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结合地基PM_(2.5)观测资料构建京津冀MODIS AOD完整数据集

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环境科学学报 2024年第5期44卷 368-383页

作者：魏强宋春杰李梦诗段继福李夫星韩芳李伟妙王卫河北师范大学地理科学学院石家庄050024 河北省环境演变与生态建设实验室石家庄050024 河北省环境变化遥感技术识别创新中心石家庄050024

针对遥感气溶胶光学厚度(AOD)产品普遍存在的非随机性缺失问题,本文选取2020年京津冀地区10km×10km的MODIS_MYDMOD04_L2日值数据和地基PM_(2.5)浓度观测日值数据,经过MODIS AOD单星两种算法产品的逆方差加权及双星算术平均融合、PM_(2... 详细信息

针对遥感气溶胶光学厚度(AOD)产品普遍存在的非随机性缺失问题,本文选取2020年京津冀地区10km×10km的MODIS_MYDMOD04_L2日值数据和地基PM_(2.5)浓度观测日值数据,经过MODIS AOD单星两种算法产品的逆方差加权及双星算术平均融合、PM_(2.5)浓度数据的嵌套式时空混合效应模型转换融合和基于上述两种融合产品的时空克里金插值融合等方法集成,建立了研究区完整的AOD日值数据集.结果显示:经AERONET AOD数据验证,双星MODIS AOD融合结果R^(2)为0.87,RMSE为0.27;混合效应模型转换融合结果R^(2)为0.82,RMSE为0.31;时空克里金插值融合结果R^(2)为0.83,RMSE为0.28.AOD数据年平均每日空间覆盖率从MODIS原始数据的58.36%提高到时空克里金插值融合后的98.00%.MODIS AOD多算法多星数据融合的作用是增强与PM_(2.5)浓度日均值数据在时间尺度上的匹配度.地基PM_(2.5)浓度转换融合的作用一是补充区域内分布较均匀的局域AOD相对高值数据,保障了后续时空克里金插值的整体精度;二是能改善大片区域原始AOD数据缺失问题,可明显提高插值的时空覆盖率.所设计的数据融合方法体系,具有方法较简便、精度较高、数据集完整性好的特点.

关键词： MODIS AOD 地基PM_(2.5)观测数据逆方差加权嵌套式时空混合效应模型时空克里金插值京津冀

基于PM站点监测数据的京津冀AOD补值方法研究

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中国环境科学 2022年

作者：宋春杰魏强范丽行王卫韩芳李伟妙李夫星成贺玺邯郸市城乡规划编制研究中心河北省环境变化遥感技术识别创新中心河北师范大学地理科学学院河北省环境演变与生态建设实验室

卫星气溶胶光学厚度(AOD)已成为估算从局地到全球PM浓度的重要预报因子.但由于高地表反射率和云雪覆盖的影响，从卫星遥感获得的气溶胶观测数据常出现非随机性的缺失，这将限制其在PM暴露评估中的使用.本研究以京津冀2020年318个地面监... 详细信息

卫星气溶胶光学厚度(AOD)已成为估算从局地到全球PM浓度的重要预报因子.但由于高地表反射率和云雪覆盖的影响，从卫星遥感获得的气溶胶观测数据常出现非随机性的缺失，这将限制其在PM暴露评估中的使用.本研究以京津冀2020年318个地面监测站点的PM数据为估算因子，构建了时空线性混合效应模型(STLME)和时空嵌套线性混合效应模型(STNLME)，为AOD补值研究提供了一种新方法.结果表明:在有AOD -PM匹配数据的日期，上述两个模型估算精度相近，交叉验证后决定系数R分别为0.868和0.874，均方根误差RMSE分别为0.112和0.109;在无AOD-PM匹配数据的日期，嵌套模型估算精度明显高于非嵌套模型，交叉验证后决定系数R分别为0.63和0.26.经过模型补值后，研究区监测站点所在网格AOD数据空间维有效比率从原始数据的44.35%提高到99.35%，时间维有效比率从87.94%提高到100%;同时，每个站点的年均AOD值都有明显提高，弥补了高PM浓度条件下缺失的AOD数据，可以减少空气污染和健康研究中暴露评估的偏差.

