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西北酿酒葡萄物候模型优选及气候变化对物候期的影响

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农业工程学报 2024年第12期40卷 138-147页

作者：刘琰琰史学家杜宏娟徐佩瑶李芳王静张晓煜成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室银川750002 成都信息工程大学云南自然灾害防御技术研发中心昆明650034 吴忠市气象局吴忠751199 宁夏气象科学研究所银川750002

为预测气候变暖背景下西北地区酿酒葡萄物候期变化规律,该研究利用2007—2022年西北地区地表温度数据及酿酒葡萄(赤霞珠、黑比诺、美乐和霞多丽)物候观测数据(萌芽期、开花期和转色期),对酿酒葡萄物候模型(积温模型,包含生长日度模型(gr... 详细信息

为预测气候变暖背景下西北地区酿酒葡萄物候期变化规律,该研究利用2007—2022年西北地区地表温度数据及酿酒葡萄(赤霞珠、黑比诺、美乐和霞多丽)物候观测数据(萌芽期、开花期和转色期),对酿酒葡萄物候模型(积温模型,包含生长日度模型(growing degree day model,GDD)及葡萄开花转色期模型(grapevine flowering veraison model,GFV),BRIN模型、WE模型)进行参数优化和模拟比较,选取最适模型结合气候模式数据预测SSP245和SSP585情景下酿酒葡萄物候期的变化。结果表明:1)萌芽期,BRIN模型最适用于赤霞珠、美乐和霞多丽,GDD5模型最适于黑比诺;2)开花期,GDD10模型最适用于赤霞珠和美乐,GFV和WE模型分别适用于黑比诺和霞多丽;3)转色期,WE模型最适用于赤霞珠、黑比诺和美乐,GFV模型则最适于霞多丽;4)在SSP245情景下,西北地区2035—2065年与2055—2085年4种葡萄的3个物候期分别平均提前2 d与4 d;在SSP585情景下,西北地区2035—2065年4种葡萄的3个物候期平均提前5 d,2055—2085年除了天山北麓地区的酿酒葡萄转色期因夏季高温影响而平均延后6 d外,其他酿酒葡萄物候期平均提前10 d,进一步分析表明夏季高温是导致转色期延迟的重要因素。研究结果为适应气候变化充分利用气候资源,保障西北地区酿酒葡萄生产优势地位提供理论依据和科学支撑。

关键词：模型气候变化物候学酿酒葡萄西北地区

基于多种遥感产品的青藏高原长时间序列总初级生产力对比分析

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生态学杂志 2024年第6期43卷 1859-1869页

作者：廖玮杰焦悦李世禧胡中民白磊海南大学生态与环境学院海口570208 海南省农林环境过程与生态调控重点实验室海口570208 海南热带雨林国家生态质量综合监测站海南保亭572316

青藏高原是陆地碳循环研究中的热点地区。在全球气候变化背景下,其总初级生产力(gross primary production,GPP)在区域碳循环过程中发挥着重要作用。结合遥感数据使用模型模拟有助于了解青藏高原区域尺度上生态系统生产力的变化过程,以... 详细信息

