机器学习在黄土高原沟壑区插补二氧化碳浓度的潜力评估
Evaluation of the Potential of Using Machine Learning to Interpolate the CO2 Concentration in the Gully Region of the Loess Plateau
DOI: 10.12677/ccrl.2026.153072, PDF,    国家自然科学基金支持
作者: 邓 炜:西安理工大学水利水电学院,旱区水工程生态环境全国重点实验室,陕西 西安;赣江下游水文水资源监测中心新余水文监测大队,江西 新余;刘登峰*, 郭凤年, 孟静静, 黄 强:西安理工大学水利水电学院,旱区水工程生态环境全国重点实验室,陕西 西安;李明亮:水利部水利水电规划设计总院,北京
关键词: 二氧化碳浓度机器学习生态水文数据插补黄土高原Carbon Dioxide Concentration Machine Learning Ecohydrology Data Interpolation Loess Plateau
摘要: 以陕西的淳化生态水文实验基地的沟底和塬上的实测二氧化碳浓度数据和空气温度数据,用沟底观测数据评价了多层感知机(MLP)、双向长短期记忆神经网络(Bi-LSTM)、随机森林(RF)、多元线性回归(MLR)等机器学习方法模拟空气二氧化碳浓度的潜力,遴选性能较好的机器学习方法对塬上二氧化碳浓度进行了模拟、插补,并评估插补值的质量。结果表明:在沟底植被覆盖度不同的区域,仅以实测二氧化碳浓度为输入,机器学习方法即可达到可接受的模拟精度;增加空气温度作为输入后,MLP和RF模型能进一步提升模拟精度。利用沟底二氧化碳浓度数据插补塬上浓度时,MLP和RF仍表现出较高的可行性,能有效还原变化趋势,虽然在部分时段对高值存在轻微低估,但其插补结果与实测值的均值、极大值、极小值的最大偏差仅为5%。MLP和RF可以用于进行区域二氧化碳浓度模拟与数据插补。
Abstract: Based on the measured data of carbon dioxide concentration and air temperature at the bottom of the gully and on the plateau of the Chunhua Ecological Hydrological Experimental Base in Shaanxi Province, the potential of machine learning methods such as Multilayer Perceptrons (MLP), Bidirectional Long Short-term Memory (Bi-LSTM), Random Forest (RF) and Multiple Linear Regression (MLR) in simulating air carbon dioxide concentration was evaluated using the observation data from the bottom of the gully. The machine learning method with better performance was selected to simulate and interpolate the carbon dioxide concentration on the tableland, and the quality of the interpolation value was evaluated. The results show that in areas with different vegetation coverage at the bottom of the ditch, when only the measured carbon dioxide concentration is used as the input, the machine learning method can achieve an acceptable simulation accuracy; when air temperature is added as an input, the MLP and RF models can further improve the simulation accuracy. When using the ditch bottom carbon dioxide concentration data to interpolate the concentration on the plateau, MLP and RF still show high feasibility and can effectively restore the changing trend, although there is a slight underestimation of high values at some times, the maximum deviation between the interpolation results and the measured values of mean, maximum and minimum values is only 5%. MLP and RF can be used for regional carbon dioxide concentration simulation and data interpolation.
文章引用:邓炜, 刘登峰, 李明亮, 郭凤年, 孟静静, 黄强. 机器学习在黄土高原沟壑区插补二氧化碳浓度的潜力评估[J]. 气候变化研究快报, 2026, 15(3): 674-687. https://doi.org/10.12677/ccrl.2026.153072

参考文献

[1] 傅伯杰, 刘彦随, 曹智, 等. 黄土高原生态保护和高质量发展现状、问题与建议[J]. 中国科学院院刊, 2023, 38(8): 1110-1117.
[2] 张西宁, 郭文遥, 曹丹, 等. 水土保持与县域善治: 黄土高塬沟壑区的治理范式与创新实践[J]. 中国水土保持, 2026(1): 22-24.
[3] Ding, M., Flaig, R.W., Jiang, H. and Yaghi, O.M. (2019) Carbon Capture and Conversion Using Metal-Organic Frameworks and MOF-Based Materials. Chemical Society Reviews, 48, 2783-2828. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
[4] 李恩, 侯锐, 侯方玲, 等. 高用水工业节水减碳分析: 以江苏省为例[J]. 水利水电技术(中英文), 2025, 56(8): 49-60.
[5] Noor, S., Jiang, X., Wang, X., Yang, J., Newman, S., Li, K., et al. (2026) Human-Induced Biospheric Carbon Sink: Impact from the Taklamakan Afforestation Project. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123, e2523388123. [Google Scholar] [CrossRef
[6] 郜国明, 喻权刚, 徐佳. 黄土高原水土保持碳汇研究及其价值实现路径[J]. 中国水利, 2024(23): 12-19.
