改革开放40 a以来，新疆土地利用和地表覆被发生了巨大变化，在产生巨大社会经济效益的同时，也产生了许多生态与环境问题。为了给未来新疆土地利用、水资源开发及社会经济可持续发展国土空间规划提供依据，通过采用分区分层的决策树方法和向量相似度的变化检测方法，完成了新疆2015年、2010年、2000年、1990年、1975年的土地覆被1∶100 000矢量数据集，准确反演了过去40 a（改革开放40 a）来新疆地表覆被变化过程，分析了新疆土地覆被变化与国家改革开放政策相互关系，从垦荒（1975—1990年）、农业资源开发（1990—2000年）、西部大开发（2000—2010年）、对口援疆（2010—2015年）4个阶段，阐述了国家政策力度和导向对土地覆被变化的影响。分析表明：新疆土地覆被变化由耕地开垦、人工表面增长的高速发展模式开始向兼顾生态文明建设的可持续发展方向转型，各主要地类的变化也由急剧发展转向基本可控。近40 a新疆耕地面积增加了128%（50 414.02 km²），新增耕地依照水土资源配置特征，遵循空间规律分布；人工表面（建设、交通、工矿用地）面积增加了197%（7 497.11 km²），在2000年后增速明显，2010年后南疆增加幅度很大；1990年前林地面积呈现减少趋势，1990年后呈增加的态势，新增林地广泛分布在全疆天然林封育保护范围和天保工程实施区内；湿地1990年前面积减少明显，1990—2000年保持稳定，2000年后呈增加趋势；草地和其他类型的面积呈现持续减少态势。

通过对比选用14时实测值法利用1981—2016年全省96站14时相对湿度和能见度数据重建全省历史霾数据序列，分析区域内霾天气的特征及相关气象要素的特征，并探讨大范围持续霾天气过程对应的环流形势，研究霾天气过程的成因。结果表明：关中地区是我省霾天气的高发区，其次是陕南的汉中盆地，陕北出现最少。全省霾日数总体呈较明显的上升趋势，2000年后增加显著。从季节变化来看全省及各区域均为冬季霾日数最多，秋季次之，夏季霾日数最少。各区域均在5～8 km能见度、60%～70%相对湿度、静小风时易出现霾天气，西安及关中全年和四季在偏东北风向时霾天气频率较大。冬季地面风速小，相对湿度较大，近地面风场辐合及逆温层的存在，造成关中大气垂直扩散能力较弱，大气污染物发生堆积、累积效应易形成关中地区持续霾天气及严重大气污染。

对巴音布鲁克站点1958—2015年的月降水量、降水日数和平均气温进行集合经验模态分解得到其变化趋势，利用MannKendall和累计距平法诊断突变点，并采用Morlet小波和R/S法分析其周期特征和未来变化趋势。结果显示：（1） 巴音布鲁克各月降水量1月、6月和11月增多趋势显著，2月、7月和12月呈“凸”字形变化，减少趋势显著。（2） 降水日数1月和9月呈显著减少趋势，2月和6月呈显著增加趋势，3月和11月呈“凸”字形变化，5月、7月和8月呈不同幅度的“凹”字形变化。（3） 各月平均气温基本呈上升趋势，尤其以5月、7月和10月升温最显著。（4） 年降水量、年降水日数和年平均气温分别在1999年、1993年和1997年发生突变，年降水日数增多早于年降水量增多和年平均气温升高的时间，从90年代中期开始气候由干冷逐渐向暖湿转型。（5） 年降水量、年降水日数和年平均气温的主周期分别为41 a、9 a和30 a。（6） 未来年降水量将增多，年降水日数将减少，年平均气温将升高，极端降水发生的频次将增大，易引发洪涝灾害。

东南大风是乌鲁木齐城区独有的强灾害性天气，通过研究发现东南大风是天山峡谷特殊地形造成的大振幅重力波与超低空急流耦合触发的强下坡风暴。针对2012年3月30日乌鲁木齐城区出现的近10 a最强的一次东南大风天气过程，使用中尺度WRF模式进行数值模拟，分析模式输出的高时空分辨率产品发现：在气压梯度力作用下，气流从天山峡谷南端进入，一方面由于狭管效应在峡谷内300~400 m高度形成超低空急流；另一方面气流在进入峡谷过程中，因爬坡强迫抬升形成重力波。重力波在峡谷内与超低空急流发生耦合，在峡谷北端背风坡形成大曲率背风波，背风波的下沉运动引起动量下传，将超低空急流的能量输送到地面，形成水跃型下坡风暴即东南大风。在此过程中背风坡上空风向切变的临界层吸收上层波能量加强了超低空急流，对流层低层稳定层结对背风波的下沉运动起到加速作用。