青藏高原是陆地碳循环研究中的热点地区。在全球气候变化背景下,其总初级生产力(gross primary production,GPP)在区域碳循环过程中发挥着重要作用。结合遥感数据使用模型模拟有助于了解青藏高原区域尺度上生态系统生产力的变化过程,以及预测其未来的变化趋势。本研究使用6种常见的遥感GPP产品(GLASS、MODIS MOD17A2、FLUXCOM、VODCA2、改进的EC-LUE数据及VPM数据),结合涡度协方差通量观测数据(海北灌丛、海北湿地和当雄)进行验证后,对青藏高原2001—2015年生态系统GPP空间分布格局及时间变化趋势进行分析。结果表明:不同生态遥感产品得到的青藏高原年平均GPP、区域年均GPP时空分布格局与变化趋势存在较大差异,6套产品得到的2001—2015年变化趋势分别-0.77 g C·m^(-2)·a^(-1)(GLASS)、3.63 g C·m^(-2)·a^(-1)(MOD17A2)、-1.21 g C·m^(-2)·a^(-1)(FLUXCOM)、1.53 g C·m^(-2)·a^(-1)(VODCA2)、4.73 g C·m^(-2)·a^(-1)(VPM)和-0.81 g C·m^(-2)·a^(-1)(改进的EC-LUE);在空间分布上多年平均GPP总体呈现“东南高、西北低”的特点,区域差异较大;在青藏高原生态系统中,GLASS产品区域平均年GPP最高(827.78 Tg C·a^(-1)),MOD17A2产品最低(484.04 Tg C·a^(-1)),2001—2015年青藏高原生态系统GPP变化程度分布区域基本相同,东南部最剧烈,而西部最为稳定;经过站点数据验证,MOD17A2在8天尺度上结果相对更好,而FLUXCOM数据集在月尺度上结果相对更好,结合在区域尺度上的表现,MOD17A2数据集更加适用于青藏高原地区。

关键词：光能利用率模型 VPM VODCA2 FLUXCOM MODIS

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用于植被变化归因的区域机器学习残差趋势法

自然资源遥感 2024年

作者：胡博洋孙建国张倩杨云睿甘肃省地理国情监测工程实验室兰州交通大学测绘与地理信息学院地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心

现有的残差趋势法采用了逐像元建模策略,利用普通最小二乘法构建模型,存在着一定的局限性。一方面,逐像元建模策略使每个模型都包含了局部空间内的人类活动信号干扰;另一方面,普通最小二乘法不利于模拟普遍存在的非线性特征。本文提出... 详细信息

现有的残差趋势法采用了逐像元建模策略,利用普通最小二乘法构建模型,存在着一定的局限性。一方面,逐像元建模策略使每个模型都包含了局部空间内的人类活动信号干扰;另一方面,普通最小二乘法不利于模拟普遍存在的非线性特征。本文提出一种全新的基于区域建模策略和机器学习算法的残差趋势法,并对比了用于表达空间异质性的两种环境变量:(1)地形、水文和土地利用等直接环境变量(direct-environmental variables,DEVs);(2)植被和气候时空序列组合的代理环境变量(proxy-environmental variables,PE Vs)。首先,采用区域建模策略,分别引入DEVs和PEVs,使用机器学习算法构建植被-气候关系模型;其次,根据残差趋势法的定义得到残差值;最后,评估气候和人为因素对植被变化的贡献。结果表明:(1)相比以往的逐像元普通最小二乘残差趋势法,区域机器学习残差趋势法的优势不仅表现为机器学习能够模拟植被-气候关系的非线性特征,还表现为区域建模具备更强的抗人类信号干扰能力;(2)新方法中,使用PEVs明显优于使用DEVs,前者充分利用了原有建模数据,没有增加数据获取难度,也避免了引入额外的数据误差。本文提出的区域机器学习残差趋势法可以实现更有效的植被变化归因。

关键词：植被变化归因区域建模机器学习算法残差趋势法空间异质性

基于U-Net网络的CALIPSO产品漏检层次分类

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光学学报 2024年

作者：耿亿霖臧琳毛飞跃徐维维龚威武汉大学遥感信息工程学院武汉大学中国南极测绘研究中心极地环境监测与公共治理教育部重点实验室(武汉大学) 武汉大学电子信息学院

准确了解大气中云和气溶胶的空间分布，对于评估地表辐射收支和促进人类对气候变化的理解至关重要。星载激光雷达，如云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星CALIPSO，具有全天候垂直探测大气的优势，在全球云和气溶胶分布研究中发挥着不可... 详细信息

