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科学通报 2025年

作者：余弘泳李普曦王开存北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京大学城市与环境学院中法地球系统模拟国际联合研究中心碳中和研究院

准确描述极端降水事件的精细化特征是天气气候研究中的关键挑战.数值模拟技术的进步使得模式可提升至对流可分辨尺度的水平分辨率(约4 km),从而能更好地表征深对流系统的动力和热力过程及其降水.对流可分辨尺度模拟不仅能够更好地再现... 详细信息

准确描述极端降水事件的精细化特征是天气气候研究中的关键挑战.数值模拟技术的进步使得模式可提升至对流可分辨尺度的水平分辨率(约4 km),从而能更好地表征深对流系统的动力和热力过程及其降水.对流可分辨尺度模拟不仅能够更好地再现极端降水事件特征,诸如小时降水强度、造成强降水及大风的中尺度对流系统以及复杂地形下的降水分布,还被视作一种新的工具,用于改进降水估计和加深对水文过程的理解.对流可分辨尺度模拟相关研究近年来呈爆发式增长,本文系统梳理了近十年对流可分辨尺度极端降水模拟研究,包括这些研究的主要目的、方法和结论,发现研究区域从观测密集区域拓展到观测稀缺区域,模拟方式朝着“多模式-多物理集合、大范围-长时间模拟”发展,研究内容从降水特征分析深入到动力学和热力学机制研究;总结了该领域面临的主要挑战,包括对流参数化以外的参数化方案的复杂性、评估数据和方法的局限性,以及大计算量和海量存储需求;最后,提出了对流可分辨尺度模拟研究未来发展建议,认为应有更广泛的国内外模拟合作、更完善的评估数据与方法、更全面的区域和全球模式、更精准的下游方需求对接.

关键词：极端降水对流可分辨数值模拟参数化深对流

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基于机器学习的海河流域河流氮素变化趋势及关键因子识别

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中国环境科学 2025年

作者：汪昊高凯璐尹高飞孙学莹刘一航张旭琳王凤翟梦瑜王佳宝李昭慧文宏达李文超河北农业大学资源与环境科学学院省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室河北省农田生态环境重点实验室天津大学电气自动化与信息工程学院北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京工业大学循环经济研究院

总氮（TN）是我国河流水质的主要限制因子。准确识别其时空变化规律及关键影响因素，并预测其浓度变化，有助于提前识别污染趋势和规避水质恶化风险，为水质监测与污染防治提供科学依据。目前的研究主要面临动态实时监测不足、时空变... 详细信息

总氮（TN）是我国河流水质的主要限制因子。准确识别其时空变化规律及关键影响因素，并预测其浓度变化，有助于提前识别污染趋势和规避水质恶化风险，为水质监测与污染防治提供科学依据。目前的研究主要面临动态实时监测不足、时空变化建模能力有限、以及多源数据整合和特征选择困难等局限性。因此，本研究基于2021年 — 2024年海河流域69个水质监测站的监测数据，通过耦合随机森林模型（RF）和长短时记忆神经网络（LSTM）构建了TN浓度预测的RF - LSTM数据驱动模型，分析了TN浓度的时空变化规律及主要影响因素。结果表明：（1） 2021年TN浓度较高，2022年TN浓度较低，年均值变化在4.97 mg/L ～ 5.22 mg/L；（2）五个子流域TN浓度年内呈‘U’形的季节变化特征，TN浓度最高值出现在1月和2月，最低值出现在8月；（3）水温和溶解氧浓度是影响海河流域水体TN浓度的关键因子，水温与TN浓度呈极显著负相关，溶解氧浓度与TN浓度呈极显著正相关；（4） RF - LSTM 数据驱动模型的预测效果 (R2: 0.830 ～ 0.939) 优于传统单一LSTM (R2: 0.818 ～ 0.931) 模型，且RF - LSTM 数据驱动模型具有更强的泛化性能。

关键词：海河流域时空变化规律影响因子机器学习

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城市洪涝智慧控制与社会系统响应思考及探讨

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中国水利 2025年第5期 37-43页

作者：叶陈雷徐宗学李小雁北京师范大学水科学研究院北京100875 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875 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

随着城市化进程加快,城市洪涝灾害频繁发生,给经济社会发展和居民生活带来巨大压力和挑战。为有效应对城市洪涝问题,智慧控制技术与社会系统响应协同机制逐步成为研究的核心方向。综述了当前城市洪涝管理中三大关键领域,即城市洪涝数值... 详细信息