关键词： MAIAC AOD 监测站点AOD补值时空混合效应模型时空嵌套混合效应模型京津冀

基于PM_(2.5)站点监测数据的京津冀AOD补值研究

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中国环境科学 2022年第7期42卷 3000-3012页

作者：宋春杰魏强范丽行王卫韩芳李伟妙李夫星成贺玺河北师范大学地理科学学院河北石家庄050024 河北省环境演变与生态建设实验室河北石家庄050024 河北省环境变化遥感技术识别创新中心河北石家庄050024 邯郸市城乡规划编制研究中心河北邯郸056000

以京津冀2020年318个地面监测站点的PM_(2.5)数据为估算因子,构建了时空线性混合效应模型(STLME)和时空嵌套线性混合效应模型(STNLME),为AOD数据的补值研究提供了一种新方法.结果表明:在有AOD-PM_(2.5)匹配数据的日期,上述两个模型估算... 详细信息

以京津冀2020年318个地面监测站点的PM_(2.5)数据为估算因子,构建了时空线性混合效应模型(STLME)和时空嵌套线性混合效应模型(STNLME),为AOD数据的补值研究提供了一种新方法.结果表明:在有AOD-PM_(2.5)匹配数据的日期,上述两个模型估算精度相近,交叉验证后决定系数R^(2)分别为0.868和0.874,均方根误差RMSE分别为0.112和0.109;在无AOD-PM_(2.5)匹配数据的日期,嵌套模型估算精度明显高于非嵌套模型,交叉验证后决定系数R^(2)分别为0.63和0.26.经过模型补值后,研究区监测站点所在网格AOD数据空间维有效比率从原始数据的44.35%提高到99.35%,时间维有效比率从87.94%提高到100%;同时,每个站点的年均AOD值都有明显提高,弥补了高PM_(2.5)浓度条件下缺失的AOD数据,可以减少空气污染和健康研究中暴露评估的偏差.

关键词： MAIAC AOD 监测站点AOD补值时空混合效应模型时空嵌套混合效应模型京津冀

基于时空混合效应模型的京津冀PM_(2.5)浓度变化模拟

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环境科学 2022年第5期43卷 2262-2273页

作者：范丽行杨晓辉宋春杰李梦诗段继福王卫李夫星李伟妙河北师范大学地理科学学院石家庄050024 河北省环境演变与生态建设实验室石家庄050024 河北省科学院地理科学研究所河北省地理信息开发应用工程技术研究中心石家庄050011 河北省环境变化遥感识别技术创新中心石家庄050024

为揭示京津冀地区高精度PM_(2.5)的时空分布特征,以空间分辨率为1 km的MAIAC AOD数据为主要预测因子,以气象数据、植被指数、夜间灯光数、人口密度和海拔数据作为辅助因子,构建了一种新的时空混合效应模型(STLME),在拟合最优次区域划分... 详细信息

为揭示京津冀地区高精度PM_(2.5)的时空分布特征,以空间分辨率为1 km的MAIAC AOD数据为主要预测因子,以气象数据、植被指数、夜间灯光数、人口密度和海拔数据作为辅助因子,构建了一种新的时空混合效应模型(STLME),在拟合最优次区域划分方案基础上对京津冀地区PM_(2.5)浓度进行预测分析.结果表明,基于STLME模型的ρ(PM_(2.5))预测精度高于传统的线性混合效应模型(LME),其十折交叉验证(CV)R^(2)为0.91,明显高于LME模型的0.87,说明STLME模型在同时校正PM_(2.5)-AOD关系的时空异质性方面具有优势.最优次区域划分方案识别出PM_(2.5)-AOD关系的空间差异,并结合缓冲区平滑方法,提高了STLME模型预测精度.京津冀PM_(2.5)浓度时空变化差异显著,高值区主要分布在以石家庄、邢台和邯郸为中心的河北南部,低值区则位于燕山-太行山区;冬季PM_(2.5)污染最严重,其次是秋季和春季,夏季污染最轻.STLME模型提供的高精度PM_(2.5)浓度时空分布预测结果,为京津冀地区与PM_(2.5)污染相关的健康风险评估提供了科学依据,也为大气污染源识别提供了科学参考.