利用新疆策勒流沙前缘及绿洲内部的野外气象观测数据，运用同步对比与统计分析方法，分析塔克拉玛干沙漠流沙前缘及绿洲内部近地表0.5 m和2 m高度之间逆温逆湿特征，揭示不同时期、典型天气状况下的逆温逆湿特征，为沙漠与绿洲内部的热量和水汽运移交换提供理论依据。结果表明：流沙前缘月平均相对湿度最大值出现在10月，最小值出现在4月，气温最高出现在8月，最低出现在1月。2011年7月逆温逆湿强度最大，逆湿日数占总逆湿日数的38.71%，逆温日数占总逆温日数的3.76%。逆温时间集中在傍晚19:00至上午10:00之间，逆湿出现在上午10:00至晚上21:00之间。绿洲内部月最低气温出现在2011年1月，最高气温出现在2011年7月，相对湿度最小值出现在2011年4月，最大值（74.91%）出现在2010年9月。最强逆温逆湿现象出现在2010年的11月，平均日温差3.48 ℃，垂直高度湿差达2.27%。总体上，在流沙前缘与绿洲内部，冬季的相对湿度整体上大于夏季的相对湿度，而气温整体上表现为夏季高冬季低，同一高度的温度与湿度呈现较好的负相关性。在4种典型天气情况下，流沙前缘与绿洲内部出现的温湿度变化和逆温逆湿特征变化趋势基本一样，但出现的时间上基本存在绿洲内部提前流沙前缘滞后的现象，但在晴天和扬沙天气下，逆湿在流沙地出现的时间提前而流沙前缘滞后。绿洲内部出现的逆温逆湿持续时间一般比流沙地持续的时间较长。

以新疆典型干旱区内陆河流域为研究对象，通过对地理、地貌、水文气象条件、流域水循环特征的系统分析，提出了水资源开发利用存在的三大问题，即：水资源匮乏且时空分布严重失衡，跨界河流水安全问题突出；水资源过度开发利用，人工绿洲与天然绿洲结构严重失调，生态环境恶化；水资源利用效率效益低，供需矛盾和水盐平衡失控。以水问题和水需求为导向，工程措施与生态保护并举，采用系统科学的基础理论与分析方法，构建了三层级多目标水循环调控理论与工程技术体系，分别从宏观、中观、微观三个层级，提出了区域、流域、灌区水循环调控与水资源高效利用的科学模式和关键技术。结合区域地形地貌特点和水资源禀赋条件，建立了北疆“网式”、南疆“环式”、东疆“串式”结构水循环调控框架，增强区域水资源合理配置的调控能力。针对流域水循环特点，提出山区水库替代平原水库和河道内与河道外引水“三七调控”、经济与生态耗水“五五分账”的综合调控模式。围绕现代灌区建设和面临的挑战，研究指出建立节水灌溉—水盐调控—地下水利用—生态保护“四位一体”的水资源高效利用综合调控技术体系，是干旱区绿洲农业可持续发展的方向。

基于中国0.5°×0.5°逐月与逐日降水量网格数据集，采用线性趋势、克里金插值（Kriging）、森斜率等方法，分析1961—2015年中国3个自然区的降水量和降水面积的变化特征。结果表明：（1） 中国1961—2015年年均和季节平均降水量呈现由东南沿海向西北内陆递减的空间分布特征，中国一半以上的地区年均和四季降水量呈增加趋势。（2） 日变化特征上，东部季风区、西北干旱区和青藏高寒区均以小雨和中雨为主，其日降水面积多年平均值分别为：1 112.75×10³ km²、52.65×10³ km²，1 380.57×10³ km²、92.83×10³ km²，1 253.9×10³ km²、34.3×10³ km²，暴雨和大暴雨占的面积较小；三个区域不同等级日降水面积年内变化均符合二次函数曲线，三个区小雨日平均降水面积年际变化均呈略微减少趋势，青藏高寒区和西北干旱区大雨、暴雨和大暴雨均呈略微增加趋势，大暴雨整体波动较大。（3） 季节变化特征上，三个区四季均以小雨为主，暴雨和大暴雨所占面积较少。春季和秋季三个区小雨降水面积均呈减少趋势，春季和夏季三个区暴雨降水面积均呈增加趋势，冬季三个区中雨和大雨降水面积呈增加趋势。（4） 东部季风区春季和秋季，西北干旱区年均和四季，青藏高寒区春季、秋季和冬季不同等级降水量对应的降水面积均符合负指数分布规律。km²