随着城市化进程加快,城市洪涝灾害频繁发生,给经济社会发展和居民生活带来巨大压力和挑战。为有效应对城市洪涝问题,智慧控制技术与社会系统响应协同机制逐步成为研究的核心方向。综述了当前城市洪涝管理中三大关键领域,即城市洪涝数值模拟、城市洪涝调度控制与社会系统响应的研究进展。首先回顾了城市洪涝数值模拟方法的发展历程与关键技术,重点分析了基于水文-水动力耦合模型的模拟手段;其次探讨了城市洪涝调度控制技术的现状与面临的挑战,特别是在多源数据集成与实时决策支持系统中的应用;最后分析了社会系统在应对城市洪涝灾害中的响应机制,突出社会参与、应急管理与公众意识在灾后恢复中的关键作用。旨在通过多角度讨论,推动城市洪涝灾害智慧防控体系理论研究与实践发展。城市洪涝的模拟、控制与社会响应需要多学科的协同合作,并依赖于先进的技术手段和有效的政策措施,促进城市的可持续发展并提升其韧性。

关键词：城市洪涝数值模拟水文-水动力强化学习智慧控制社会系统多智能体

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基于机器学习的高精度耕地识别模型构建--以甘肃省张掖市为例

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草业学报 2025年第2期34卷 149-162页

作者：麦晶晶冯琦胜王瑞泾封森耀金哲人张忠雪梁天刚金加明兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室兰州大学草地农业科技学院兰州大学寒旱区生态环境遥感研究中心甘肃兰州730020 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京师范大学地理科学学部北京100875 清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究院广东深圳518055 苏州市吴江区七都镇农业服务中心江苏苏州215200 甘肃省草原技术推广总站甘肃兰州730070

耕地是农业生产和保障粮食安全问题重要的物质基础,耕地的准确识别对耕地资源的保护和农业生产可持续发展有着重要意义。为了构建高精度的耕地识别模型,本研究基于空间云计算平台使用Sentinel-1/2数据,构建不同特征类型组合,通过特征重... 详细信息

耕地是农业生产和保障粮食安全问题重要的物质基础,耕地的准确识别对耕地资源的保护和农业生产可持续发展有着重要意义。为了构建高精度的耕地识别模型,本研究基于空间云计算平台使用Sentinel-1/2数据,构建不同特征类型组合,通过特征重要性分析对耕地识别特征进行筛选,形成最优特征集合,使用随机森林(random forest,RF)、支持向量机(support vector machine,SVM)和分类回归树(classification and regression tree,CART)模型对甘肃省张掖市2021年度的耕地进行识别,同时对比分析了各分类器的分类精度。结果表明,使用植被指数特征、雷达特征和地形特征的特征类型组合能够把分类精度提升到91.32%;在研究区耕地识别中表现较好的特征有海拔(elevation)、雷达VH极化通道及归一化水指数(normalized difference water index,NDWI)等;在张掖市耕地识别中,RF算法优势明显,总精度达90.04%,Kappa系数为0.79,基于RF模型得到的张掖市耕地面积为58.5万hm^(2),面积占比为15.4%。本研究实现了张掖市耕地的精确识别,可为该地区耕地制图提供参考。

关键词：耕地识别机器学习随机森林哨兵卫星

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黄泛风沙区风沙活动特征

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河北师范大学学报(自然科学版) 2025年

作者：邢先双蒋宁董明明李广杰孟琳程宏李童山东省水文中心北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室防沙治沙教育部工程研究中心地理科学学部聊城市水文中心

区域风沙活动的深入研究,是土壤风蚀防治及其决策的基础.利用山东省冠县气象站过去近30 a的观测资料以及2019—2020年实地监测的土壤风蚀物输沙量、地表蚀积变化等数据,对黄泛区风沙活动进行研究.结果表明:1)起沙风频率为0.54%～5.86%,2... 详细信息

区域风沙活动的深入研究,是土壤风蚀防治及其决策的基础.利用山东省冠县气象站过去近30 a的观测资料以及2019—2020年实地监测的土壤风蚀物输沙量、地表蚀积变化等数据,对黄泛区风沙活动进行研究.结果表明:1)起沙风频率为0.54%～5.86%,2000—2017年呈先减少后增加再减小趋势,2000年最小,2005年最大;起沙风年均风速5.53～6.08 m/s,其年际变化趋势与起沙风频率类似;起沙风冬、春季风速大,出现频率高;2)起沙风风向以NE和S为主,2005年及之前多为NE和S风向,2005年后主要为NE风向;起沙风风向1～4,9～12月以NE为主,5～7月以S和SSW为主,8月则以NNW为主;3)年输沙势为1.08～32.61 VU,属低风能环境,1990年最大,2015年最小;1990—2000,2005 2017年输沙势均逐渐减小,但2000—2005年明显增大;合成输沙方向多为SW,SSW,W方向;1990—2017年风向变率逐渐增大,风向变得单一;输沙势的季节变化表现为冬、春季大于夏、秋季;4)裸土地表、割草草地、天然草地近地表20,50,100,150 cm高度风沙量总量分别为52.810,41.583,34.361g,风沙流垂向分布满足幂函数;地表蚀积监测结果显示,裸土地表土壤风蚀模数2 375 t/（km2·a）,属于中度侵蚀,但是可能严重低估真实的土壤风蚀量.综上,黄泛风沙区土壤风蚀防治重点应多以冬、春季裸土地表和植被覆盖度较低地表为主,并加强耕地等地类的保护措施.

