基于DMSP/OLS夜间灯光数据和统计数据的中国大陆20世纪90年代城市化空间过程重建研究

中国大陆目前以行政单元为基础的城镇用地面积统计数据缺乏足够的空间信息, 难以满足大尺度城市化空间格局和变化过程研究的需要. 文中首先提出了一种以现有统计数据为基础, 借助DMSP/OLS夜间灯光遥感数据, 快速恢复和提取中国大陆城镇用地空间信息, 弥补现有统计资料不足的新方法. 进而以该方法为基础, 利用 1992, 1996和1998年的3期DMSP/OLS夜间灯光数据, 重建了中国大陆20世纪90年代的城市化空间过程. 利用统计数据对该方法提取结果的面积总量评估表明, 二者在全中国大陆尺度上的面积相对误差在1992年小于2%, 1996年和1998年则均小于1%, 在省级尺度, 相对误差最大的省份也没有超过10%, 大部分省份的相对误差小于3%. 同时利用高分辨率Landsat TM数据对该方法提取结果的城市空间格局特征分析也表明, 利用DMSP/OLS 提取的城市格局特征与Landsat TM提取的城市格局特征基本上是吻合的, 两者的相似程度在80%左右. 这说明利用该方法重建的中国大陆20世纪90年代城市空间过程, 基本上可以反映当时中国大陆城市发展的实际状况, 具有一定的可信性, 可以在一定程度上为中国大陆宏观城市空间格局和变化过程研究提供帮助.     

中国黑碳气溶胶排放量及其空间分布

基于国家统计数据、国内最新实测排放因子数据和更符合中国实际情况的机动车排放因子模型计算了中国大陆(不包含港澳台地区)2008年黑碳气溶胶排放清单,并建立0.5°×0.5°的黑碳排放空间分布图.2008年中国大陆黑碳排放总量为160.494×104t.其中工业源和居民生活消费源是最主要的贡献者,分别为69.503×104和63.602×104t,占总量的82.9%;交通运输黑碳排放量为19.463×104t,贡献了总量的12.1%;但不同省市各行业源贡献比例差异显著,可分为工业源贡献区、居民生活源贡献区、工业源和居民生活源共同贡献区,以及交通源贡献区.从能源类型看,黑碳主要来源于煤炭和生物燃料燃烧,分别占51.0%和32.2%.黑碳排放空间分布不均匀,呈东高西低的趋势,与区域经济发展情况和农村人口密度一致;其中高排放量地区以全国总面积的5.7%贡献了总排放量的41.2%,山西、河北、山东、河南以及四川等地具有较高的排放量.     

纵向岭谷区灌溉需水空间变异性及其与"通道-阻隔"作用的关系

利用纵向岭谷及对比区58个典型站点1971~2000年逐月气象资料及逐日降水量,分析各站ET0年值、月ET0最大值(5月份)、月ET0最小值(12月份)、水稻灌溉需水及农业综合灌溉需水定额(年值及4~6月主灌溉期),以地统计学方法分析了6者的空间变化特性.研究表明:在小范围内,6个灌溉需水变量随距离都有正的自相关性,且绝大多数都在S-N方向的Moran’sⅠ系数最大,空间自相关性最强;受不同季风气候、纬度、海拔及土壤因素影响,水稻灌溉需水的空间自相关性较其他变量更复杂;所有变量都是结构性因素引起的空间变异起主导作用,结构性变异达到60.2%~87.9%,随机成分引起的空间变异只占12.1%~39.8%;受夏季来自印度洋和太平洋两股水汽交汇区的移动轨迹、冬季来自大陆干暖的南支西风作用,ET0年值、5月份及12月份的ET0值都是在NW-SE和NE-SW两个方向的分形维数最小、变异性最大;水稻灌溉需水和农业综合灌溉需水定额(年值及4~6月主灌溉期)在S-N的变异性最大,主要受纵向岭谷走向的影响,水气和能量在南北向的河流通道作用下形成扩散的梯度效应;所有6个需水变量在E-W的空间自相关性都最小,证实纵向岭谷区各个灌溉需水变量在空间分布上受到"通道-阻隔"作用的影响.     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