准确了解大气中云和气溶胶的空间分布，对于评估地表辐射收支和促进人类对气候变化的理解至关重要。星载激光雷达，如云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星CALIPSO，具有全天候垂直探测大气的优势，在全球云和气溶胶分布研究中发挥着不可替代的作用。然而由于其信号信噪比低，传统基于斜率和阈值的激光雷达层次检测算法，容易造成云和气溶胶光学薄层的漏检问题。在此，本研究首先利用二维假设检验（2D-MHT）算法，实现了基于CALIPSO探测的高精度层次检测。然后基于U-Net神经网络，以退偏比、色比、后向散射系数和纬度等为输入，构建云和气溶胶分类模型，对2D-MHT算法多检测大气层次（即CALIPSO官方产品漏检层次）进行云和气溶胶分类。为了保证与CALIPSO官方产品分类的空间分布一致性，本研究以长期的CALIPSO官方分类产品（VFM）为参考对模型进行训练。独立验证实验结果表明，本研究构建的分类模型与CALIPSO官方产品的分类总体相似度可达90%。将本研究分类后结果（即同时包含CALIPSO成功检测与漏检层次）与Radar-Lidar联合观测进行比较，结果表明，本研究可以有效识别由于信噪比低而被官方算法丢失的云层信息，陆地和海洋区域CALIPSO云底探测误差分别减少约21%和25%。

关键词：层次分类星载激光雷达未检测层次 U-Net神经网络

2000—2020年“一江两河”地区耕地集约利用变化

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干旱区研究 2024年第5期41卷 843-855页

作者：桑一铭辛良杰中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

耕地利用集约度是提高粮食产量、缓解人地矛盾,实现农业可持续发展的重要保障。本文基于高空间分辨率遥感影像获取的耕地数据,采用综合指标评价模型,探究了2000—2020年“一江两河”地区耕地的集约利用变化及驱动机制。结果表明:(1)近2... 详细信息

耕地利用集约度是提高粮食产量、缓解人地矛盾,实现农业可持续发展的重要保障。本文基于高空间分辨率遥感影像获取的耕地数据,采用综合指标评价模型,探究了2000—2020年“一江两河”地区耕地的集约利用变化及驱动机制。结果表明:(1)近20 a来“一江两河”地区耕地利用集约度有所提升,但总体水平偏低。2020年耕地利用集约度较2000年提高了38.2%,这一提升主要归因于农资投入、技术投入和开发利用水平的增加。(2)各区县间耕地利用集约度变化差异大,在空间上呈现出高集约度区域由东部向西部迁移且范围扩大的变化特征,东西区域间耕地利用集约度差异缩小,低集约度的区县数量减少。(3)灌溉指数、耕地面积比重和耕地质量对“一江两河”耕地利用集约度的独立影响最显著,社会经济因素、农业科技因素和政策环境因素与耕地资源禀赋交互作用下对耕地利用集约度的影响程度增大。基于上述结果,提出以下政策建议:应持续推进“一江两河”地区农业科技创新,重点关注区域差异,实现高集约度地区可持续发展,低集约度地区全要素投入,同时充分发挥农业政策和经济的协同作用,协调促进“一江两河”地区耕地利用集约度提升。

关键词：耕地利用集约度 “一江两河”地区综合指标评价驱动机制高空间分辨率

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区域地面沉降研究进展与展望

水文地质工程地质 2024年第4期51卷 167-177页

作者：朱琳宫辉力李小娟周超凡叶淼王海刚张可韩苗苗首都师范大学资源环境与旅游学院北京100048 水资源安全北京实验室北京100048 城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地北京100048 地面沉降机理与防控教育部重点实验室北京100048 河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站河北沧州061000 中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害技术指导中心) 北京100081

地面沉降是全球性重大地质环境问题,区域差异性地面沉降已经对城市基础设施、线性轨道交通和地下空间开发利用形成重大威胁,制约着经济和社会的可持续发展。围绕区域地表形变信息获取、地面沉降演变机制和模拟方面的研究进展进行系统阐... 详细信息

