半球的季节变化规律与北半球相反,且由于化石燃料燃烧及土地利用变化等主要集中在北半球,因而北半球CO₂浓度高于南半球。此外,本文还对NUCAPS（NOAA/NESDIS/STAR NOAA Unique CrIS/ATMS Processing System）反演得到的CrIS（Cross-track Infrared Sounder）CO₂柱平均浓度及廓线产品做了初步分析,发现其与AIRS、GOSAT CO₂分析结果一致。     

大气CO2浓度非均匀分布及其对地表升温影响的研究进展与展望

在气候变化和全球治理挑战日益严峻的背景下,CO₂排放及代价评估日益受到学术界和决策者的关注。当前全球范围包括联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估在内的几乎所有研究都是基于全球平均CO₂浓度来驱动气候模式的,但基于全球CO₂平均分布设定开展模拟影响评估在学术界多有争议。首先,综述了大气CO₂非均匀分布的证据,评述了大气CO₂浓度非均匀分布与地表升温过程的互馈机制。其次,从自然和人为2个维度,梳理了大气CO₂浓度非均匀分布形成的原因,并评估了其对地表升温的影响。最后,评述了当前大气CO₂浓度非均匀分布研究中存在的问题,进一步展望了其发展趋势,为把握全球与区域碳排放现状及气候变化影响提供科学判据。     

中国区域近地面CO2时空分布特征研究

本文利用2009年6月至2010年5月日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、日本环境署（MOE）与日本环境研究（NIES）所等联合开发的全球首颗专用温室气体观测卫星“呼吸号”（GOSAT）上的被动红外探测器（TANSO）官方反演的近地面975hPa左右的CO₂浓度L4B数据产品,采用ArcGIS地统计分析方法,对比瓦里关全球大气本底站地面观测数据进行真实性检验,分析中国区域近地面CO₂浓度分布的时空变化特征。结果表明：中国区域近地面CO₂浓度空间分布集中,东高西低,差异显著;CO₂浓度具有明显的季节变化特征,月平均浓度4月份（春季）升至最高,7月份（夏季）降至最低。结合“中国统计年鉴2012”中的2009年人口密度、能源消费总量（煤）和GDP等辅助数据对比发现：导致中国近地面CO₂浓度空间分布规律的原因多种多样,不可轻易定论是人为或自然使然,需进一步深入研究。     

基于移动监测数据的不同城市场景下PM2.5浓度精细模拟与时空特征解析

城市内部PM_2.5浓度分布具有明显的空间异质性,而传统方法基于遥感数据或监测站点数据进行分析,难以揭示高时空分辨率下城市内部的PM_2.5浓度分布特征,缺少不同时刻城市场景（如：道路、工业区、住宅区等）对PM_2.5浓度复杂非线性影响的解析。本研究将移动监测传感器安装于快递车上,采集福州市主城区南部不同类型场景的PM_2.5浓度,然后融合地理加权回归（Geographical Weighted Regression, GWR）和梯度提升决策树（Gradient Boosting Decision Tree, GBDT）方法,提出一种基于GWR-GBDT的PM_2.5模拟与场景解析模型,能够较好地拟合气象、场景因素与PM_2.5浓度的非线性关系,提升了城市PM_2.5污染精细监测能力;并结合部分依赖图解析不同时段不同场景因素对PM_2.5浓度的非线性作用影响。结果表明：① 基于移动PM_2.5浓度监测数据,利用GWR-GBDT模型能够较好地模拟城市场景、气象和PM_2.5浓度之间的非线性关系,能够有效精细模拟PM_2.5浓度的空间分布,十折验证R²结果为0.52~0.94;② 通过部分依赖图分析同一场景在不同时段对PM_2.5浓度响应的异质性,发现各类场景对PM_2.5浓度提升或抑制作用并不稳定;③ 解析不同时段人类活动与城市场景对PM_2.5浓度的交互作用发现,教育医疗单位和住宅区两类场景对PM_2.5浓度的提升作用都与人类通勤有密切关系,高污染场景中的建筑工地在采取的洒水降尘措施后能在数小时内有效缓解PM_2.5污染,公园文体服务区在多数时段对PM_2.5浓度具有抑制作用,工业区和道路多数时段会致使对PM_2.5浓度提升;④ 从PM_2.5浓度的空间分布来看,福州市主城区南部PM_2.5浓度总体呈现东南高-西北低的分布趋势,建筑工地、道路和工业区场景轻度以上污染面积占比明显高于其他场景,公园场景总体PM_2.5浓度较低,山体公园傍晚会受到周边工业区的影响而导致PM_2.5浓度升高,而城市陆地外围水域对沿岸PM_2.5浓度具有抑制作用;⑤ 研究结果可为不同场景下PM_2.5污染精细化治理、城市规划以及老人、儿童等高危人群的PM_2.5污染暴露风险防范提供支持。     