为了深入了解天山山区中尺度对流系统（MCS）的触发和变化，对发生在新疆伊犁河谷一次中亚低涡背景下的短时强降水过程MCS成因进行了分析。通过利用自动站小时降水数据分析得出此次降水时空分布特征，并基于FY-2G卫星TBB产品、多普勒天气雷达数据对MCS的云图和雷达特征进行分析，得出该地区中-β尺度MCS(M_βCS)具有明显的夜发性和后向传播特征，且分别在山区、平原上空发展和增强并长时间维持，雷达图上强回波带、逆风区和超低空急流的持续出现说明局地对流增强。此外，选取代表站雨强与对应TBB、雷达回波进行分析，发现强降水时段雨强的空间分布与TBB梯度大小成正比，时间分布与回波顶高和垂直液态含水量成正比。利用探空、地面风场以及ERAInterim再分析资料对MCS形成的大尺度环流背景和中尺度特征进行分析，得出深厚中亚低涡前部局地对流活动的加强触发MCS的生成，中低层多通道水汽输送和局地长时间水汽辐合、大气不稳定层结、中低层的风场辐合和垂直切变、高低层θ_se梯度增大以及低层暖平流增强为MCS的发展和维持提供了动热力和水汽条件。

利用2001—2014年MOD16蒸散产品数据、MOD13植被[WTBX]NDVI[WTBZ]数据以及常规气象资料，基于植被指数、地表净辐射、气温优化改进混合型线性双源遥感蒸散模型，拟合地表蒸散分析实际蒸散（ET）、潜在蒸散（PET）时空动态变化特征，结合气象站实测蒸发皿数据验证MOD16数据在绿洲地区的适用性。进一步定义蒸散干旱指数（EDI）并计算△EDI进行研究区干旱特征分析，为大面积特殊地形蒸散估算研究和干旱监测提供一定依据。结果表明：（1） MOD16产品数据与研究区实测蒸发皿数据的相关性很好，通过0.01显著性检验，基于MOD16数据估算南疆绿洲地区蒸散量检验可行。（2） 2001—2014年均蒸散量总体变化不大，四季差异明显，ET与PET空间变化趋势相反；ET、PET年均差值较大，绿洲地区地表缺水情况严重。（3） EDI指数绿洲地区年均值总体偏大，△EDI对旱情的反映和干旱程度的判断比较可靠。

基于实地调查研究，结合现有资料和研究成果，总结分析白龙江中游地理环境结构特点，调查研究该区水土流失性质、带状分异特征以及小流域形态结构，剖析地理环境与水土流失作用关系，提出以小流域为单元，以其空间结构有序和区段功能有序特征，配置水土保持防治措施体系，为建立综合治理模式提供有效参考。

青藏铁路格拉段铁路建设对沿线沙漠化土地变化的影响，是大家关注的焦点之一。通过利用地理信息系统和遥感监测技术，根据错那湖段Landsat影像、Google Earth影像和气象资料等数据，结合野外实地考察建立解译标志，采用人机交互的目视解译方法，提取青藏铁路错那湖段2001年、2008年和2015年沙漠化土地信息，并对沙漠化土地变化成因进行分析。同时对铁路沿线沙漠化土地的变化进行缓冲区分析。结果表明：（1） 2001—2008年沙漠化土地面积增加2.21 km²，土地沙漠化程度呈减轻趋势；2008—2015年沙漠化土地面积减少8.9 km²，土地沙漠化程度持续减轻。（2） 2001—2008年，沙漠化土地面积的增加主要与人为因素有关，土地沙漠化程度减轻主要与自然因素有关。2008—2015年，沙漠化土地面积的减少以及土地沙漠化程度的减轻主要与人为因素有关。（3） 青藏铁路错那湖段2 km范围内土地沙漠化程度变化最为明显，以沙漠化程度减轻为主要特征，青藏铁路对周边环境的影响范围为2 km。

基于百度POI数据，运用Ripley’s K函数、最近邻层次聚类、空间自相关等方法，对乌鲁木齐市公共休闲设施空间布局进行研究，总结城市休闲空间的格局特征，进而探讨休闲空间的影响因素。结果表明：（1）乌鲁木齐休闲设施空间分布表现出明显的向心集聚性。（2）各类休闲设施热点区分布表现出不同的集聚倾向，娱乐类、购物类、健身类三类休闲设施热点区主要布局在主城区以内重要交通枢纽和商业中心附近，餐饮类休闲设施热点区表现出明显的人口导向特征，旅游类休闲设施热点区均分布在热门旅游景区附近，文化类休闲设施热点区分布于科教文化基地或多民族混居区。（3）乌鲁木齐市休闲空间格局为“圈层+扇形+组团”模式，核心为面状综合型休闲中心，外围为扇形的休闲设施稀少区、组团式多功能休闲区和组团式餐饮休闲区，最外围是休闲设施极少的郊区和组团式旅游休闲区。（4）乌鲁木齐休闲空间与人口空间分布存在较强的空间正相关关系。

