基于Landsat8影像的Himawari-8叶绿素a空间降尺度研究

新型地球静止气象卫星Himawari-8由于空间分辨率较低,其叶绿素a产品难以满足空间异质性高的近岸海域水质监测要求。为了克服这个限制,基于非线性的随机森林算法,利用陆地资源卫星Landsat8的波段反射率数据和Himawari-8的叶绿素a产品,通过构建降尺度模型,以提高Himawari-8的叶绿素a数据的空间分辨率。结果表明,2个秋季模型和2个冬季模型的模型决定系数(R²)分别达到0.6、0.72、0.71和0.85;均方根误差(RMSE)为别为1.47,1.05,1.89,0.76mg/m³。通过实测站点数据对比分析表明,降尺度模型生成的叶绿素a与葵花叶绿素a数据具有较高的一致性,R²达到了0.81,能较好的反映近岸海域叶绿素a浓度的空间变化特征。     

水源地周边土壤重金属分布特征及潜在风险-以深圳市为例

以深圳市水源地周边三种不同类型土壤(赤红壤､红壤､水稻田土)为研究对象,选择具有较高环境含量且毒性较强的Zn､Pb､As为目标,探究其在三种土壤剖面淋溶层､淀积层和母质层(A、B和C层)中的分布特征及赋存形态,同时分析重金属含量､赋存形态与土壤理化性质的相关性,并利用潜在生态危害指数法和潜在迁移指数法从重金属全量和赋存形态两个角度对土壤重金属的生态风险水平进行评估.结果表明:土壤重金属Zn､Pb､As在三类土壤各层中含量较高,但均低于当地土壤环境质量背景值,重金属含量受当地土壤成岩母质影响较大.形态分析表明三种重金属在三类土壤中均以残渣态为主,但红壤中可还原态Pb含量较高,在低pH时易转化为弱酸可溶态,而后释放并迁移.相关性分析表明Zn､Pb的全量与有机质含量呈极显著正相关,可还原态Zn与pH呈显著正相关,Pb和As的弱酸可溶态与可还原态显著正相关,黏粒和粉粒含量对Pb和As的形态分布造成不同程度的影响.三种重金属潜在生态危害级别均为轻微,对水源地安全潜在生态风险影响较小;重金属迁移能力大小在不同土类中依次为红壤土>赤红壤>水稻田土,元素本身迁移能力强弱依次为Zn>As>Pb;赤红壤和水稻田土A层Zn迁移能力最强,B层As最强,C层Zn､Pb､As均较弱;红壤中A层迁移能力Zn最强,B层Zn､Pb､As均较强,C层Zn､Pb､As均较弱.     

机器学习耦合受体模型揭示驱动因素对PM2.5的影响

PM_2.5主要受排放源、大气化学、气象条件等驱动因素的非线性影响,了解驱动因素对PM_2.5浓度的影响十分重要. 本研究基于南开大学大气环境综合观测超级站的逐时在线观测数据,耦合机器学习方法和受体模型,揭示了驱动因素的重要性以及对PM_2.5浓度的影响. 结果表明:① 2018年11月—2020年10月观测地点的PM_2.5浓度范围为3.21~291.80 μg/m3,采暖季PM_2.5浓度和化学组分均高于非采暖季. ②使用受体模型解析PM_2.5的来源及其贡献,发现观测期间二次源的贡献率(44.7%)最高,其他依次为燃煤源(23.6%)、机动车排放源(11.0%)、扬尘源(9.9%)、生物质燃烧源(7.2%),工业源的贡献率(3.6%)最小. ③利用随机森林-SHAP模型量化排放源、大气氧化能力、气象条件等驱动因素对PM_2.5浓度的影响,发现观测期间排放源对PM_2.5浓度的影响程度为54.3%,高于其他驱动因素;气象条件对PM_2.5浓度的影响程度次之,为32.4%;大气氧化能力对PM_2.5浓度的影响程度相对较低,为13.3%. 在采暖季和非采暖季,各驱动因素对PM_2.5浓度的重要性在排序上没有变化,然而驱动因素对PM_2.5浓度的影响程度有所不同. 采暖季排放源对PM_2.5浓度的影响程度高于非采暖季,采暖季大气压对PM_2.5浓度的影响程度低于非采暖季. 研究显示,排放源对PM_2.5的影响相对较大,气象条件和大气氧化能力对PM_2.5浓度的影响也不容忽视.      

酸性土壤中的碳氮耦合作用与N2O流失研究

以贵阳不同植被类型酸性土壤(果园、草地、茶园、阔叶林、针叶林)0～30 cm表层土壤为研究对象,比较了5种植被类型土壤养分含量、微生物量碳、微生物量氮、微生物量C/N、土壤呼吸作用、反硝化作用差异。结果表明:(1)研究区域土壤有机碳含量在7.11～37.00 g/kg之间,全氮含量在0.95～3.64 g/kg之间,低于贵州石灰土上的次生林;土壤有机碳/全氮均值介于5.98∶1～16.93∶1之间,表现为针叶林茶园草地阔叶林果园;(2)土壤NH_4~+-N含量在0.79～49.49 mg/kg之间,阔叶林最高,针叶林和茶园最低;NO_3~--N含量均值在0.04～1.18 mg/kg之间,针叶林最高,茶园和阔叶林最低,可能与针叶林、茶树等植物优先利用NH_4~+-N作为养分来源有关;(3)SMBC、SMBN分别介于818.01～3 192.86 mg/kg和141.36～531.42 mg/kg之间,SMBC/SMBN与pH值、铵态氮含量分别呈显著、极显著负相关,表现为针叶林草地茶园果园阔叶林;(4)土壤反硝化速率介于122.21～1 229.09 mg/(kg·h)之间,高于贵州石灰土上的次生林,果园和针叶林N_2O流失率较高,反硝化作用产生的CO_2不断被消耗。总的来说,区域土壤趋于有机碳积累,酸性环境、低NH_4~+-N含量下微生物倾向于生物体碳的积累;土壤氮矿化速率较快,N_2O流失率较高,初始NO_3~--N水平是决定酸性土壤N_2O释放率的主要因素。     