[7] Solanki, H., Vegad, U., Kushwaha, A. and Mishra, V. (2025) Improving Streamflow Prediction Using Multiple Hydrological Models and Machine Learning Methods. Water Resources Research, 61, e2024WR038192. [Google Scholar] [CrossRef
[8] 何志远, 钟九生, 代仁丽. 基于机器学习的综合干旱监测建模及在西南地区应用[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(2): 43-51.
[9] 陈思宇, 李肖男, 花续, 等. Kolmogorov-Arnold网络在长江中下游水位预报中的应用[J]. 水力发电学报, 2025, 44(4): 97-107.
[10] 缪云飞. 基于机器学习的大气二氧化碳卫星反演研究[D]: [硕士学位论文]. 合肥: 安徽大学, 2023.
[11] 赵嘉宁, 牛振川, 梁单, 等. 秦岭北麓大气CO2浓度的分层观测与通量估算研究[J]. 环境科学学报, 2026, 46(5): 11-21.
[12] 邓炜, 刘登峰, 李明亮, 等. 机器学习方法模拟黄土高原沟壑区二氧化碳浓度的潜力评估[J]. 生态学报, 2025, 45(13): 6559-6575.
[13] 郝旺林, 夏彬, 许明祥. 黄土丘陵区典型沟道侵蚀诱发的CO2通量估算[J]. 水土保持学报, 2022, 36(6): 179-188.
[14] 张奎月, 刘登峰, 刘慧, 等. 黄土高原灌丛生态系统土壤呼吸特征及其影响因素[J]. 人民珠江, 2022, 43(4): 83-94.
[15] 郭凤年. 黄土高原典型灌丛系统蒸散发过程模拟与变化规律分析[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安理工大学, 2023.
[16] 邓炜. 基于机器学习的黄土高原沟壑区小流域水热碳过程模拟[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安理工大学, 2024.
[17] 徐月月, 何清, 毛东雷, 等. 2022-2023年中昆仑山北坡不同海拔气象要素梯度对比分析[J]. 高原气象, 2025, 44(1): 224-239.
[18] 刘华玲, 马俊, 张国祥. 基于深度学习的内容推荐算法研究综述[J]. 计算机工程, 2021, 47(7): 1-12.
[19] 陈镜元. 基于机器学习模型的汉江上游径流预测及水文干旱评价[D]: [硕士学位论文]. 咸阳: 西北农林科技大学, 2025.
[20] 王超, 张耀飞, 张社荣, 等. 数字孪生水利监测感知网多参数时序预测模型[J]. 水力发电学报, 2025, 44(9): 73-88.
[21] 彭海波, 戴善进, 李泽华, 等. 基于CNN-LSTM-Attention融合模型的东江流域中长期水文预报方法及应用[J]. 中国水利, 2025(8): 61-66.
[22] 牟含笑, 郑建飞, 胡昌华, 等. 基于CDBN与BiLSTM的多元退化设备剩余寿命预测[J]. 航空学报, 2022, 43(7): 301-312.
[23] 赵安周, 徐瑞皓, 卢彦琦. 基于随机森林的长江中下游流域综合干旱指数构建与应用[J]. 农业现代化研究, 2026, 47(1): 213-224.
[24] 邢贞相, 侯泉滢, 王轶男, 等. 基于群组特征与随机森林算法的大庆地区湖泊健康评价[J/OL]. 水资源保护, 1-16.
https://link.cnki.net/urlid/32.1356.TV.20260120.0821.002, 2026-05-26.
[25] 赖成光, 陈晓宏, 赵仕威, 等. 基于随机森林的洪灾风险评价模型及其应用[J]. 水利学报, 2015, 46(1): 58-66.
[26] 谭龙金, 冯震宇, 周家文, 等. 堰塞坝数据库插补及稳定性评价[J]. 水力发电学报, 2025, 44(5): 33-43.
[27] 黄青东智, 孙颖, 杨明新, 等. 基于异速生长方程和随机森林模型的青藏高原不同乔木林类型碳储量估测[J]. 生态学报, 2025, 45(15): 7191-7201.
[28] Belkin, M., Hsu, D., Ma, S. and Mandal, S. (2019) Reconciling Modern Machine-Learning Practice and the Classical Bias-Variance Trade-Off. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116, 15849-15854. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
[29] Bartram, L., Correll, M. and Tory, M. (2022) Untidy Data: The Unreasonable Effectiveness of Tables. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 28, 686-696. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]