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。     

地表CO2浓度分布模拟试验及分析

如何获取CO₂浓度时空分布特征,是气候变化研究中的一个关键问题。本文基于中国碳卫星在吉林航飞试验区的地面观测数据,分析地表CO₂浓度与环境变量的相关关系,运用多元线性回归与HASM高精度曲面建模相结合的方法,模拟航飞区地表CO₂浓度分布格局。结果表明：CO₂浓度空间分布受气象条件的影响较大,短波辐射是影响CO₂浓度的重要因素;第1时段整体浓度最高,特别是在西部区域;第2时段CO₂浓度高值区东移,呈现西低东高的分布特点;第3时段浓度空间分布与第2时段有类似的特征,但细节存在差异,且高值区缩小;精度对比显示在采样点较少及采样密度不大的情况下,HASM方法的模拟误差小于Kriging方法。因此,这种使用多元线性回归模型通过引入环境变量获得高分辨率趋势面,结合HASM模型进行修正残差提高模拟结果精度的手段,可作为模拟地表CO₂浓度时空分布的有效方法。     

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。     

耦合卡尔曼滤波和多层次聚类的中国PM2.5时空分布分析

近年来,细颗粒物污染尤其是PM_2.5受到人们越来越多的关注,研究PM_2.5的时空分布规律也具有越来越重大的意义。传统的遥感反演方法模型复杂,且不能揭示近地表面的PM_2.5分布规律。地面监测站的建设为PM_2.5的研究提供了更实时的观测数据,但由于测量噪声的影响,观测数据存在不准确的极端异常值。为了揭示中国PM_2.5的时空分布特征,本研究采用Kalman滤波对2015年中国338个城市的空气质量监测网络大数据进行最佳估计,并分析其时空特征。同时,根据中国各城市的PM_2.5浓度的时序分布,采用基于DTW的K-Medoids聚类方法将其分为4个等级,并采用q统计量来评估PM_2.5浓度分布的空间分层异质性。结果表明,采用Kalman滤波能有效去除数据噪声,峰值信噪比（PSNR）明显增大。在时空分布上,中国PM_2.5时间分布曲线呈现“U”形,冬季PM_2.5浓度明显高于夏季,且日变化曲线呈现“W”形;秋冬季PM_2.5浓度的空间分层异质性非常显著,且空间分布呈现“双核分布”,重污染区主要分布在华北平原、新疆等地,西藏、广东、云南等地是稳定的空气质量优良区。     

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。     

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。     

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。     

基于遥感数据和XGBoost算法的31个城市NO2、CO2浓度比率变化特征

研究城市二氧化氮(NO₂)与二氧化碳(CO₂)的共同排放水平对于实现城市减污降碳协同增效具有重要意义。NO₂与CO₂的人为排放具有同源性,二者的浓度比率可以体现城市的大气污染物和碳排放综合水平。基于XGBoost算法,利用对流层星载监测仪(TROPOMI)、轨道碳观测2号(OCO-2)和3号(OCO-3)卫星的遥感数据以及相关环境协变量,重构全国2019～2020年NO₂垂直柱浓度(X_NO2)和CO₂垂直柱浓度(X_CO2)的高分辨率数据集,并分析31个城市的X_NO2年均值与ΔX_CO2(X_CO2观测值与背景值之差)的比率(X_NO2/ΔX_CO2)变化情况。结...     

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。     

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。      

大气二氧化碳遥感反演精度检验及时空特征分析（可下载全文）

 利用卫星遥感探测大气二氧化碳(CO₂)浓度,相比传统的地面观测方法,具有稳定、连续、大尺度观测等诸多优点,能更好地获得全球CO₂的时空分布与变化特征。随着卫星遥感技术的发展,一系列具备大气CO₂探测能力的卫星相继发射升空,大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)、温室气体观测卫星(GOSAT)、大气红外探测仪(AIRS)等卫星传感器,已经获得了多年的全球CO₂浓度分布产品。对这些卫星资料进行对比分析,并与本底观测数据进行全球范围的长时间序列的对比验证。研究显示,3种CO₂卫星遥感产品中,SCIAMACHY数据系统性略高于本底数据,且观测范围局限性较大;GOSAT数据稳定性较好,但系统误差较大,平均低于本底数据近9ppmv;AIRS数据产品相比前两者优势突出,单月全球覆盖率达到90%左右,与本底观测数据平均误差小于2ppmv(0.5%),相关系数达到0.9以上,能够较好地反映全球大气CO₂浓度的时空特征。卫星遥感产品与本底观测资料显示,全球CO₂浓度空间分布呈现出明显的纬度分布规律与海陆分布规律,时间变化规律方面则表现出明显的季节性周期变化。     