水资源匮乏是干旱区实现可持续发展的最大障碍。干旱区农业灌溉耗费大量的水资源，不同农作物在生长期所需的灌溉水量存在较大的差异，因此快速准确地了解干旱区的农业种植结构可以为节水型农业种植结构优化提供重要依据。以天山北坡经济带为研究区，以谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）云平台为支撑，以Sentinel 2以及Landsat 7-8的数据为遥感数据源，采取以下步骤进行研究区的农业种植结构提取：首先，为了简化农业种植结构提取的过程，利用一年最大NDVI值以及坡度信息构建耕地掩膜图层；然后，根据研究区内主要农作物的物候历，获取不同时间段内的最大NDVI值的时间序列数据以及农作物在一年中出现NDVI最大值的日期，并在此基础上构建一个包含10波段的特征波段影像；最后，结合野外实地考察获得的有效样本点以及经耕地掩膜图层掩膜后的10波段特征波段影像，利用随机森林分类器进行研究区的农业种植结构提取。分类结果表明：2018年研究区内棉花、玉米、小麦的总体分类精度为92.19%，Kappa系数为0.883。为了进一步将分类结果与统计数据进行对比，我们将训练得到的分类器应用于2017年的遥感影像，提取了研究区内2017年的农业种植结构信息，其分类结果表明2017年研究区内棉花、玉米、小麦的种植面积分别为5 270 km²、2 000 km²、2 340 km²，其相对精度分别为86.53%、77.54%、86.19%。

为提高内蒙古平原灌区作物种植结构遥感监测精度和效率，提出一种基于时序NDVI曲线的作物种植结构提取方法。以内蒙古土默特右旗平原区为研究区域，以2015年覆盖作物生育期的多时相Landsat影像为数据源，根据不同地物其NDVI值范围不同，将研究区地表分为植被覆盖地表，无植被覆盖地表和水体3类。在植被覆盖区域内，根据林地和荒草地时序NDVI曲线特征，提取林地和荒草地，其余区域即为农田。根据小麦、玉米、葵花和西葫芦的时间序列NDVI曲线特征差异构建分类决策树模型，在农田区域内提取上述作物的空间种植分布信息。研究区各类地物及作物遥感提取面积与实际统计面积接近，土地利用分类总体精度达到85.71%，作物分类总体精度达到82.69%。研究结果表明该方法提取作物种植信息的精度较高，能够实现区域作物种植信息的高效准确监测。

通过内蒙古地区近46 a降水和潜在蒸散量以及湿润度在气温突变前后的倾向率和差值变化分析，得出该区域主要植被类型干湿环境演变的时空变化特征。研究结果表明：降水在气温突变前“东增西减”，突变后呈相反的变化趋势。46 a降水倾向率增加区域主要集中在呼伦贝尔市东部和乌兰察布市以西大部地区；潜在蒸散量在气温突变前呈减少趋势，突变后有增加趋势，突变后潜在蒸散量明显小于突变前。内蒙古46 a潜在蒸散量倾向率大部地区偏小，偏大区域仅存在于中东部偏北地区，气温突变后全区大部地区存在明显的“蒸发悖论”；大兴安岭西麓和乌兰察布市以西地区突变后湿润度增加明显，暖湿的气候环境有利于当地植被建设和生态恢复，内蒙古东南部、呼伦贝尔草原和锡林郭勒盟草原区有暖干化趋势，上述草原区存在潜在退化风险。

“职”和“住”是城市最基本的功能，职住关系反映了城市秩序与效率。以百度热力图、百度路况图所提供的实时动态大数据为依据，配合城区土地利用现状图，分析了银川市主城区职住关系。结果表明：在一个工作日内，上班时间段内，教育、商业用地上的人口聚集力度更大，而在休息时段，居住用地上的人口聚集状况更明显，二者表现出大致反向的趋势。这意味着上班时段内人口大量离开居住区，百度热力下降；而下班时段又返回居住区，百度热力上升，居民在工作地—居住地间存在着节律性的钟摆式流动。上班时间段内人群高度集中的区域大部分是商务中心、城市综合体、高等院校、医院和物流中心等工作地；休息时段人群高度集聚中心由就业中心转为居住区和休闲购物区，说明整个城区存在一定的职住分离。银川市职—住比介于0.34~3.4之间，职住相对平衡；但区域间差异较大。总体来看，城市中心区比外围区的职住平衡更明显。依据职住比，将职关系划分为基本平衡型、 轻微就业倾向型、 严重就业倾向型、 轻微居住倾向型和严重居住倾向型五类。