21世纪初中国人工建设不透水地表遥感监测与时空分析

进入21世纪中国快速的城市化、工业化受到世界瞩目.基于国家资源环境遥感时空信息平台动态更新的中国土地利用/覆盖变化(LUCC)数据集以及人工建设不透水地表(ISA)空间数据集,在国家尺度监测21世纪初(2000~2008年)人工建设用地与不透水地表的增长.结果表明,我国21世纪初8年间受新一轮国土开发战略、社会经济高速增长等因素的影响,全国人工建设用地与不透水地表面积分别以3468.30,2212.24km2/a的速度高速增长,到2008年不透水地表面积占国土总面积的0.86%.2000~2008年城市用地扩张速度是20世纪90年代的2.18倍,以1788.22km2/a的平均速度扩张了2000年面积的43.46%,其中城市不透水地表面积以1348.85km2/a的速度增长了2000年面积的53.30%.总体上,8年间中国城市不透水地表面积呈现高速增长的态势,京津冀、珠三角与长三角三大城市群以及西部地区属于快速增长的区域.8年间,我国七大流域地表水环境均不同程度地受到不透水地表增长的潜在影响,而且不透水地表面积比例大于10%的子流域面积显著增加,集中分布在海河、长江、珠江三大流域.到2008年我国国土流域面积的14.42%不同程度地受到不透水地表分布的影响.     

复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型

复杂水资源系统的基础结构是供用水网络,网络节点包括供水节点和受水单元,其中供水节点又分为当地地表水、地下水、外调水、再生水等若干类型.水资源系统的供用水过程是一个随时间变化的过程,由于当地地表水、外调水等来水过程随着气象过程的变化而呈现出随机性,而受水单元的需水过程相对稳定(主要取决于单元的人口、经济发展情况和季节特点).要实现水资源系统的供需平衡,往往需要增加调蓄节点,进行调蓄计算.本研究应用复杂系统网络理论,构建了复杂水资源系统调蓄计算的时变耦合模型,建立了多水源、多用户的时变耦合矩阵及其相关算法.模型被用于引汉济渭配水工程的调蓄计算,得到了不同频率年引汉济渭工程的调蓄容量需求,为引汉济渭配水工程调蓄设计奠定了基础.     

21世纪初中国人工建设不透水地表遥感监测与时空分析

进入21世纪中国快速的城市化、工业化受到世界瞩目. 基于国家资源环境遥感时空信息平台动态更新的中国土地利用/覆盖变化(LUCC)数据集以及人工建设不透水地表(ISA)空间数据集, 在国家尺度监测21世纪初(2000~2008年)人工建设用地与不透水地表的增长. 结果表明, 我国21世纪初8年间受新一轮国土开发战略、社会经济高速增长等因素的影响, 全国人工建设用地与不透水地表面积分别以3468.30, 2212.24 km²/a的速度高速增长, 到2008年不透水地表面积占国土总面积的0.86%. 2000~2008年城市用地扩张速度是20世纪90年代的2.18倍, 以1788.22 km²/a的平均速度扩张了2000年面积的43.46%, 其中城市不透水地表面积以1348.85 km²/a的速度增长了2000年面积的53.30%. 总体上, 8年间中国城市不透水地表面积呈现高速增长的态势, 京津冀、珠三角与长三角三大城市群以及西部地区属于快速增长的区域. 8年间, 我国七大流域地表水环境均不同程度地受到不透水地表增长的潜在影响, 而且不透水地表面积比例大于10%的子流域面积显著增加, 集中分布在海河、长江、珠江三大流域. 到2008年我国国土流域面积的14.42%不同程度地受到不透水地表分布的影响.     

长江三角洲城市集群化发展对极端高温事件空间格局的影响

全球变暖和城市集群化的叠加效应,导致长江三角洲城市群极端高温事件趋多增强,给城市安全运行带来风险.基于长序列气象观测资料和卫星遥感数据,采用逐日百分位数法确定极端高温事件,结合Chow检验、线性倾向原理和空间相似性分析,研究了城市集群化发展对极端高温事件空间格局的影响.结果表明:2003~2013年是长江三角洲城市集群化发展时期,城市群规模的年增长率高达1206.48 km~2/a,2013年城市群热岛规模比2003年增加了18154.0 km~2,极端高温事件出现异常的区域与城市群快速发展区一致.特别是上海片区城市规模已超过极端高温事件气候平均态空间梯度≥1℃的最小距离,区域性热岛空间跨度超过100 km,导致高温强度比气候平均态高2.6~2.8℃,高温日数偏多30~40 d.极端高温事件异常与气象站Voronoi图单元内城市规模呈显著正相关,在高温异常年2007,2010和2013年的相关系数超过0.65.不同规模城市对极端高温事件空间格局的影响差异明显,以规模为492.8~932.6 km~2的城市影响最大.虽然西太平洋副热带高压主导着城市群极端高温事件的年代际波动,但2003~2013年城市集群化发展已经改变了长江三角洲极端高温事件空间格局.以上研究结果可为正处在起步阶段的城市群发展规划提供参考.     

