气候变化显著影响中国干湿过程与格局，直接关系农业和水资源适应性管理、土地荒漠化防治、空间生态修复等管理决策。当前研究多聚焦于干湿气候要素变化，缺乏对地域系统动态演变及其非线性响应的定量揭示和解析。本文基于1961—2020年全国气象站点数据，系统量化干湿格局对气候变化响应的非线性特征。结果表明，1961—2020年6.98%的区域生态地理干湿区类型发生转变，其中4.95%的区域向相对更加湿润的类型转变。湿润区和半干旱区面积显著扩张，半湿润区和干旱区面积显著缩减。20世纪90年代后期湿润区和半湿润区变化趋势发生转折，其中华北湿润区收缩由降水减少主导，青藏高原则受潜在蒸散增加趋势驱动。同期干旱区退缩速率减缓，与华北西部干旱化以及西北地区变湿速率减缓有关，均受降水趋势的主导影响。研究揭示了气候变化下干湿格局的非线性响应特征，可为区域气候韧性提升提供科学依据。

干旱级联传播严重制约区域水资源可持续利用，但目前仍缺乏长链式干旱传播阈值动态演变规律的定量刻画，且阈值变化的多过程耦合驱动机制尚未明晰。本文以蒙古高原为研究区域，集成标准化降水指数（SPI）、标准化径流指数（SRI）和标准化土壤水指数（SSI）、游程理论、Copula函数模型与机器学习方法，系统解析了1982—2021年干旱级联传播阈值时空动态及其驱动因子。结果表明：1982—2021年研究区超过30%区域的SPI、SRI与SSI均变干，其变干速率分别为-0.25/10a、-0.19/10a和-0.34/10a。SPI及SRI呈现“高频次—短历时—低强度”特征，SSI呈现“低频次—长历时—高强度”特征。干旱传播遵循“气象干旱→水文干旱→土壤水干旱”级联路径，平均传播时间分别为2个月和9个月。干旱级联传播概率呈现“等级正相关、强度负相关、路径衰减性”的三重特征。蒙古高原山区及林地的传播阈值较低，耐旱性较强，中部荒漠—典型草原过渡带传播阈值较高，容易引发级联效应，呈现“边缘低敏感—内部高敏感”的特征。分别有60%和49%区域的SPI→SRI和SRI→SSI传播阈值呈上升趋势。此外，降水主导SPI→SRI传播（贡献率44%），土壤含水量（贡献率60%）成为SRI→SSI传播的关键瓶颈，NDVI、潜在蒸散发与温度协同调控边缘过渡带级联风险。研究结果可为干旱半干旱区级联干旱精准预警提供依据，同时为降低干旱传播对生态系统的负面影响，实现区域生态及农牧业可持续发展提供理论参考。

随着全球气候快速变暖和大气污染物排放的增加，城市臭氧污染事件频发，严重威胁人类健康。臭氧的形成受污染物排放和气象条件等多种因素的复杂影响，导致当前臭氧浓度预报精度普遍不高。本文基于环境质量监测站观测数据、气象再分析资料和排放数据，利用站点的空间关系构建无向图，建立了基于GCN-GRU的时空图卷积模型，对长三角地区24个典型城市的臭氧浓度时空格局进行模拟。结果表明：① 基于GCN-GRU的时空图卷积模型在MAE和RMSE指标上分别较常规统计模型和机器学习模型优化降低了17.7%和16.3%；② 在针对高臭氧浓度污染事件的案例模拟中，模型能够较好地捕捉臭氧浓度观测值的周期性变化及关键转折点（r = 0.735、p < 0.05），并准确反应区域臭氧浓度的空间变化特征；③ 模型模拟的2015—2023年研究区臭氧浓度呈现波动上升的特征，年均增速达0.56 μg m^-3 a^-1（p < 0.05），与观测值呈现的变化特征基本一致，且模拟与观测的臭氧浓度在空间分布上均呈现出内陆地区逐渐上升，而沿海地区逐渐减弱的空间差异特征。本文为长三角地区臭氧浓度的精准预测及污染防治政策的制定提供了科学依据。