草原生产力及其对气候变化的响应是全球变化研究的热点。利用ArcGIS插值技术，将蒙古高原32个气象站点数据插值成1°×1°的格点数据，然后利用CENTURY模型模拟了蒙古高原1961—2016年草原地上净初级生产力（ANPP）时空分布特征。结果表明：（1） CENTURY模型模拟的蒙古高原草原ANPP时空分布能够很好地反映该区域草原生产力的变化，草原ANPP分布由北向南，由东向西逐渐减少。（2） 草甸草原和典型草原单产均呈波动下降趋势，草甸草原下降速率较大，荒漠草原单产呈波动上升趋势，草原总产以典型草原最大，荒漠草原面积虽然最大，但总产最低。（3） 降水对草原生产力起主导作用，湿期会有荒漠草原→典型草原→草甸草原的转化，而干期的转化过程正好相反。从暖湿期→冷干期转换时，蒙古草原总产下降幅度最大，相反，则增产幅度最大。

利用塔克拉玛干沙漠22个气象站（周边21个站和沙漠腹地1个塔中站）2005—2007年的逐时风记录数据，首先基于输沙势定义计算了2007年各测站的16个方位的输沙势；其次以内积相似度指数聚类分析为基础，再结合其空间分布特点，把该沙漠的动力输沙环境划分为5种类型：沙漠东部库尔勒型（西西南型）、北部新和型（偏南型）、西部策勒型（偏东型）、南部民丰型（东东北型）和一种特殊类型；其中策勒型输沙势最大、新和型最小；民丰型输沙势方向稳定性最好、库尔勒型最差；此外，输沙势的季节差异上（2007年为例），各测站春夏季（3~8月）的输沙势都很强，占年均输沙势的81.29%~98.79%，尤其是5月份占年输沙势的22.7%~56.8%，冬季（11月~次年2月）几乎无起沙风；沙漠合成输沙势年际变化表现为：输沙势变幅为±33%，输沙方向变幅为±9.6°，其中输沙势值变幅最大是阿拉尔站（±80%），方向变幅最大的是库车站（±24.4°）。

采用K-means聚类分区，Sen’s斜率估计，Kendall-Tau非参数检验等方法，分析和讨论了近半个世纪（1960—2015年）我国西北地区不同区域的气温变化特征。发现近半个世纪西北地区气温保持了持续的显著上升，年均最低气温上升速率高于年均气温和年均最高气温。从空间的角度来看，新疆北疆地区的东北部，内蒙古北部、西部中东部，甘肃中部、西部，青海北部、中部，宁夏中部、北部地区以及陕西北部是升温最快的区域。虽然西北地区气温总体是上升趋势，但在时间上并不均匀一致。从1998年开始，西北地区气温升温减缓，部分地区出现了下降趋势。近半个世纪西北地区季节气温与年际气温变化趋势并不一致，变暖减缓在该地区不同季节的响应不同。1998—2015年，冬季是增温幅度最小的季节，多数子区冬季存在升温趋势减缓，甚至转为下降趋势。

利用常规探测资料、库尔勒多普勒天气雷达、风云2E静止卫星以及NCEP/NCAR提供的0.5°×0.5°再分析资料，对2015年发生在库尔勒市的两次冰雹天气从天气形势、环境背景及强对流云团结构等方面进行了成因分析，并重点对比了雷达回波特征。结果表明：4月17日冰雹天气为弱短波槽影响,系统浅薄，6月1日为低涡降雹，系统深厚。两次冰雹共性特征很多：在冰雹发生前，有强的垂直风切变，0 ℃层和-20 ℃层高度适宜且之间伴有浅薄的饱和湿层。通过塔里木盆地东南缘水汽的输送，云团在天山南麓及切变线附近合并降雹是这两次冰雹最突出的特征。雷达图中冰雹云发展中强回波中心值＞55 dBz，配合有逆风区，存在明显的回波悬垂和弱回波区，强的垂直风切变是其发展和维持的主要原因。冰雹云形成于云顶亮温＜-50 ℃的冷云盖东南边缘的云团合并处附近，并且主要沿中低层平均风方向移动。