基于PCA和GWR的作物需水量空间分布估算

综合考虑宏观地形因子、微观地形因子、气象因子等对作物需水量的影响,将主成分分析(PCA)和地理加权回归(GWR)方法相结合进行华北地区冬小麦作物需水量空间分布的估算,根据主要影响因子和回归系数的空间变化规律,分析探讨华北地区冬小麦需水量空间分布特征及其形成原因.结果表明:应用PCA方法对影响因子进行处理,可以有效消除各影响因子的共线性,GWR方法的回归系数在空间上呈现较强的变异性,可以更好地解释影响因子对作物需水量影响的空间差异.提出的方法多项评价指标均优于目前常用的克里格方法,可有效地揭示不同空间位置不同影响因素对作物需水量的影响,提供影响因子突变地区更多的细节信息,对区域作物需水的估算具有一定的借鉴意义.     

城市不同下垫面辐射平衡的模拟分析

利用北京市2010年的实测数据,首先对局地尺度的城市净辐射参数化方案(NARP)进行了验证,分析NARP在城市区域的适用性.在此基础上,人为设置4种不同下垫面类型(纯的林地、草地、道路、房屋),在其他条件一致的情况下模拟不同下垫面的辐射差异,以更清晰解读不同下垫面的辐射平衡各分量,特别是净辐射的不同特征.结果显示:(1)NARP模拟的净辐射值与实测净辐射值具有较好的一致性,相关系数为0.98,模拟效率可达0.93;(2)不同下垫面对各辐射分量的影响不同,上行长波辐射的值很大,占到全年进入地表总辐射能量的84.3%,净辐射的年均值在38.2～53.4W/m2之间,其中草地最小,道路最大;(3)城市扩展过程中常见的林地-道路、草地-道路、草地-房屋等转类,净辐射都呈现出持续增加态势.其中,最大增加值出现在5月份,增幅可达24.6W/m2(草地-道路),说明城市扩展过程通常也伴随能量收入连续增加的过程.     

一个新的RICE簇模型及其对全球减排方案的分析

针对全球经济一体化的现实,以拉姆齐函数公平为标准,发展了RICE和MRICES模型,得到一个适合全球经济一体化结构的新型气候经济学集成评估模型,MRICES-2012模型.在此模型基础上,模拟研究了既适合全球减排行动又符合发展中国家利益的减排方案,比较分析了总量减排方案的国际公平性.研究结果表明,到2100年人均累积二氧化碳排放相等的减排方案不可实现,人均碳排放相等的减排方案可以实现但不够公平.因此,研究建议了一个新的可行的能够保障各国利益又能达到哥本哈根共识的全球总量减排方案:从2020年开始总量减排,至2050年,美国的碳排放量比1990年总量减少80%;日本的碳排放量比1990年总量减少70%;欧盟和其他发达国家2050年碳排放量比1990年降低80%;高发展水平国家2050年碳排放量比1990年降低50%;以上各国至2100年的碳排放保持2050年的总量水平;中国从2030年开始总量减排,2050年的碳排放量比2005年总量减少15%,2100年比2005年总量减少25%;中发展水平国家至2100年,保持在2020年的碳排放总量;低发展水平国家既不参加强度减排也不参与总量减排.     

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.     