基于LUR的二氧化氮浓度空间分布模拟及其下垫面影响因素分析

随着经济的快速发展,空气污染已经成为当今重要的环境问题,引起公众的广泛关注,二氧化氮（NO₂）作为主要的空气污染物之一,成为相关研究的重点。通过监测数据发现,二氧化氮质量浓度值的空间分布具有区域性差异,所以对其空间分布模拟,以及形成区域差异的下垫面影响因素分析,具有重要的研究价值。土地利用回归模型（Land-use Regression,LUR）是将统计方法中的回归模型与空间上的土地利用数据、监测数据和其他相关的地理数据结合分析并在地图上显示的方法。本文结合缓冲区分析、叠加分析、Spearman相关性分析、多元回归分析等方法构建土地利用回归模型（Land Use Regression,LUR）,用于识别与NO₂浓度相关的下垫面影响因素,并模拟NO₂质量浓度的空间分布。LUR模型可以模拟出NO₂质量浓度空间分布特征,并针对下垫面影响因素得到以下结论：城乡居住地及工业用地面积增加、污染源的距离减少和道路长度增加会导致NO₂浓度升高;耕地面积、绿地面积和水域面积的增加会导致NO₂浓度减少;NO₂浓度最高的区域主要集中在工业园区;NO₂浓度值从城区到郊区递减,需要通过改变工业区结构和增加绿地面积来减少城区的NO₂浓度。     

基于地理神经网络加权回归的中国PM2.5浓度空间分布估算方法

中国空气污染问题日益严重,为获得连续的PM_2.5浓度空间分布,现有研究建立了多种基于统计回归的PM_2.5估算模型。然而,由于PM_2.5回归关系显著的空间非平稳性和复杂的非线性特征,如何实现高精度、高合理性的PM_2.5浓度空间大面估计仍然面临挑战,尤其在地形变化复杂、覆盖范围广阔的中国地区更为突出。本文引入了一种将普通线性回归（OLR）和神经网络结合的地理神经网络加权回归（GNNWR）模型,通过集成遥感数据、气象数据和地理信息数据建立了基于GNNWR的PM_2.5浓度空间估算方法。文章以中国2017年PM_2.5年平均浓度估算为例,开展了该模型与OLR、地理加权回归（GWR）的比较实验。实验结果表明,基于GNNWR的PM_2.浓度估算性能指标均明显优于OLR和GWR,且预测精度显著高于GWR。此外,GNNWR获得的PM_2.5浓度空间分布也更为合理,较为细致地刻画了中国地区PM_2.5浓度的局部空间变化和细节层次。     

集成多源遥感数据的PM2.5浓度空间分布制图

针对传统地面稀疏站点监测PM_2.5浓度以点带面的缺陷,本研究拟借助多源遥感数据开展了地面大气细颗粒物PM_2.5浓度空间分布模拟研究。以京津冀地区2013年的年均、季均PM_2.5浓度模拟图为例,用简化的气溶胶反演算法（SARA）反演了 1 km高分辨率AOD,并结合高分辨率遥感提取污染相关地理要素,对研究区PM_2.5浓度空间分布进行地理统计模拟及优选。结果表明：① SARA算法反演的AOD与地基AERONET相关性达0.99,能准确地反映研究区AOD的时空分布特征;② 集成多源遥感数据的地理加权回归模型拟合度高（平均R²-0.66）,其空间模拟显示研究区平均PM_2.5污染南部城镇最重,中东部城区次之,西北山区较轻;③ 研究区PM_2.5污染程度高,全年平均模拟浓度高达75 μg/m³,在气候环境及主要污染源季节性差异驱动下,浓度分布季节性特征显著,冬季污染最严重,而夏、秋季相对较轻。该成果对于精细把握PM_2.5污染特征,指导污染防控具有重要意义。     