基于GOSAT卫星的全球近地面甲烷浓度时空分布特征分析

甲烷(CH_4)作为自然界最常用的燃料,分布极广。同时,甲烷作为第二大温室气体,在温室效应的过程中有重要影响。近地面甲烷受多种因素影响在高度上分布不均,影响着人类的生存和生产生活。本文利用2009年6月到2012年5月GOSAT卫星上FTS传感器的L4B级数据,研究了近地面甲烷浓度在时间和空间上的分布特征,结果表明:在时间分布方面:(1)甲烷月平均浓度处于整体上升趋势,最大增量约为2.35×10~(-8)micromol/mol;(2)从每年9月到次年2月,甲烷月平均浓度以不同增速持续增加;(3)4月到9月,甲烷月平均浓度下降,期间出现下降幅度波动,下降幅度小于上升幅度;(4)2月到4月处于阶段性峰值;(5)甲烷季节浓度的大小关系为:春季冬季夏季秋季。在空间分布方面:(1)全球近地面甲烷白天的浓度与夜晚浓度分布不同,有集聚现象;(2)从整体上分析,甲烷主要分布在北半球,南半球甲烷稀少;(3)从洲际上分析,亚欧非大陆甲烷浓度大于美洲大陆。(4)从地区分析,甲烷浓度分布不均匀;(5)从海陆分析,陆地甲烷浓度明显大于海洋。     

基于频度统计和神经网络的北太平洋柔鱼渔场预报模型比较

利用2004~2010年北太平洋鱿钓船队生产数据和海洋环境数据,以海表温度(SST)1℃、海面高度(SSH)为1 cm、叶绿素a浓度(CHL-a)为0.1 mg/m3的间距,分析作业产量、CPUE与SST、SSH、CHL-a的关系,得到柔鱼渔场适宜环境因子范围,并将生产数据和环境数据匹配组成样本集,建立北太平洋柔鱼空间分布BP神经网络模型;利用2011年环境数据预报柔鱼渔场,并与2011年实际生产数据进行对比。结果表明,6~10月各月实际作业位置落入基于频度统计方法预报渔场的概率达90%以上;而BP模型预报的平均精度为79.2%,最低精度为52.5%。基于多环境因子的频度统计柔鱼渔场预报模型优于神经网络模型。     

浙中金华地区“2013.3.20”春季雷暴天气过程研究分析

为了探索春季强对流发生发展的机制,利用常规观测资料、MICAPS资料以及新一代多普勒天气雷达资料,采用天气学诊断方法,对2013年3月20日凌晨发生在浙中金华地区的一次大范围的强雷暴天气过程进行分析。结果表明:(1)高空槽和地面倒槽是此次强对流天气过程的主要影响系统;(2)高空三层为一致的西南急流,水汽输送强;(3)中低层急流附近存在强的垂直上升运动中心且几乎重合,500hPa到地面存在强的垂直风切变,动力条件好;(4)中低层深厚的暖平流与高层弱冷平流相互作用形成了上干冷、下暖湿的不稳定层结;(5)中层冷空气渗透,促使强对流进一步发展,风暴发展为中-β尺度飑线系统,但前沿无阵风锋产生;(6)飑线南段的超级单体风暴发展为非超级单体强风暴,在雷达图上表现为"弓形"回波,其顶点经过武义站时造成27.4m/s(10级)的瞬时大风;(7)VIL高值维持时间较短,不利于冰雹出现。     

多源遥感数据时空融合模型应用分析

多源遥感数据时空融合模型是解决目前遥感数据获取能力不足问题的重要方法之一,当前主要融合方法的研究,集中于平原区域,缺乏复杂条件下的多源遥感数据融合技术的应用研究。针对我国南方复杂条件,本文对比研究了多源遥感数据时空融合模型在我国南方复杂条件下的应用能力。针对LORENZO模型、LIU模型、统计回归模型、STARFM和ESTARFM 5种主流多源遥感数据时空融合模型,采用Landsat-ETM+和MODIS数据,以江苏省南京市的小块区域为实验区,利用5种模型生产融合影像,以真实Landsat-ETM+数据为模板,定性和定量评价融合效果的好坏。结果表明：除LORENZO模型外,其余4种模型获得的融合影像与真实影像之间都具有较高的相关性,相关系数均高于0.6,其中,ESTARFM模型的融合影像与真实影像间的相关性最高,融合效果最好,其次为STARFM模型,再次为LIU模型和统计模型法。在融合过程中采用距离、时间和光谱等信息越多,融合效果越好,在复杂地区的适用能力越强,融合影像更能反映地物的细节特征。     