弄岗喀斯特季节性雨林枯立木多度的空间分布及影响因子

枯立木(standing dead tree)是森林的重要结构组成部分.对枯立木空间格局与其影响因子等进行探讨,有助于揭示森林树木死亡机理及森林群落动态规律.本研究将弄岗喀斯特季节性雨林15 hm2样地内胸径大于1 cm的枯立木划分为不同胸径等级,并在不同空间尺度上统计了枯立木多度、空间相邻因子、地形因子及群落类型因子等数据,用零膨胀负二项模型(zero-inflated negative binomial models)解决了多度数据的非正态性且零值过多等统计问题,分析了该森林枯立木多度的空间分布规律及影响因子.结果表明:(ⅰ)弄岗15 hm2样地内胸径大于1 cm的枯立木有2254株,平均胸径6.21 cm,最大胸径61.86 cm;胸径分布呈反"J"型,无明显断层;小径级枯立木在海拔较高地区分布较多,大径级枯立木在海拔较低地区分布较多;(ⅱ)小径级枯立木呈聚集型空间格局,大径级枯立木趋向于随机型空间格局;枯立木多度存在多尺度的空间自相关结构;(ⅲ)随着径级增大,枯立木多度与凹凸度、空间相邻因子的相关性逐渐减弱,与坡度、海拔的相关性逐渐增强;随着单位取样尺度增大,枯立木多度与凹凸度、海拔、坡度、群落类型因子的相关性逐渐减弱,与空间相邻因子相关性逐渐增强.研究表明,喀斯特森林中枯立木分布格局由多尺度的空间结构所构成,不同空间尺度、地形条件、群落类型等对枯立木的径级结构及数量组成有显著影响,而枯立木结构的空间异质性将会影响森林光资源及木质残体储量等的空间动态,进而影响群落物种组成.     

毛乌素沙地南缘沙丘表面径流特征

为探明生物土壤结皮在半干旱沙地生态系统有限降水资源再分配过程中所扮演的重要角色,对毛乌素沙地南缘沙丘生物土壤结皮表面径流进行了实验观测.结果表明在观测期间的6次降雨事件中产生径流2次.不同类型生物土壤结皮的径流量差异较大,径流量由小到大依次为浅色藻类结皮、深色藻类结皮、苔藓结皮,显示径流量随生物土壤结皮的发育呈增加的趋势.径流在次降雨量中所占的百分比由浅色藻类结皮经深色藻类结皮至苔藓结皮依次增加,显示不同类型生物土壤结皮对降水的再分配比例有差异.生物土壤结皮表面径流受降雨量、降雨强度、雨前结皮表面的水分饱和程度及生物土壤结皮发育程度的共同影响.生物土壤结皮在沙丘表面的发育改变了半干旱沙地生态系统水分的空间分布,加大了水分和养分等资源的异质性.因此,暴雨季节对生物土壤结皮进行适当的人为干扰活动有益于半干旱沙地生态系统的资源均衡.     

建设用地勘测定界的功能与特点

人口多、耕地少、耕地后备资源不足是我国的基本国情.但是随着我国经济的飞速发展,建设用地的数量不断增加,加强建设用地管理对于保护土地资源有着十分重要的意义.因此,就需要有一种专业性非常强的技术服务性工作,为建设用地的审批提供准确的面积、地类、权属和位置.这样就逐渐形成了建设用地勘测定界.     

沙漠腹地咸水滴灌条件下沙漠公路防护林根系垂直分布特征

对地处塔克拉玛干沙漠腹地咸水滴灌条件下不同林龄、不同立地条件的公路防护林体系内的根系分布规律进行研究.根系采集采用株侧分离根系的土柱法.研究结果表明:(1)土壤质地不同,根系分布存在较大差异,在板结沙地,根系主要集中在0~40cm土层中,在平沙地和沙垄地,植物根系分布深,其次是黏土地,在单位体积的土柱中,平沙地根系最多,其次是沙垄地和黏土地;(2)坡向不同,植物根系的分布存在差异,阳坡的根系总量大于阴坡的,且比阴坡的根系分布深,但毛根少于阴坡的;(3)随着林龄的增加,防护林根系总重量明显增加,在定植初期根系总重量增加明显,随着定植年限的增长,根系总重量增加幅度不断减少.     

珠江三角洲城市群城市碳排放动态模拟与碳达峰

城市是减缓气候变化和实现碳达峰与碳中和目标的关键主体,开展城市碳排放多情景研究与碳达峰研究能为城市碳达峰行动方案的制定提供科学依据.本文基于蒙特卡罗法,为模拟碳排放不确定性演化和愈发注重城市碳减排,调整了不同时间段和不同碳排放情景的概率,同时结合多情景分析、Mann-Kendall趋势检验、Theil-Sen’s趋势斜率估计等方法,动态模拟2021～2035年珠江三角洲(以下简称珠三角)城市群的碳排放量并分析了2006～2035年碳排放的演化路径、碳达峰与碳减排潜力,丰富了后新冠肺炎疫情时期城市碳排放的相关情景研究.结果表明:(1)动态模拟显示珠三角城市群于2020年显著碳达峰, 2035年碳排放量减少至24885万～27006万t,碳强度较2006年降低84.18%～85.21%;相较于基准情景,动态模拟下珠三角城市群2021～2035年累计碳减排潜力为-8168万～12825万t,碳减排潜力有66.79%的概率为正,即较基准情景进一步减排,其中2744万t的概率最大;(2)深圳、珠海、惠州和东莞属于倒“U”型演化的碳达峰类城市,均不晚于2020年碳达峰, 2006～2035年特别是...     