大数据背景下采用互信息与随机森林算法的空气质量预测

为了实现城市空气质量的精准预测,针对与城市空气质量预测相关的大数据种类多、规模大、维度高和生成速度快等特点,在研究城市不同区域空气质量评价指标的基础上,提出不同区域空气质量子空间聚类分析方法,挖掘不同区域空气质量的特征。通过对不同区域进行群体划分,并利用互信息矩阵从城市功能、地形、气象条件等方面辨识与不同区域空气质量相关联的因素,构建基于随机森林算法的城市空气质量预测模型。该方法可以有效识别城市不同区域空气质量的强关联因素,避免由于关联因素的差异性对空气质量预测造成的不利影响。仿真结果表明:该方法适用于大数据的分析与处理,并具有较高的预测精度。     

城市地面对大气污染贡献的计算与分析——以保定市主城区为例

固体地球对大气的净化能力主要受地面透气和透水性能的影响。以气体和水循环理论为基础,改进大气污染箱式模型,通过不同地面类型的透气、透水性试验,计算和分析了保定市主城区地面对大气污染的贡献。结果表明:城市房屋建设和地面硬化阻隔了大气与固体地球之间的气和水循环,降低了固体地球对大气的净化能力。保定市主城区混凝土地面和房屋覆盖区地面共占84. 6%,与裸地、水域、草地、林地相比,城市地面气体通量分别降低了82. 1%、81. 9%、83. 0%、84. 2%;水的入渗通量分别降低了84. 6%、0. 0%、84. 6%、84. 6%;水的蒸发通量分别降低了82. 9%、81. 5%、82. 4%、81. 8%。因此,地面类型变化使保定市主城区固体地球对大气的净化能力也相应降低了81. 5%～84. 6%。由此可见,改善城市地面透气和透水性是大气污染防治新途径。     

面向场景的城市PM2.5浓度空间分布精细模拟

针对传统PM_2.5浓度空间分布模拟方法忽略了城市内部如道路、工厂、居民区、景区等不同微环境整体对PM_2.5浓度影响机制的缺陷,本研究提出一种微环境PM_2.5浓度场景分异的理论假设,并以湖南长沙主城区为例,结合基于污染先验知识划分的城市微环境场景空间分布与自主设计加密观测场获取的203个监测点小时PM_2.5浓度加密数据,分析城市微环境PM_2.5浓度场景时空分异特征.在此基础上,耦合地理加权回归（GWR）与人工神经网络（ANN）方法,构建微环境场景增强下的PM_2.5浓度空间分布精细模拟GWR-ANN模型,开展城市内部高空间分辨率PM_2.5污染制图.结果表明：不同微环境场景间PM_2.5浓度存在显著时空差异,地表覆盖类型相同但分别位于2个不同场景的监测点间PM_2.5浓度差会随时间发生变化;耦合微环境场景变量的GWR-ANN模型能够有效精细模拟PM_2.5浓度的空间分布,模型拟合效果与交叉检验精度指标整体优于无场景变量参与的GWR-ANN模型（除部分时相较为接近外,检验R²：0.76~0.84vs.0.57~0.81）;场景增强下的PM_2.5浓度空间分布100m级分辨率模拟估算结果可以较好揭示研究区PM_2.5浓度高低值局地变化特征.     

中国亚热带地区2000-2014年林火排放颗粒物时空动态变化

林火是森林生态系统重要干扰因子并对大气环境和人类健康有显著影响.该研究基于2000-2014年中国亚热带地区卫星火点数据,结合林业统计年鉴,估算各区域林火燃烧生物量,运用排放因子法,估算15年间中国亚热带地区林火排放颗粒物总量.研究结果表明,亚热带地区林火存在季节性差异,福建、广东、广西、湖南和江西林火主要集中在春、秋两季;贵州和云南林火主要集中在春季;浙江林火集中在春、夏两季.亚热带地区森林可燃物总燃烧量为333.92 Mt,污染物PM_2.5、OC、EC和TC总量分别为：698.33、338.18、40.04和378.22 kt,此外,各污染物排放在时间和空间上不均衡,各污染物排放量多集中在云南南部和东南部,湖南、贵州和广东交汇处,广东东南部和福建中部等区域;PM_2.5、OC、EC和TC在浙江、云南、贵州、湖南和江西呈显著增长趋势.林火释放PM_2.5与工业粉尘的排放比变化趋势总体呈上升趋势,说明森林火灾导致的颗粒物排放对大气环境影响力呈逐年增长趋势.该文通过对中国亚热带地区林火释放污染物的时空变化研究,为深入揭示林火对区域环境的影响提供数据支持.     

武汉市湖泊侵占现状分析与洪涝灾害

湖泊是集提供水源、补充地下水、调节径流、抵御洪涝灾害、改善微小气候等功能为一体的重要水域,是湿地的重要组成部分。分析武汉市湖泊侵占与洪涝灾害现状发现,武汉市湖泊侵占现状严重,面积锐减,从而影响了湖泊在防洪排涝体系中的重要作用,是造成了武汉市历年遭受特大洪涝灾害的原因之一。2016年的洪涝灾害应该进一步敲醒警钟,保护武汉市湖泊资源迫在眉睫。为政府决策部门、职能部门、科研机构保护武汉市湖泊资源提供依据。