科尔沁沙地是中国四大沙地之一，位于中国东北平原西部和内蒙古自治区东南部，开展土地沙化时空变化格局及驱动因子研究是科学开展防沙治沙工作的重要基础。本文基于Landsat遥感影像反演土壤沙化指标，以气象、NDVI、DEM和土壤质地等数据计算土壤风蚀强度，采用Slope趋势分析和Pearson相关分析等方法，揭示科尔沁沙地1991—2020年土壤沙化时空分布格局及其对土壤风蚀的响应。结果表明：① 1991—2020年科尔沁沙地土地沙化呈现逆转趋势，沙化逆转区域面积占研究区总面积的71.27%；沙化呈现加剧趋势的面积占比为17.54%，呈零星分布状态。② 1991—2020年科尔沁沙地土地沙化变化与土壤风蚀强度变化基本一致，呈现先增加后减少的趋势。③ 沙化进程中风力侵蚀起主导作用区域中，人为活动影响区域占比66.36%。风蚀减弱与沙化逆转区域，人类活动积极影响显著，占78.34%；风蚀增加与沙化加剧区域，气候变化贡献（57.69%）大于人类活动（42.31%），二者分布相邻，主要位于北部科尔沁右翼中旗、通榆县西部与科尔沁区。研究通过分析近30年科尔沁沙地时空分布格局演变及其与风蚀强度的响应关系，为科尔沁沙地沙化防治工作提供理论依据与科学指导，助力该地区生态环境的持续恢复与改善。

白鹤滩水库库区是金沙江下游产输沙强度最大的区域，库区入汇的多条支流含沙量偏大，支流来沙带来的河口段及干流库区泥沙淤积对于水库运行和局部水生态环境有重要影响。本文以当前金沙江流域含沙量最大的支流黑水河为研究对象，基于流域全序列的降雨、径流和泥沙观测资料，详细解析了流域水沙输移及其变化特征与主要影响因素，建立了流域高精度的分布式侵蚀产沙模型，开展了产流产沙过程模拟，结果表明：① 黑水河流域降雨径流量增大的趋势性不显著，受水土保持工程的影响，2001—2020年输沙量均值相较于1981—2000年减少约214万t，减幅达到34.5%；② 降雨是流域主要的产沙驱动因子，降雨量、落区、强度和过程均会影响产沙和输沙，流域中下游普格至宁南段的强降雨更容易导致宁南水文站的强输沙；③ 计算出2021—2023年黑水河流域径流偏枯，平均年径流量为16.8亿m³，平均年输沙量为164万t，径流偏枯导致输沙量较多年平均值偏少65.3%。

基于空间插值获取的网格气象数据在生态、水文以及陆面过程模型中有着重要应用。如何有效匹配气象要素的物理行为和插值方法的机理特征，从而最大化提高插值精度，是当前气象要素空间插值的关键问题。本文利用薄盘光滑样条方法和随机森林方法以及高程、坡度、坡向、再分析资料组成的6种协变量组合构建了12种插值模型，对中国2000—2020年8个气象要素（最高气温、最低气温、降水量、地表温度、平均风速、相对湿度、表面压力和日照时数）进行了逐日插值与方法对比。结果表明：① 最高气温、最低气温、地表温度、相对湿度和日照时数的适宜插值方法为以高程为协变量的薄盘光滑样条法，降水量、平均风速为以高程为协变量的随机森林法，表面压力为以高程、坡度、坡向为协变量的随机森林法；② 最低气温和地表温度在冬季适合以高程、坡度、坡向为协变量的薄盘光滑样条法，表面压力在春季适合以高程为协变量的薄盘光滑样条法，其余要素在各季节保持不变；③ 不同方法对最高气温的模拟精度存在区间偏好，随机森林在日最高气温< 15 °C时的精度高于> 15 °C，薄盘光滑样条相反。

