土地利用变化影响气候变化的生物地球物理机制

重点介绍国家重点基础研究发展计划(973计划)全球变化研究专项“大尺度土地利用变化对全球气候的影响” 项目执行三年多以来,集中在土地利用与土地覆盖变化(LUCC)对气候变化影响的生物地球物理机制方面的研究成果,包括对不同区域大尺度LUCC过程规律的对比、LUCC对气候影响的生物地球物理机制、多时空尺度LUCC气候效应的模式模拟、LUCC气候效应的未来情景分析,以及后续研究计划。     

可靠性地理国情动态监测的理论与关键技术探讨

地理国情是一个国家的社会性质、政治、经济、文化等方面的空间化、可视化的国情信息.可靠的地理国情关系到国家重大决策的正确性.地理国情监测是中国2011年制定的一个新的国家发展方向,迫切需要提出相应的技术支撑体系.本文分析了可靠性地理国情动态监测的基本概念,提出了地理国情动态监测的总体研究框架,探讨了可靠性地理国情动态监测的可靠性分析与质量控制、时空动态建模等理论和方法,研究了空天地一体化的地理国情监测体系构建、可靠性非空间信息的空间化表达、可靠性地理国情动态变化检测、地理国情时空数据动态更新与一致性维护、地理国情动态监测数据的可靠性综合分析、地理国情动态监测的可靠性空间数据挖掘、地理国情监测辅助决策建模、可靠性地理国情监测的云计算框架、地理国情可视化技术、地理国情监测中的GNSS和手持终端技术、可靠性地理国情总动态评估技术等关键技术,并总结了地理国情动态监测需要解决的核心问题.     

纵向岭谷区沿边地带的生态环境变化及其空间扩散研究

选取纵向岭谷区沿边地带为研究区域,基于LUCC遥感监测数据及相关资料的收集处理,利用空间分析技术与方法,对该特殊地区的生态环境变化及其空间扩散效应进行分析探讨,目的在于揭示自然与人为双重作用下的边境地带地表覆盖景观模式、环境时空变化规律,为边境地带的生态安全调控提供基础依据.研究得出:纵向岭谷区沿边地带地表覆盖总体以林地为基质,以其他斑块为镶嵌体的景观模式;在自然与人为双重作用下,该格局各类型之间存在着必然的动态变化与转换关系;边境25个县市,随其内部自然环境、社会经济发展与管理调控水平不同,表现为其环境变化空间扩散所受阻力差异而呈现出空间片区集聚效应.     

青藏高原土地利用与覆被变化的时空特征

青藏高原土地利用与土地覆被变化(LUCC)研究是区域土地科学与全球变化科学研究的重要内容,也是保障高原生态安全屏障功能稳定与提升的科学基础.本文通过对已有LUCC数据与成果的再分析,研究了高原整体LUCC时空特征、典型区LUCC的时空过程及典型类型的变化过程与机制.结果表明:青藏高原土地利用与土地覆被结构稳定,一级地类变化面积比例低于7%,并以单次变化为主,土地覆被状况总体改善.近年来高寒草地覆被状况整体好转、局部退化,林地恢复良好,耕地基本稳定,建设用地显著扩张,裸地轻微减少.人口较为密集的河湟谷地与"一江两河"地区,建设用地、耕地、人工林地等增加明显;藏北高原和三江源等牧区,超载过牧和生态建设的作用均有体现;珠穆朗玛峰国家级自然保护地区土地覆被类型多样、变化复杂,并表现出对气候变化和人类活动有较强的敏感性.高原土地变化研究中还存在现有数据产品数量不足、精度不高,土地利用变化过程及其环境效应认识不够深入等问题,需要加强野外监测和遥感技术的结合,关注LULC在不同时空尺度下的变化特征,同时注重土地利用与土地覆被类型转化和类内渐变,使高原LUCC研究更好地服务于高原生态安全屏障建设和区域可持续发展.     

地理学第一定律与时空邻近度的提出

地理学第一定律（TFL）由美国地理学家Tobler提出。由于计算机和遥感的应用推动了传统地理学的革命，第一定律作为定量地理空间分析的基础概念，在地理学及相关学科引起巨大反响。但它关于距离的定义和空间邻近关系的描述是含糊的，这局限了它的进一步应用。为此，我们提出加入时间维，用“流”的概念来理解和表达传统应用中的“距离”，从而用“时空邻近度”来替代“空间邻近度”，以促进地理学第一定律的更广泛应用。     