耦合土地利用回归与人口加权模型的PM2.5暴露风险评估

PM_2.5已成为人群健康的重要威胁之一,科学精准的暴露评估是PM_2.5风险防控的前提,为提升PM_2.5暴露精准评估,本文利用土地利用数据、道路数据、气象数据等构建PM_2.5土地利用回归反演模型,实现了2013年12月1日-2014年2月8日（冬季）广佛都市区PM_2.5时空动态演变监测,在此基础上将PM_2.5反演结果与人口密度数据耦合,分别从PM_2.5污染浓度与人口加权PM_2.5浓度2个方面,评估广佛都市区PM_2.5污染暴露风险。研究结果表明：① 土地利用回归模型能够较好的反映研究区域内PM_2.5的空间分布特征,R²大于0.78;② 2013年12月1日-2014年2月8日,广佛都市区PM_2.5浓度平均值呈现波动变化趋势,研究时段内,最高平均浓度为97.91 μg/m³ （12月29日-1月11日）,最低平均浓度为53.40 μg/m³ （1月26日-2月8日）,全时段PM_2.5浓度超WHO健康标准的面积占比达99.8%;③ 广佛都市区PM_2.5的空间分布具有异质性规律,其高值区分别位于广州市天河区、越秀区、番禺区北部、花都区北部及佛山市禅城区、南海区中部、三水区中部,低值区主要位于广州市白云区、番禺区东南部及佛山市顺德区南部。人口加权暴露风险存在2个高值中心,分别位于广州市和佛山市的主城区;④ 耦合人口加权模型前后,广佛都市区PM_2.5暴露风险高风险区空间分布发生变化,未考虑人口加权模型时,广佛深高值区较为分散,主要位于南海区、天河区、越秀区、禅城区,考虑人口加权模型后,高值区更加集中于广州市和佛山市的主城区。     

珠江口盆地CO2分布特征与成藏机制浅析

珠江口盆地多个凹陷均有钻井钻遇CO₂气体, 个别井钻遇的CO₂体积分数高达90%以上, 这些CO₂气体直接驱替了早期油藏或影响了油气充注规模, 增加了勘探风险。运用钻井数据、地球化学分析数据、重磁研究结果, 通过分析CO₂分布特征, 总结CO₂分布与断裂、火成岩的关系, 明确CO₂分布的主控因素, 预测珠江口盆地高CO₂风险带的分布。研究表明: 珠江口盆地对油气成藏有影响的CO₂主要为无机幔源成因, 受区域盖层和储层的控制, CO₂主要分布在上渐新统到下中新统地层及以下地层, 向上CO₂逐渐减少, 同时无机幔源CO₂分布明显受控于断裂体系, 与基底断裂和火成岩体具有较好的对应关系。无机CO₂气源主要为幔源岩浆的脱气作用, 垂向运移主要受不同级别断裂控制, 尤其该区深大断裂和基底长期活动断裂起到了很大作用, 因此幔源岩浆活动与断裂体系是CO₂汇聚的主控因素。由于珠江口盆地不同凹陷结构差异的影响, 幔源CO₂运聚成藏机制可概括为两类: 一是在北部坳陷带, 地壳厚度大, CO₂沿着深大断裂逐级向中上地壳运移形成"中转站", 然后在基底断裂的沟通下向浅层运移成藏; 二是在珠二坳陷, 由于地壳减薄作用, 并且发育拆离体系, 幔源岩浆首先到达拆离面, 脱出的CO₂沿着拆离面运移, 当遇到深切至拆离面的断裂后继续向浅层运移成藏。基于以上分析并结合运聚条件预测出珠江口盆地分布着7个高CO₂风险带, 这7个高CO₂风险带均位于深大断裂带附近, 并且周边火成岩较为发育。      

结合TRMM数据的区域降水高精度曲面建模研究

高精度曲面建模方法（High Accuracy Surface Modeling, HASM）,从理论上解决了传统方法在插值过程中峰值削平和边界震荡等问题。其模拟精度相对于经典插值方法有很大提高,已成功应用于人口密度、土壤属性,以及气候要素等领域的空间制图。然而,由于地面气象站点数量和分布的限制,使得HASM仅依靠站点数据难以得到高精度的空间降水估计数据,因此,本文以地貌与气候类型复杂多样的我国中西部地区2010年年降水量空间分布模拟为例,采用混合插值法进行HASM区域降水模拟。结果表明,TRMM作为背景场的HASM模拟的年降水量精度,在全局和局部明显优于IDW、Spline和Kriging等经典插值方法的结果,作为背景场的HASM模拟精度,MAE和RMSE分别为125.15 mm和155.80 mm,其他方法最好的模拟结果比其误差值分别高出53.6%和54.5%;其模拟误差在不同子区域都较小;各种方法在平原的精度都高于山区的精度。     