DEM地形描述误差(Et)计算模型研究

论文依据DEM地形描述误差（简称Et）的产生机理,在分析现有Et计算模型的基础上,研究建立了顾及DEM格网布设位置的新型Et计算模型,同时以1:5万黄土丘陵地形为例,采用对比分析法揭示了DEM高程插值模型对Et计算结果准确性的影响。实验测试表明：（1）模型能有效地解算出Et的标准差、平均值、最大值、最小值等指标,准确展示出Et的空间分布特征,有助于实现DEM地形描述质量与应用不确定性的分区评价;（2）与双线性、三次卷积、局部二次多项式等常用DEM插值模型相比,以4×4 DEM格网单元为搜索圆的完全规则样条函数插值模型所重构的DEM地表形态,能更为理想地反映Et的量值大小和空间分布。     

基于组件技术的地表蒸散发遥感监测系统设计与应用

针对遥感模型与水热模型集成应用的需求,以C#语言结合ENVI/IDL和ArcGIS Engine混合编程技术,设计开发了地表蒸散发遥感监测系统的基本流程,对系统数据库设计及遥感模型与水热模型集成模式进行了研究,研发了单元蒸散发参数反演与结果校验功能,实现了遥感模型与水热模型的集成应用.系统对黄河三花间流域以MODIS遥...     

Removal of Mercury(Hg(Ⅱ)) from Seaweed Extracts by Electrodialysis and Process Optimization Using Response Surface Methodology

In this work,response surface methodology(RSM)was employed to model and optimize electrodialysis process for mercury(Hg(II))removal from seaweed extracts.Box-Behnken design(BBD)was utilized to evaluate the effects and the interaction of influential variables such as operating voltage,influent flow rate,initial concentration of Hg(II)on the removal rate of Hg(II).The developed regression model for removal rate response was validated by analysis of variance,and presented a good agreement of the experimental data with the quadratic equation with high value coefficient of determination value(R2=0.9913,RAdj 2=0.9678).The optimum operating parameters were determined as 7.17V operating voltage,72.54L h−1 influent flow rate and 5.04mgL−1 initial concentration of mercury.Hg(II)removal rate of 76.45%was acquired under the optimum conditions,which showed good agreement with model-predicted(75.81%)result.The results revealed that electrodialysis can be considered as a promising strategy for removal of Hg(II)from seaweed extracts.     

2010年中国西南旱情的时空特征分析——基于MODIS数据归一化干旱指数

 近年来,干旱灾害频繁发生,对区域内农业生产和生态环境造成了极大的破坏。为了快速准确地获取大面积地表土壤水分信息用以评估地表受旱程度,本文以2010年年初中国西南大旱为例,运用MODIS可见光-红外波段数据以及像元可信度综合生成了归一化干旱指数(NDDI)。同时,结合研究区内地面气象站点实测的土壤湿度数据验证了NDDI对地表土壤湿度的敏感度。结果表明:相比于植被状态指数(VCI)干旱监测模型,NDDI能更加灵敏地对浅层地表干湿变化做出迅速响应。最后,本文利用NDDI分析了2010年年初中国西南大旱旱情发展的时空演变过程,宏观上重现了此次旱情的发展历程,并使用该指数统计了不同时间节点、不同干旱等级下的贵州省土地受旱面积。结果显示:2010年1月-2010年4月为贵州省旱情最为严重的4个月,平均受旱面积达103 352km²,最大受旱面积达132 257km²,占贵州省总面积的75%以上。同时,旱情等级为重旱的土地面积最大达到88 246 km²,占贵州全境土地面积的50%以上。     

河北省活动积温时空分布规律研究

为了解河北省作物生长发育和产量形成的热量条件,利用1961~2009年河北省139个观测站的逐日气温资料,应用线性趋势分析、样条函数插值等方法分析河北省≥0℃、≥10℃活动积温的时空分布特征。结果表明:(1)49年来河北省大部分地区≥0℃(≥10℃)活动积温的最小值出现在20世纪70年代,≥0℃(≥10℃)活动积温的最大值出现在1991年之后。从整体看,河北省≥0℃(≥10℃)活动积温在增加。(2)1961~2009年的河北省≥0℃(≥10℃)活动积温空间差异较大,大部分地区介于2700~5016℃·d(2185~4526℃·d),其中冀南平原地区活动积温最大,沿海地区活动积温居中,冀北高原地区活动积温最小。(3)1961~2009年的河北省≥0℃(≥10℃)活动积温的相对变率南北差异较大,冀北高原活动积温相对变率明显大于冀南平原;≥0℃活动积温比≥10℃活动积温稳定。