地理综合研究方法的发展与思考

地理系统是一个复杂巨系统,地理综合研究是整体性认知与理解地理系统的重要途径.随着地理学的发展演进,地理综合成为新时期地理学创新与突破的根本任务;发展地理综合的理论方法,成为防止地理学空心化,建立地理学核心理论的重要途径.然而,传统地理综合方法多采用"先分后综"的思路,导致"易分难综",地理综合方法体系亟待进一步探索.本文总结了现有地理综合相关研究及方法,分析了阻碍地理综合研究方法发展的根结所在,提出了发展基于地理模态的地理综合研究方法新构想.地理模态作为地理系统规律性认知的描述形式与表达机制,是比地理要素与地理过程更高层次的抽象载体;以多层次地理模态的有机聚合、有序迭代形成地理系统的整体性、系统性认知,有望指导后期地理系统的综合研究与模型重构.基于地理模态的地理综合研究方法将试图打通片段地理认知到综合地理认知的双向通道,构建地理数据到地理规律再到综合地理认知的模型方法,推动地理综合研究在理论和方法上的协同演进,促进地理综合研究的发展.     

我国大气环境立体监测技术及应用

大气环境是一个十分复杂的动态系统,大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里,具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征,影响着空气质量、气候变化.提高大气环境的监测技术水平,发展遥感观测手段,实现对大气环境的在线、快速、立体探测,对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义.近年来,日新月异的激光/波谱技术促进了大气立体监测技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种立体监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在大气、环境、气象、空间、遥感以及军事领域得到了广泛的应用.通过光与大气中物质相互作用产生的吸收、散射、发射等过程,形成了多种探测技术,实现了对大气痕量气体、大气气溶胶、温室气体、大气风场、水汽、温度以及多种大气污染成分的快速、实时探测,并通过光波的遥感特性,在地基、车载、机载及星载多平台上对大气多种成分、大气参数进行多尺度的探测.     

行星空间环境光学遥感

行星空间环境是行星多圈层耦合系统的重要部分,是行星与星际空间进行物质和能量交换的关键区域,对行星环境演化具有重要影响.行星空间内分布着不同成分的行星大气,不同密度和能量的空间等离子体,在太阳风变化或行星内部驱动力的驱动下发生不同时间/空间尺度的物质输运、能量沉积/耗散等过程.从全局角度理解行星空间的物质和能量输运是研究行星物质逃逸的关键.光学遥感手段可以弥补传统就位探测方法无法捕捉全貌、无法区分时空变化的不足.本文介绍光学遥感的基本概念,回顾国际国内行星光学遥感探测历史,并根据我国行星科学科教融合发展规划,提出行星空间环境光学遥感的发展思路,特别是详细介绍了当前正在开展的"鸿鹄专项"球载行星光学遥感.最后,对我国行星空间环境光学遥感的未来发展进行了展望.     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应：协同方法

生物多样性与生态系统功能对全球变化的响应与适应是极其复杂的,为了更深入了解和认知,需要融合多学科技术、应用协同方法对其进行研究：其中长期定位观测有助于认识有长时间滞后效应的生态过程或具有重要生态功能的缓慢过程;全球变化实验在自然环境条件下可定量区分各环境因子及其相互作用对生态系统动态的影响;梯度研究可以完善不同时空尺度分析之间的耦合;过程研究则是对野外调查、长期观测或控制实验进行有益补充;这四种研究方法可以镶嵌使用,互补互惠,共同为模型结构的建立和完善提供理论认知,并为模型运行提供参数估算和独立验证数据。模型一方面通过集成各种调查、观测、实验等信息,可以提供强大的模拟分析与预测能力;另一方面它又可以反馈信息来指导各种观测、实验和研究的设计与数据收集,是全球变化研究中必不可少的集成分析工具。     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应:协同方法

生物多样性与生态系统功能对全球变化的响应与适应是极其复杂的,为了更深入了解和认知,需要融合多学科技术、应用协同方法对其进行研究:其中长期定位观测有助于认识有长时间滞后效应的生态过程或具有重要生态功能的缓慢过程;全球变化实验在自然环境条件下可定量区分各环境因子及其相互作用对生态系统动态的影响;梯度研究可以完善不同时空尺度分析之间的耦合;过程研究则是对野外调查、长期观测或控制实验进行有益补充;这四种研究方法可以镶嵌使用,互补互惠,共同为模型结构的建立和完善提供理论认知,并为模型运行提供参数估算和独立验证数据。模型一方面通过集成各种调查、观测、实验等信息,可以提供强大的模拟分析与预测能力;另一方面它又可以反馈信息来指导各种观测、实验和研究的设计与数据收集,是全球变化研究中必不可少的集成分析工具。     