地面沉降是全球性重大地质环境问题,区域差异性地面沉降已经对城市基础设施、线性轨道交通和地下空间开发利用形成重大威胁,制约着经济和社会的可持续发展。围绕区域地表形变信息获取、地面沉降演变机制和模拟方面的研究进展进行系统阐述,重点分析了InSAR形变监测和多源形变数据融合的区域地表形变信息获取技术,基于室内土工试验数据和长时序观测数据,利用相关分析、统计分析和机器学习等方法分析地面沉降演变与各影响因素的关系。在此基础上,探讨了地下水流场—土体变形模型、数理统计模型和机器学习模型等地面沉降过程模拟模型的优缺点。发现多源形变数据融合能够提高区域地表形变信息的时空分辨率,地质构造、地层岩性、地下水开采和动静载荷等影响因素的差异性是造成地面沉降差异性演化的机制,地面沉降数学模型的计算效率与可解释性难以兼顾是当前沉降模拟存在的主要问题。据文献检索,当前研究主要关注地下水超量开采引发的地面沉降。进而提出未来区域地面沉降研究方向:在气候变化叠加新水情、新数据背景下,充分融合遥感大数据与野外观测站实测小数据集,耦合基于物理机制的模型和机器学习模型,优化集成InSAR、GeoAI、云平台等技术的最新进展,揭示全球气候变化和人类活动综合作用下的区域地面沉降演变机制,为区域地面沉降防控和城市安全提供技术支撑。

关键词：地面沉降合成孔径雷达干涉测量演化机制机器学习耦合模型

基于可解释机器学习的青藏高原草地物候变化多因素影响分析

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环境科学 2024年第6期45卷 3375-3388页

作者：刘慧文刘欢胡鹏彭辉王硕中国海洋大学环境科学与工程学院青岛266100 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室青岛266100 中国海洋大学海洋环境地质工程山东省重点实验室青岛266100

气候变化背景下,青藏高原植被物候发生显著改变.然而,影响物候的水热因素众多,目前较少有研究关注多因素对青藏高原物候的影响效应,导致对青藏高原物候变化机制认识不足.为此,研究通过遥感数据解译,在对2002~2021年青藏高原草地物候时... 详细信息

气候变化背景下,青藏高原植被物候发生显著改变.然而,影响物候的水热因素众多,目前较少有研究关注多因素对青藏高原物候的影响效应,导致对青藏高原物候变化机制认识不足.为此,研究通过遥感数据解译,在对2002~2021年青藏高原草地物候时空变化特征分析的基础上,聚焦降水、气温、海拔和土壤等多方面,利用可解释机器学习方法(SHAP)揭示物候变化的主导因素,并量化分析多因素对物候的交互影响.结果表明:①青藏高原分别有56.32%、67.65%和65.50%的草地表现出生长季开始时间(SOS)提前、生长季结束时间(EOS)延迟和生长季长度(LOS)延长趋势;②青藏高原草地SOS和LOS主要受水分条件影响,3月0~10 cm土壤水分对SOS提前和LOS延长起促进作用的范围分别在10~25 kg·m^(-2)和15~25 kg·m^(-2)之间,峰值分别在20 kg·m^(-2)和18 kg·m^(-2)左右;EOS则主要受温度影响,9月和10月温度越高对EOS延迟促进作用越强,并分别在高于8℃和-0.5℃时达到峰值;③水热等因素对物候的影响存在非线性交互效应,3月0~10 cm土壤水分达到20 kg·m^(-2)后,更有利于低降水和低海拔地区SOS提前;10月温度高于0℃后较好的水分条件更有利于EOS延迟;3月0~10 cm土壤水分在12~22 kg·m^(-2)之间时,高降水地区LOS更长.研究表明,可解释机器学习方法可为物候变化的多因素影响定量分析提供一种新的方法.