关键词：黄泛区风况起沙风输沙势土壤风蚀

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吉兰泰荒漠绿洲过渡带土壤生态化学计量特征及养分恢复状况研究

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水土保持研究 2025年第2期32卷 207-214,223页

作者：韩彦隆魏亚娟左小锋左轶璆康帅童国利李建媛王永平内蒙古农业大学沙漠治理学院呼和浩特010018 包头师范学院生态环境学院内蒙古包头014030 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室/防沙治沙教育部工程研究中心北京100875 内蒙古信中生态环境技术有限公司呼和浩特010020 西藏自治区拉萨市曲水县水利局拉萨850600

[目的]探究不同下垫面土壤养分及其生态化学计量的变化特征,阐明植被演替与土壤性状之间的耦合关系,进而为该区域的植被恢复提供理论依据。[方法]基于野外取样与室内实验相结合的方法,以吉兰泰荒漠绿洲过渡带4种下垫面(流动沙地、半固... 详细信息

[目的]探究不同下垫面土壤养分及其生态化学计量的变化特征,阐明植被演替与土壤性状之间的耦合关系,进而为该区域的植被恢复提供理论依据。[方法]基于野外取样与室内实验相结合的方法,以吉兰泰荒漠绿洲过渡带4种下垫面(流动沙地、半固定沙地、固定沙地和防护林地)为研究对象,分析了0—30 cm浅层土壤容重(BD)、土壤含水量(SM)、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量及其生态化学计量特征,从而揭示不同下垫面土壤养分含量和生态化学计量比分布特征以及与土壤环境因子之间的关系。[结果](1)吉兰泰荒漠绿洲过渡带不同下垫面土壤指标均符合正态分布(p>0.05)。从变异系数来看,BD和土壤孔隙度(STP)属于弱变异性,其余指标属于强变异性。(2)除TP和BD外,其他指标大小均表现为:防护林地>固定沙地>流动沙地>半固定沙地,说明绿洲化过程有利于土壤养分蓄积;(3)各下垫面土壤C∶N,C∶P和N∶P随土层深度变化各异。不同下垫面C∶N,C∶P和N∶P分别介于2.94~70.00,6.89~240.95,0.64~23.22。(4)不同下垫面土壤养分恢复指数表现为:防护林地>固定沙地>半固定沙地。[结论]人工植被建植更有利于土壤养分蓄积,研究结果为荒漠绿洲过渡带植被恢复和保护提供基础资料。

关键词：土壤养分生态化学计量下垫面荒漠绿洲过渡带吉兰泰

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戈壁沙尘运动中风速与颗粒数及动能的标度律

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干旱气象 2025年第02期 195-206页

作者：王振亭孟小楠王雪松李庆干旱区生态安全与可持续发展重点实验室中国科学院西北生态环境资源研究院北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室/防沙治沙教育部工程研究中心北京市第八十中学睿德分校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

中国西北极端干旱区戈壁广布，风大沙多，灾害频发。充分了解戈壁沙尘运动基本规律是灾害预警与科学防治的重要前提。鉴于目前难以精准预测瞬时输沙率，探讨风沙事件中气流与沙尘特征物理量的统计规律，进而开展统计预测，也许是在秒及... 详细信息

中国西北极端干旱区戈壁广布，风大沙多，灾害频发。充分了解戈壁沙尘运动基本规律是灾害预警与科学防治的重要前提。鉴于目前难以精准预测瞬时输沙率，探讨风沙事件中气流与沙尘特征物理量的统计规律，进而开展统计预测，也许是在秒及以下时间尺度上建立风和沙之间定量关系的可行之路。本研究借鉴湍流统计理论的思路和方法，利用Hilbert-Huang变换分析4个戈壁沙尘运动野外观测数据集。结果表明，沙尘事件中的风速、跃移沙粒动能与个数、粉尘浓度等时间序列的Hilbert边际谱均符合幂次标度律，沙尘特征量和风速的标度指数范围分别为0.78～1.51和0.59～1.47。