关键词： PM_(2.5) 多角度大气校正算法的气溶胶光学厚度(MAIAC AOD) 时空混合效应模型(STLME) 时空差异京津冀地区(BTH)

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基于USLE模型的河北省土壤侵蚀评价研究

基于USLE模型的河北省土壤侵蚀评价研究

作者：李夫星河北师范大学

学位级别：硕士

土地资源是人类赖以生存的物质基础，关系着人类未来的生存与发展。土壤侵蚀作为全球性生态问题之一，对地表土地资源造成了极大的危害，其侵蚀结果包括破坏地表植被，剥蚀表层土壤，导致土壤营养物质流失，降低土壤生产力等等。本文采... 详细信息

土地资源是人类赖以生存的物质基础，关系着人类未来的生存与发展。土壤侵蚀作为全球性生态问题之一，对地表土地资源造成了极大的危害，其侵蚀结果包括破坏地表植被，剥蚀表层土壤，导致土壤营养物质流失，降低土壤生产力等等。本文采用通用土壤流式方程（USLE）对河北省土壤侵蚀情况进行定量评价研究。本文以河北省最主要的土壤侵蚀类型—水蚀—作为研究对象。河北省是中国土壤侵蚀较为严重的省份，主要表现为地表完整性遭到破坏，耕地资源不断减少，土壤表层逐渐变薄，土壤营养物质流失，地表植被逐渐消失，由于水土流失导致河道阻塞引发洪水等等。土壤侵蚀所造成的一系列生态灾害严重威胁者河北省的经济社会发展以及生态安全，对人民的生产生活也造成了严重的影响。目前对河北省的土壤侵蚀研究还很少，因此增加对河北省土壤侵蚀方面的研究将对河北省的经济和社会发展具有十分重要的意义。本文利用在土壤侵蚀研究中得到广泛应用的USLE模型对河北省土壤侵蚀进行定量研究。USLE模型计算简单，精度较高，它通过将土壤侵蚀与生态影响因子建立关系方程，来对土壤侵蚀情况进行定量研究。模型影响因子主要包括降雨侵蚀力因子（R）、土壤可蚀性因子（K）、坡度因子（S）、坡长因子（L）、植被覆盖度因子（C）及土壤保持措施因子（P）。本文源数据主要来于河北省降雨及土壤实测资料，归一化植被指数和数字高程模型等遥感数据，数据精度统一为30m，以河北省为研究范围，研究的时间尺度为2011年。在遥感和地理信息系统技术的支持下，通过选取不同的计算模型对各个土壤侵蚀影响因子进行计算，得到降雨侵蚀力因子值、土壤可蚀性因子值、地形因子值、植被覆盖度因子值及土壤保持措施因子值。然后在Acgis9.3软件的支持下，将所得到了因子值进行综合计算，最终获得了河北省土壤侵蚀模数。然后以土壤侵蚀模数为依据，结合我国土壤侵蚀分类分级标准，将河北省土壤侵蚀强度划分出不同级别，并对河北省土壤侵蚀强度的空间差异进行分析。研究结果表明河北省土壤侵蚀强度以微度侵蚀为主，主要分布在河北省东南部平原区、坝上草原区及冀西北间山盆地地区。其次为轻度侵蚀、主要分布在河北省山区低海拔丘陵台地及山前交界地区。然后是中度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀，主要分布在河北省山区的中山地区。剧烈侵蚀面积很少，主要分布在冀西北和唐山秦皇岛的低海拔丘陵土石山区。本文采用通用土壤流式方程对河北省土壤侵蚀进行了定量评价，并对土壤侵蚀强度进行了分级，从而为河北省土壤保护及治理工作提供了一定的科学依据，同时为河北省进一步的土壤侵蚀研究提供了理论依据。