基于TELEMAC-2D的不同设计暴雨下厦门岛城市内涝特征分析

随着城市化率的提高,近年来我国城市内涝灾害频发.数值模拟是城市内涝研究的重要手段,已广泛应用于城市内涝特征分析.本文以厦门岛为研究区,建立了基于TELEMAC-2D的城市内涝模型,模拟了不同重现期(50,100 a)和不同雨峰系数(0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8)下厦门岛内涝积水情况.结果表明:积水总量受雨峰系数的影响较大,雨峰系数越大,积水总量的峰值越大;积水面积的变化受雨峰系数的影响,在同一重现期下,积水面积随雨峰系数的增大而增大;不同内涝风险等级下的积水面积受雨峰系数的影响是不同的,积水深度大于15 cm的积水面积随雨峰系数的增大而增大,而积水深度大于30 cm的积水面积变化受雨峰系数的影响不明显;在同样的重现期下,雨峰系数越大,迟滞时间越短.同时,对于城市排水管网的简化方法进行了相应的讨论和分析.     

青藏高原东缘地震各向异性、应力及汶川地震影响

使用国家地震台网固定台站和区域流动地震台站资料,通过对最长达18年记录开展的剪切波分裂分析,得到青藏高原东缘构造域(包括龙门山断裂带)的上地壳各向异性空间分布和时间变化特征.通过快剪切波(快波)偏振和慢剪切波(慢波)时间延迟参数,获得了快波偏振的分区分布特征和汶川地震前后不同分区统计特征的时间变化.剪切波分裂参数受到应力场和断裂构造的影响,块体边界或断裂附近的快波偏振特征比块体内部更为复杂,导致一些分区显示两个优势方向.在汶川MS8.0地震前后,可以观察到一些台站或区域的剪切波分裂参数的变化,既有快波偏振方向的改变,也有慢波时间延迟的变化.地震前后有明显变化的台站,基本符合两种情况:一是震中距较近;二是处于大的断裂或构造边界附近.研究发现,汶川地震前后,龙门山断裂带区域的慢波时间延迟的降幅显著大于周边区域;龙门山断裂带北段的慢波时间延迟降幅,大于龙门山断裂带中段,大于龙门山断裂带南端与鲜水河断裂、安宁河断裂的交汇区,这反映了地壳应力及介质物性状态的变化.通过分析剪切波分裂参数,推断出龙门山断裂带域及周边区域的主压应力分布.本文同时还分析了芦山地震前后剪切波分裂特征的变化.研究认为,利用地震剪切波特性监测应力变化,进而可应用于地震应力预测研究.需要注意是,不同的构造部位对应力变化有不同的响应.     

中等强度ENSO对中国东部夏季降水的影响及其与强ENSO的对比分析

选取1979年以来6次主要ENSO事件, 并按其强度划分为强和中等强度, 合成分析了ENSO对东亚夏季风和中国东部夏季降水的影响, 发现ENSO的影响随夏季季节进程有明显变化, 6月影响较弱而8月影响最强, 这显示ENSO的影响有很长的滞后效应. 此外, 强ENSO造成的环流和降水异常强度大, 影响开始的时间也较早, 而中等强度ENSO的影响在8月才较为明显. 同时, 中等强度ENSO年的合成结果显示, 中国东部夏季降水为北方型, 这也与经典的ENSO型降水分布有很大差异. 在合成分析的基础上, 选取2个相似的中等强度ENSO年(1995和2003年)做进一步的对比分析, 发现在6~7月期间, 亚欧大陆中高纬度环流和南半球环流的变化可在相当程度上调制东亚夏季风环流对中等强度ENSO的响应, 并进而在中国东部形成不同的降水分布. 与1983年的强ENSO事件对比表明, 强ENSO不仅造成中国东部夏季降水异常, 而且能进一步控制其他因子对东亚夏季风的影响, 这与中等强度ENSO是不同的.