关键词：戈壁风沙粉尘 Hilbert边际谱标度律

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北京森林表土碳组分城郊梯度变化及其影响因素

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地理学报 2024年第1期79卷 206-217页

作者：田越韩郭泓伯高晓飞夏楠杜恩在北京师范大学地理科学学部北京100875 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

快速的城市化进程深刻影响了城市森林土壤碳循环,重塑了城郊梯度上森林土壤碳空间分布特征。本文在北京市设置了4条城郊样带,测定了20个城市森林公园表土(表层0~10cm和亚表层10~20 cm)总碳及其不同碳组分含量,分析了各碳组分空间变化及... 详细信息

快速的城市化进程深刻影响了城市森林土壤碳循环,重塑了城郊梯度上森林土壤碳空间分布特征。本文在北京市设置了4条城郊样带,测定了20个城市森林公园表土(表层0~10cm和亚表层10~20 cm)总碳及其不同碳组分含量,分析了各碳组分空间变化及其影响因素。结果表明,城郊样带森林表土总碳(表层21.0±1.6 g/kg;亚表层18.0±1.3 g/kg)以有机碳为主(表层占比64.6%±4.5%;亚表层占比54.9%±4.5%),有机碳含量从市中心到郊区表现出先下降后增加的非线性变化,无机碳含量在此梯度上呈显著线性下降趋势。城市森林表土有机碳(表层13.8±1.5 g/kg;亚表层10.0±1.2 g/kg)以颗粒态有机碳为主(表层占比71.3%±2.4%;亚表层占比70.5%±2.8%),颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳含量在城郊梯度上均表现出先下降后增加的非线性变化;颗粒态有机碳的占比在城区相对更小,而矿物结合态有机碳占比在城区相对更大。土壤质地、土壤p H和公园年龄是解释表土碳组分在城郊梯度上空间变异的重要因素,城郊气候梯度以及树木多样性对城市森林土壤碳组分空间变化的影响并不明显。上述研究结果有助于认识气候变化及人类活动双重干扰下的城市森林土壤碳库特征,也对城市森林土壤管理具有重要的指导意义。

关键词：城市森林城市化土壤有机碳颗粒态有机碳矿物结合态有机碳空间格局

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基于土地功能的农村居民点内部用地结构分类

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农业工程学报 2018年第4期34卷 269-277页

作者：马雯秋何新姜广辉李雨凌张瑞娟地表过程与资源生态国家重点实验室北京师范大学地理科学学部北京100875 北京师范大学地理科学学部资源学院北京100875

科学合理的农村居民点内部用地功能结构分类是提升农村土地利用效率、实现用地结构优化配置的重要前提。该文在梳理农村居民点用地分类现状的基础上,从土地利用的功能角度出发,构建了涵盖农村居民点用地生产功能、生活功能、生态功能和... 详细信息

科学合理的农村居民点内部用地功能结构分类是提升农村土地利用效率、实现用地结构优化配置的重要前提。该文在梳理农村居民点用地分类现状的基础上,从土地利用的功能角度出发,构建了涵盖农村居民点用地生产功能、生活功能、生态功能和潜在功能的分类体系,其中包含4个一级类、10个二级类和37个三级类;并以该分类方法为基础,通过实地调查典型农村居民点内部用地结构现状,从微观视角揭示内部用地结构。基于新的分类体系,大兴庄村用地类型可分为28种,农村居民点内部生产用地、生活用地和生态用地的比例分别为34.73%、53.53%和4.06%,可挖潜面积比例为占农村居民点总面积的13.09%。研究结果为中国农村居民点用地分类体系构建提供了基本思路和工作框架。

关键词：土地利用农村分类体系农村居民点多功能内部结构

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数据同化谱写陆面过程研究中理论模型与观测数据的和弦

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科学通报 2024年第15期69卷 1973-1975页

作者：徐同仁张刚强北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

陆面数据同化通过融合理论模型和观测数据,为科学家们提供了一个强大的工具,以更准确地模拟和预测土壤湿度、积雪、蒸散发、径流、地下水、农业灌溉、湍流通量、陆表温度、植被动态、作物产量等地表过程关键参量[1~4].数据同化如同一把... 详细信息

陆面数据同化通过融合理论模型和观测数据,为科学家们提供了一个强大的工具,以更准确地模拟和预测土壤湿度、积雪、蒸散发、径流、地下水、农业灌溉、湍流通量、陆表温度、植被动态、作物产量等地表过程关键参量[1~4].数据同化如同一把钥匙,开启了对地球系统科学深入理解的大门.

关键词：数据同化地球系统科学地表过程融合理论土壤湿度湍流通量陆面过程理论模型

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