关键词：河北省 USLE模型土壤侵蚀生态影响因子侵蚀强度分级

夏季风等环流因子对黄河中游径流量周期变化的影响

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地理科学 2016年第6期36卷 917-925页

作者：颜明李夫星贺莉吕美朝陈东中国科学院地理与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

基于黄河中游4个水文站1919~2010年还原的天然径流量、1873~2011年的夏季风强度指数、北大西洋涛动指数（NAO）和西太平洋副高指数等资料,利用Morlet小波方法分析了黄河中游河口镇-龙门区间（简称河龙区间）,龙门-三门峡区间（简称龙三... 详细信息

基于黄河中游4个水文站1919~2010年还原的天然径流量、1873~2011年的夏季风强度指数、北大西洋涛动指数（NAO）和西太平洋副高指数等资料,利用Morlet小波方法分析了黄河中游河口镇-龙门区间（简称河龙区间）,龙门-三门峡区间（简称龙三区间）和三门峡-花园口区间（简称三花区间）径流量的周期变化,并探索了夏季风、中纬度西风与西太平洋副高等环流因子对黄河中游3个区间径流量周期性变化的影响。研究发现,黄河中游3个区间径流量的变化对夏季风、中纬度西风和西太平洋副高存在差异性响应,季风对于黄河中游的径流量不仅在时间上具有趋势性的影响,更为重要的是存在周期性的控制作用,在80 a长周期上对于整个黄河中游都有控制作用,但影响黄河中游降水-径流过程的不仅仅是夏季风,相关统计结果表明还受到西风带和西太平洋副高周期的影响。3个区间都存在一个中等尺度（25 a）的周期,这个周期在夏季风上没有得到体现,河龙区间和龙三区间的25 a周期是受西风带影响所致,而三花区间的中尺度25 a周期是西太平洋副高指数的强度和西界的作用所致。

关键词：小波分析径流量夏季风西太平洋副高黄河中游

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环渤海四省市海洋可持续发展能力比较评价

海洋通报 2013年第3期32卷 338-344页

作者：李夫星郑颖娟张玉王卫河北师范大学资源与环境科学学院河北省环境演变与生态建设重点实验室河北石家庄050024

通过构建分层递阶式可持续发展指标体系,采用一套自下而上的综合评价方法,对2008年环渤海沿海地区津冀鲁辽四省市的海洋可持续发展能力进行了比较评价。评价结果显示,天津和山东海洋可持续发展总能力较强,辽宁和河北则较弱。其中,海洋... 详细信息

通过构建分层递阶式可持续发展指标体系,采用一套自下而上的综合评价方法,对2008年环渤海沿海地区津冀鲁辽四省市的海洋可持续发展能力进行了比较评价。评价结果显示,天津和山东海洋可持续发展总能力较强,辽宁和河北则较弱。其中,海洋经济发展能力以天津最强,山东次之,辽宁较弱,河北最弱;海洋环境承载能力以河北最强,天津次之,山东和辽宁最弱;由于发展阶段差异,各省市海洋环境与发展能力的比较优势和劣势各不相同,天津和山东为环境承载能力制约型,辽宁和河北为经济发展能力制约型。国际经验表明,环渤海四省市海洋经济发展仍然没有摆脱以资源环境破坏为代价获取经济增长的传统工业化发展模式,如果照此模式发展下去,渤海海洋资源环境将会面临更大风险。