激光雷达在森林生态系统监测模拟中的应用现状与展望

激光雷达是一种新兴的主动遥感技术,能够在多重时空尺度上获取森林生态系统高分辨率的三维地形、植被结构参数.其对森林生态系统变化的精确、高效监测和模拟在认识这些变化如何影响陆地生态系统碳循环、全球气候变化,并促进生物多样性保护方面将发挥重要作用.本文拟对激光雷达技术的概念和发展应用简史作一介绍,通过分析其在数字地形产品生成、森林生态参数提取反演应用中的主流算法和优势,继而阐明其推广应用所面临的挑战,最后指出未来激光雷达技术在生态学应用中可能的研究热点.本文认为,构建集太空、天空、地面多源传感器于一体的数字生态系统是未来生态系统观测网络发展的必然趋势,而激光雷达技术能够在数字生态系统建设过程中搭建可靠的数据支撑体系,最终有助于决策部门调控、优化人与环境关系,实现二者和谐共存.     

拓展与深化中国全境的环境变化遥感应用

中国幅员辽阔,仅靠局部定点环境监测,远不能满足社会需求.而对大空间范围来说,遥感是唯一可行的环境变化监测手段.虽然国内外拥有强大的卫星数据获取能力和大量的卫星遥感数据,以中国全境为对象的遥感环境变化研究并不多.本文将环境变化过程归纳为环境变化驱动力、环境变化、物质迁移与转化、物质浓度与富集度变化、人或生态系统暴露与感染变化及环境变化影响等方面内容.评估了遥感对这些环节的潜力,评述了中国环境变化遥感已取得的进展.指出遥感对于研究中国环境变化在方法体系上不但要支撑实验与观测、理解与认识,还要重视和模拟与预测的衔接从而支持环境政策研究.在应用层面,应突破常规遥感观测项目,在物种多样性、生物入侵、公众健康、空气和水质量变化监测等新的领域取得突破.在技术层面全面系统加强实用化和自动化研究.     

植物功能性状对动态全球植被模型改进研究进展

动态全球植被模型(dynamic global vegetation models,DGVMs)在模拟和预测陆地生态系统对气候变化响应中表现出很大的不确定性,重要原因之一在于动态全球植被模型将定义植物功能型的性状值设置为常数,忽略了植物功能性状对环境变化的响应.动态全球植被模型现有的植物功能型框架已经严重地阻碍了其发展,因此迫切需要一种新的方法来克服这种局限性.植物功能性状不仅可以反映植物对环境连续变化的响应,而且与生态系统的结构和功能密切相关,可提升当前动态全球植被模型对生态系统过程的模拟和功能的预测.本文从动态全球植被模型发展和植物功能型局限性入手,详细介绍了植物功能性状发展现状及其对动态全球植被模型改进的重要价值,归纳总结了植物功能性状对动态全球植被模型改进的主要方法,并指明植物功能性状对动态全球植被模型改进的发展方向.以期通过凝练植物功能性状在构建下一代动态全球植被模型中发挥作用,推动动态全球植被模型在我国的发展和应用.     

水资源管理时态GIS时空数据模型研究

水资源信息具有明显的时空特性。水资源管理对时间和空间信息处理的实际需求促进了人们对水资源管理时态地理信息系统的研究,而水资源信息时空数据模型是水资源管理时态地理信息系统建立的核心。文章在分析讨论水资源信息时空特性的基础上,深入研究了基态修正模型,并对其进行了修正,提出了多基态变级差修正模型,该模型大大减小了水资源时空数据的存储空间及冗余度,提高了水资源时空数据查询与分析的效率,将水资源信息的时间、空间、属性数据有机地结合起来。     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应:进展与展望*

  人类活动引起的土地利用/覆盖变化、气候变化、大气CO2浓度增高和氮沉降加剧等使得生物有机体的性状、种间关系、分布格局与生物多样性发生改变,进而影响生态系统过程和功能,并最终影响人类的生存和社会经济的可持续发展。应用全球变化实验结合环境梯度研究方法,我们已经就我国主要的森林生态系统和草地生态系统对全球变化的响应与适应作了初步研究。基于已开展的实验研究和数据积累,以协同研究为主要手段,结合我国独特的自然条件,今后将加强以下四个方面工作:①开展长期的多因子实验;②构建动态物种分布模拟体系;③构建数据模型融合系统;④生态系统对全球变化的区域响应和适应性的集成分析。     

全球碳排放的近实时定量方法

人类活动碳排放是全球气候变化最主要的人为驱动力,碳排放的定量化是应对全球变化和实现碳中和的基础.测算时空分辨率更高的碳排放数据,达成更精细、准确、及时的碳排放监测是当前学科前沿和国家重大需求.本文阐述一种基于统计、卫星遥感、观测等多源活动数据的碳排放定量方法,通过将人类活动强度指标参数化后,实现全球和区域碳排放的近实时量化.该方法将碳排放核算的时间分辨率从年提高到天,数据的时间滞后性从一年左右提高到近实时.基于该方法得到的碳排放数据不确定性与国际机构提供的碳排放数据基本一致.近实时碳排放数据进一步反映了全球碳排放的季节变化、月变化和周变化.     