高精度曲面建模的中国气候降尺度模型

 与站点统计降尺度插值和动力降尺度相比,高精度曲面建模(HASM)降尺度,具有不需大尺度预报因子,直接从GCM结果构建区域上高空间分辨率的未来气候模拟曲面的优势。HASM降尺度将未来气候,分为历史观测拟合的气候基准值和GCM未来气候变化值进行模拟,精度明显高于传统方法,但常系数全局拟合的气候基准值忽略了降水分布的空间非平稳性,导致降水模拟受到较大影响。为增强降水降尺度的气候背景值的描述能力,通过分析全国尺度降水的非线性非平稳性特点,提出耦合空间变系数气候基准值的HASM空间变系数降尺度模型(HASM-SVDM)以改进HASM对非平稳要素的降尺度能力,并以1961-2010年全国气温降水观测数据结合地形特征信息,利用HASM降尺度方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 3种情景的1961-1990、2010-2039、2040-2069和2070-2099时段的全国未来气温与降水进行降尺度模拟。分析表明,耦合全局线性模型的HASM常系数降尺度模型适合全国气温的降尺度模拟,而耦合空间变系数拟合的HASM-SVDM增强了空间非平稳背景值的描述能力,模拟的空间分布更能体现降水总体的非均匀分布趋势,适合全国降水的降尺度模拟。     

基于流域盆地面积的郑洛地区史前聚落遗址分析

本文以郑洛地区为研究区域,以裴李岗文化时期、仰韶文化前期、仰韶文化后期和龙山文化时期为时间序列,对研究区域的流域盆地面积与相应的遗址点数量的关系、流域盆地面积与相应的遗址点增长速率的关系,以及各个流域盆地中遗址点分布密度的时空分布特征进行了研究。结果显示：（1）通过相关方法分析,以数字化的形式表明了流域盆地面积与分布的遗址点数量呈显著的正相关关系,且裴李岗文化时期的相关程度与其他3个文化时期相比较小;（2）对各流域盆地内遗址点的变化趋势分析发现,流域盆地面积与分布的遗址点变化趋势呈显著的正相关关系,这也解释了流域盆地黄河流域（B）、伊洛河流域（C）的变化趋势最快的缘由;（3）对各流域盆地内遗址点的分布密度进行分级可发现,在裴李岗文化时期,东部地区遗址点的分布密度大于西部地区,而其他3个文化时期是中西部地区大于东部地区。     

20世纪90年代中国东西部土地利用变化时空特征分析

在覆盖全国的1km栅格土地利用本底与动态成分数据时空信息平台支持下,应用土地利用动态度模型,分别计算了全国及东西部地区土地利用一级类型的单一和综合动态度,并分析了土地利用动态度的空间格局。通过分析东西部土地利用类型变化特征和土地利用类型转换特征,对20世纪90年代中国东西部土地利用变化过程的时空特征进行了全面分析,揭示了东西部地区土地利用变化的时空规律。并对主要土地利用类型变化的原因进行了分析。     

新型城镇化水平区域差异与驱动因素分析

基于新型城镇化内涵的深刻理解及城镇化发展历程的梳理,尝试性利用等权重方法,对2000~2015年中国31个省市新型城镇化发展水平进行测度和时空维度及集聚特征展示。在此基础上建立多元回归模型,对中国进行分区域新型城镇化发展驱动力进行分析。结果表明,中国东、中、西部新型城镇化发展主导驱动因素分别为外向力、市场力和行政力。政府应在充分认识新型城镇化内涵基础上,对东、中、西部实行不同发展策略,缩小区域差异。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

利用GPS观测分析青藏高原东缘应变特征

根据青藏高原东缘2004~2007年的GPS观测资料,通过多面函数法建立青藏高原东缘地壳水平运动速度场模型,给出球面坐标系下的视应变场。对照该区同期发生的地震活动,讨论了水平运动、应变场空间分布与强震和区域构造变形的关系。结果表明,松潘块体东西向地壳缩短显著,川滇块体以左旋剪切变形和顺时针转动为主。地应变特征表明,2008年汶川地震前龙门山地区为面应变能次高值区,呈面压特性,应变快速积累,龙门山断裂带中段震前处于闭锁状态。鲜水河断裂带西段南北地壳呈北东-南西向挤压缩短,东段两侧呈北西-南东向压缩。川滇菱形块体为应变能和面应变率梯度高值区,金沙江西部的应变能次高值区与羌塘块体的构造应力作用有关。     

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