关键词：环渤海四省市指标体系方法体系海洋可持续发展能力评价

京津冀地区高分辨率PM_(2.5)浓度时空变化模拟与分析

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环境科学 2021年第9期42卷 4083-4094页

作者：杨晓辉宋春杰范丽行张凌云魏强李夫星王丽艳王卫河北师范大学资源与环境科学学院石家庄050024 河北省环境演变与生态建设实验室石家庄050024 河北省环境变化遥感识别技术创新中心石家庄050024

为了全覆盖、高分辨率和高精度识别京津冀地区大气PM_(2.5)质量浓度时空变化,选取多角度大气校正算法遥感反演的1km AOD为主要预测因子,多种气象要素和土地利用要素为辅助预测因子,构建了混合效应模型+地理加权回归模型的两阶段统计模型... 详细信息

为了全覆盖、高分辨率和高精度识别京津冀地区大气PM_(2.5)质量浓度时空变化,选取多角度大气校正算法遥感反演的1km AOD为主要预测因子,多种气象要素和土地利用要素为辅助预测因子,构建了混合效应模型+地理加权回归模型的两阶段统计模型,并针对京津冀地区PM_(2.5)污染较严重的特点,模型中引入了AOD2等独特预测因子.通过上述两阶段模型定量预测了研究区2017年1 km^(2)空间分辨率的每日PM_(2.5)质量浓度.结果表明,模型交叉验证的决定系数R2为0.94,斜率为0.95,均方根预测误差为13.14μg·m^(-3),在前人基础上预测精度进一步提升,可用于PM_(2.5)浓度时空变化预测与分析.2017年,京津冀地区PM_(2.5)浓度年均值为44.96μg·m^(-3),年均值范围在0~89.89μg·m^(-3)之间.PM_(2.5)浓度时空变化差异性明显,整体上呈现"平原西南部浓度高、平原东北部浓度中等和山区高原浓度低"的空间分布格局以及"冬季浓度高、夏季浓度低和春秋过渡"的季节变化特点.模型预测结果的高时空分辨率可以支持流行病学研究在较小区域的暴露评估和识别小尺度污染源的时空变化,分析发现在大气污染防治行动计划实施以来,污染较严重的冀中南山麓平原区可能出现了重要污染源的空间变化.模型预测与分析结果可以为京津冀大气污染防治提供科学支撑.

关键词： MAIAC AOD PM_(2.5) 线性混合效应模型地理加权回归模型京津冀地区

东亚夏季风年代际变化及其对海河流域水文要素的影响(英文)

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Journal of Resources and Ecology 2017年第2期8卷 174-184页

作者：李夫星张世彦陈东贺莉谷蕾蕾中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100101 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098

基于VIC水文模型输出的水文要素数据,采用小波分析法及Mann–Kendall非参数检验,分析了东亚夏季风及海河流域各水文要素的周期性变化情况以及两者之间的潜在关系。结果表明:东亚夏季风和海河流域各水文要素在40年周期尺度上具有一致性;... 详细信息

基于VIC水文模型输出的水文要素数据,采用小波分析法及Mann–Kendall非参数检验,分析了东亚夏季风及海河流域各水文要素的周期性变化情况以及两者之间的潜在关系。结果表明:东亚夏季风和海河流域各水文要素在40年周期尺度上具有一致性;此外,近60年来各水文要素均呈下降趋势,其中环太行山–燕山山脉山前区域趋势最明显,并且均与东亚夏季风关系密切,1970年以来东亚夏季风的持续减弱导致流域内持续干旱及水资源短缺。研究还发现东亚夏季风具有显著80年周期变化,并且可能在2040 s为海河流域带来大量降水。因此,对东亚夏季风的研究可以为预测海河流域水资源变化及管理提供重要的科学参考。

关键词：东亚夏季风水文要素 VIC模型 Mann-Kendall检验小波分析海河流域