阐明干旱半干旱区城市群长时期的时空演变特征、驱动机制及其对区域气温的影响，对于促进区域可持续发展和优化人居环境至关重要。本文综合利用史料、遥感影像、气象站点观测和再分析气温等多源数据，采用城市土地数据重建和贡献率分析等方法，绘制了呼和浩特—包头—鄂尔多斯（呼包鄂）地区自20世纪初10年—2024年城市扩张轨迹，并结合1951年以来的气温记录，定量评估了城市化对区域气温变化的影响及其贡献度。研究表明，20世纪初10年—2024年，呼包鄂地区城市面积增长了约93.73倍，扩张迅猛，其中呼和浩特市的扩张尤为显著。在此期间，城市形态的紧凑度呈下降趋势，分形维数则持续上升，表明城市边界形态日趋复杂。此外，呼包鄂地区的社会经济也实现了显著发展。1951—2023年呼包鄂地区城市化主要通过抬升最低气温（OMR：0.44 ℃/10a，贡献率：63.17%）和缩小昼夜温差（观测趋势：-0.36 ℃/10a；OMR：-0.41 ℃/10a）来显著影响区域气温；相比之下，其对最高气温的影响有限（OMR：0.03 ℃/10a），且城市最高气温总体低于郊区。研究结果为揭示干旱半干旱城市群长时间序列的城市时空演变规律及其气候响应机制提供了科学依据，并为区域城市化与气候相互作用研究奠定了理论基础。

基于2017年6月—2020年9月间鄱阳湖平原区环湖站点降水、气象因子的连续监测及植物样的定时采集，利用同位素三元混合模型，结合ERA5再分析数据，本文解析了该区湖泊效应降水事件的时空特征及形成机制，定量评估了鄱阳湖对该区降水的贡献。研究结果表明：① 该区气候湿润、云下蒸发微弱，降水稳定同位素春冬富集、夏秋贫化，总降水量与极端降水事件发生频率自西北向东南递减；② 湖泊效应降水事件共发生148场，冬季发生频率显著高于夏季，依据空间形态可分为多中心雨带型和单中心漩涡型；③ 湖—气交互作用呈现季节特征，春夏季湖面蒸发增强导致边界层水汽饱和度提升对流活动加剧，而秋冬季湖面热力梯度增大驱动大气不稳定度升高，共同促进降水发生。④ 鄱阳湖蒸发水汽对环湖区降水的贡献率为1.65%~37.93%，其中冬季受冷干气团与地形抬升耦合作用，蒸发水汽对牯岭镇区域降水贡献率达峰值（37.93%），而夏季受湖泊深水位与海洋水汽稀释效应影响，平原区贡献率普遍低于15%且呈西低东高格局。研究结果为环湖区降水预报模型优化及洪涝灾害预警提供理论支撑。

径流是水循环过程的重要要素。采用传统水文测验观测流量受站点布设影响大，基于物理过程的径流模拟依赖高质量、长序列的多要素观测资料。利用遥感资料反演流量受自然、社会等因素干预小，为径流模拟提供新的技术手段。目前，遥感指示物与流量间的关系有待进一步挖掘。本文基于2017—2023年Sentinel-2号影像的多波段信息构建7个光学遥感指示指标，以建溪流域七里街水文站附近的河道为研究对象，通过对180组像元分别应用传统对照/测量法（C/M法）、多元线性回归方法和随机森林反演流量，并进行精度评价。结果表明：传统C/M法的反演效果显著受M像元选取的影响，需选择对不同量级流量均敏感的像元作为M像元；综合应用CM信号、水体指数（NDWI）、植被指数（NDVI）、裸土指数（BSI）和水体浑浊指数（TWI）能够更全面地捕捉河道水面、植被和水质等特征，相比传统C/M法，考虑多种遥感指数的多元线性回归方法和随机森林算法降低了反演结果对M像元选择的敏感性；在3种方法中，随机森林算法反演流量精度最高，且在高流量处反演效果提升明显。研究成果可为河道径流模拟提供科学参考，为河道智能化监测提供指导建议。