全球变化背景下干旱区山地-绿洲-荒漠系统耦合关系的特征及规律

全球变化对于旱区资源环境的分布格局与时空变化造成了一定程度的影响,制约了土地利用与覆盖变化的趋势与过程,并通过水热状况、景观带谱、气候效应、土地利用与人为活动表现出来;而上述特征又与山地、绿洲、荒漠系统具有密切的耦合关系．中亚干旱区气候具有暖湿化的特征,与中国北方地区气候干旱化的趋势具有一定的差异性,这种响应机制制约了MODS的特征与规律．而系统的界面特征与界面过程,特别是水资源的形成、转化与消耗规律直接反映了干旱区MODS对全球变化的响应过程．MODS的空间格局、动态变化、时空特点以及尺度转换与耦合模式问题,反映了系统之间及其内部的生态学机制．     

遥感技术在城市洪涝模拟中的应用进展

对基于遥感的气象水文数据和地表信息在洪涝模拟中的应用进行了梳理综述,介绍了激光测高(Li DAR)、合成孔径雷达干涉测量(In SAR)技术以及倾斜摄影和高光谱遥感等目前使用较多且精度较高的遥感数据源及其相关应用,进一步对城市洪涝模拟中基于遥感的基础信息的相关热点技术和方法进行了总结.最后以实例阐述了基于遥感的城市洪涝模拟基础信息提取框架,并对遥感技术在城市洪涝模拟中的应用前景以及面临的问题与挑战进行了展望.     

中国东海“桑吉”轮溢油污染类型的光学遥感识别

溢油是海洋环境监测的重要对象之一.在海洋环境动力作用下,溢油会形成复杂多样的污染类型.准确识别、分类并定量估算不同类型的溢油污染,有助于溢油事件应用处理策略的制定与灾损评估.微波雷达与光学是海洋溢油遥感监测的主要手段,具有不同的技术优势与应用特点.近年来,海洋溢油光学遥感的理论与应用研究发展迅速,其对不同海面溢油污染类型的识别、分类与定量估算能力得到认可.针对2018年1月中国东海"桑吉"轮溢油事件,利用中国GF-3合成孔径雷达数据,实现"桑吉"轮疑似溢油的圈定.优选欧洲空间局Sentinel-2卫星的多光谱数据,开展无云覆盖区域"桑吉"溢油的光学遥感探测.基于溢油模拟实验的光谱响应特征分析,阐明了典型溢油污染的Sentinel-2卫星多光谱特征,进一步开展"桑吉"轮溢油污染类型的光学遥感识别与分类.结果表明,"桑吉"轮溢油在其扩散与风化过程中,形成了3种显著差异的溢油污染类型,即海面油膜、油包水状、水包油状乳化物.不仅与GF-3合成孔径雷达的疑似溢油监测结果互为验证,更实现了不同溢油污染类型的光学遥感识别与分类.最后,初步讨论了光学遥感与微波雷达的集成应用策略,通过优势互补,能有效提高海洋溢油的遥感监测水平,并为中国海洋水色业务卫星的应用提供借鉴.     

荧光相关光谱技术的研究进展

荧光相关光谱技术(fluorescence correlation spectroscopy, FCS)将单分子荧光探测技术与统计光谱方法相结合,通过共聚焦荧光测量光学设计与单光子计数方法,测量微小探测体积内由于荧光分子运动所产生的荧光信号涨落,进而对此涨落信号进行关联函数分析,获得分析扩散运动速率、探测空间内平均分子数等重要参数,是研究生物学和生物化学的重要手段.与其他荧光成像和生物物理方法相比, FCS具有高分辨率和高灵敏度等优势,已成为用于量化分子动力学的强大技术,广泛应用于生物医学、生物物理学和化学等领域.本文首先介绍了单点FCS和荧光交叉相关光谱(fluorescence cross-correlation spectroscopy, FCCS)的基本原理,并对FCS和FCCS的实施提供了建议;然后介绍了扫描FCS和图像相关光谱(image correlation spectroscopy, ICS)的基本原理与方法,并对其不同的衍生技术进行了讨论;最后介绍了FCS在膜蛋白、DNA染色体、蛋白质和核酸、酶和多细胞生物及组织中的应用.我们相信,随着技术的发展, FCS有望为生物...