关键词：青藏高原草地物候时空变化极限梯度提升(XGBoost) SHAP 交互影响

季节补偿效应导致2015/2016厄尔尼诺期间北半球未发生明显的碳汇降低

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中国科学：地球科学 2024年第1期54卷 294-308页

作者：石芳忠吴秀臣李小雁 Philippe CIAIS 刘鸿雁岳超杨雨亭张树磊彭书时印轶 Benjamin POULTER 陈德亮北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 青海师范大学青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室西宁810016 北京师范大学珠海校区流域环境生态工程研发中心珠海519085 Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement(LSCE) CEA-CNRS-UVSQUMR8212Gif-sur-Yvette 91191France 北京大学城市与环境科学学院地表过程教育部重点实验室北京100871 清华大学水利工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 中山大学大气科学学院南方海洋科学与工程广东省重点实验室(珠海) 广州510275 California Institute of Technology PasadenaCA 91125USA Biospheric Sciences Laboratory NASA Goddard Space Flight CenterGreenbeltMaryland 20771USA Regional Climate Group Department of Earth SciencesUniversity of GothenburgGothenburg SE-40530Sweden

厄尔尼诺事件通常在北半球导致广泛的植被生长下降和碳汇降低.然而,基于遥感观测、全球陆地生态系统模型模拟及大气CO_(2)反演多套数据,本研究表明在2015/2016厄尔尼诺成熟阶段,北半球(主要为热带之外的区域)植被普遍持续增绿,陆地碳汇... 详细信息

厄尔尼诺事件通常在北半球导致广泛的植被生长下降和碳汇降低.然而,基于遥感观测、全球陆地生态系统模型模拟及大气CO_(2)反演多套数据,本研究表明在2015/2016厄尔尼诺成熟阶段,北半球(主要为热带之外的区域)植被普遍持续增绿,陆地碳汇未见减弱.研究结果发现,春季植被生长增强对随后的夏季和秋季植被生长有明显的补偿效应,这种补偿效应维持了夏季植被增绿,并导致2015年春季、夏季及2016年春季陆地碳汇略有增加,特别是在生长季前期(前一年的11月至当年的3月)水分供应增加的北半球热带之外的区域.两套独立数据集结果表明,相对于厄尔尼诺事件发生前5年均值, 2015年春季和夏季陆地碳汇分别平均增加23.34%和0.63%, 2016年春季平均增加6.82%.同时,相较于1997/1998厄尔尼诺事件,更强的季节补偿效应有效地缓解了2015/2016年厄尔尼诺事件对植被生长的不利影响.本研究进一步明确,生长季前期的供水对后续植被生长的遗留效应能够持续约6个月.该研究结果凸显了季节补偿效应在应对偶发性极端厄尔尼诺事件时对植被生长和陆地碳汇的调节作用.

关键词：厄尔尼诺季节补偿效应植被增绿陆地碳汇净生态系统交换遗产效应

敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

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光谱学与光谱分析 2024年第5期44卷 1439-1448页

作者：张勇徐寒列张立军李元孙凌覃丹宇戎志国胡秀清陆其峰卢乃锰中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081 许健民气象卫星创新中心北京100081 中国气象局气象卫星工程管理办公室北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081

利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一。然而,中国遥感卫星辐射校正场传... 详细信息

利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一。然而,中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测,不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏,而且获取的测量数据缺乏区域代表性。鉴于此,自2016年起,在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主,跑场测量为辅,完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试。多次飞行试验表明,采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量,不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性,还提高了地表反射率光谱的测量效率,也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护,极大的节约了人力物力成本。通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析,发现多次测量数据的均值一致性较好,并且航飞测量的数据标准差更小。利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估,结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内,可以代替跑场数据完成定标,精度满足要求。随着无人机性能的进一步优化和提高,在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用,在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用。

关键词：中国遥感卫星辐射校正场无人机地表反射率在轨绝对辐射定标星地同步观测敦煌戈壁