【体系教程】最新AI-Python在地球科学多源数据交叉融合中的深度应用

基础篇：Python编程与地球科学AI工具基础

模块一Python与地球科学AI编程基础

专题一

Python for Earth Science快速入门与AI编程助手

1、面向地球科学的Python编程基础（精简回顾，强调数据处理）

2、科学计算基础：NumPy、SciPy、Pandas

3、数据可视化技术：Matplotlib、Seaborn、Plotly

4、AI编程工具与大模型应用：GitHub Copilot、ChatGPT、Codeium、LangChain

5、开发环境配置：JupyterLab/Notebooks、VS Code

6、版本控制与协作：Git与GitHub基础

专题二

地球科学数据类型、获取与预处理

1、常见地球科学数据类型：站点观测、格点数据、再分析数据、遥感影像、模式输出

2、数据格式介绍：NetCDF、HDF、GeoTIFF等

3、主要数据源：NASA、NOAA、ESA、Copernicus、中国气象局等

4、数据获取途径：公开数据源、API接口、网络爬虫

5、数据质量控制：异常值检测与处理、缺失值插补（传统方法与AI方法对比）

6、数据标准化/归一化与特征工程

模块二

地球科学数据处理与分析基础

专题三

Xarray高效处理气候大数据

1、使用Xarray处理多维数组数据

2、基于Rasterio、RioXarray的空间数据处理与可视化

3、空间-时间维度Groupby与resample高效实践

4、地理空间分析工具：GeoPandas、Cartopy、Folium

专题四

Dask并行计算实战

1、构建Dask分布式计算环境

2、数组(Array)、结构化数据(DataFrame)与延迟计算

3、实现弹性计算与大数据分析案例

进阶篇：地球科学数据分析与统计建模

模块三

地球科学数据分析方法

专题五

时间序列分析与预测

1、时间序列分解、平稳性检验、自相关/偏自相关分析

2、经典时间序列模型：ARIMA、SARIMA、Prophet

3、机器学习方法：LSTM、GRU、Transformer在时间序列预测中的应用

4、极端事件重现期分析与预测建模

5、案例：气温/降水预测、极端天气事件预测、植被指数时间序列分析

专题六

空间统计与空间插值

1、空间自相关分析（Moran's I、Geary's C）

2、空间回归模型：空间滞后模型（SLM）、空间误差模型（SEM）、地理加权回归（GWR/MGWR）

3、空间插值方法：克里金（Kriging）、反距离权重（IDW）、样条插值

4、深度学习空间插值、GAN缺测数据生成

5、案例：气温/降水空间插值、污染物浓度空间分布模拟、土壤属性空间制图

模块四

地球科学机器学习与AI方法

专题七

地球科学中的机器学习

1、监督学习：回归与分类算法（线性模型、支持向量机、随机森林、梯度提升树、深度学习）

2、无监督学习：聚类（K-means、DBSCAN、层次聚类）、降维（PCA、t-SNE）

3、特征工程：从地球科学数据中提取有效特征

4、模型评估与选择：交叉验证、网格搜索、超参数优化

5、可解释的机器学习（XAI）：SHAP、LIME等

专题八

AI在地球科学中的应用

1、卷积神经网络（CNN）在遥感图像处理中的应用

2、循环神经网络（RNN）在时间序列预测中的应用

3、AI模型的不确定性量化与可靠性评估

4、案例：使用深度学习进行遥感图像分类、使用LSTM预测极端天气事件

应用篇：地球科学专题应用与实战

模块五

气候变化与气候模式分析

专题九

气候模式数据与CMIP6分析

1、CMIP6数据集结构与获取

2、多模式集合分析与评估

3、气候情景（SSP）比较与分析

4、使用Python处理大规模CMIP6数据集

5、设计气候模式评估指标与方法

6、CMIP6数据与观测数据的对比分析

专题十

气候变化数据处理与趋势诊断分析

1、气候变化检测与归因

2、百年气候趋势分析（CRU、HadSST、ERA5）

3、Mann-Kendall趋势突变与小波分析的Python智能高效实现

4、环流指数（ENSO、NAO、AO等）与气候变化的机器学习分析

5、AI驱动的多尺度气候诊断分析方法

专题十一

气候模式数据降尺度与未来气候风险分析

1、CMIP6数据分析与AI降尺度方法（Delta、百分位校正、深度学习降尺度）

2、极端气候指数计算与未来变化智能分析

3、未来气候情景预估与风险评估

4、基于降尺度结果的区域气候变化分析

模块六

天气研究与预报（WRF）模型应用

专题十二

WRF模型基础与Python接口

1、使用Python处理WRF输入/输出

2、WRF-Python模块应用

专题十三

WRF模拟结果分析与可视化

1、WRF输出数据后处理

2、模拟结果验证与评估方法

3、WRF气象要素三维可视化技术

4、基于AI的WRF模拟优化与参数调优

5、WRF与观测数据融合分析

专题十四

极端气候事件分析与预测

1、极端气候事件（高温、干旱、洪涝、风暴等）的识别、特征分析、预测

2、气候变化对水资源、生态系统、农业的影响评估

3、气候变化下的生态系统生产力与土地利用变化预测

4、结合WRF与CMIP6的多尺度极端事件分析

模块七

遥感数据智能分析与处理

专题十五

遥感数据处理与应用

1、遥感数据预处理与质量控制

2、遥感图像分类与目标检测

3、时间序列分析与变化检测

4、遥感数据的自动化裁剪与掩膜操作（AI自动生成掩膜与区域识别）

专题十六

遥感生态环境动态分析

1、MODIS数据的云端处理与生态系统生产力分析

2、土地利用变化与生态系统服务评估

3、遥感数据的生态水文分析

4、将WRF与遥感数据结合分析陆气相互作用

专题十七

遥感水文数据智能分析与降尺度技术

1、使用深度学习进行遥感降水数据空间降尺度

2、蒸散发数据智能分析（GLEAM、MODIS ET产品）

3、结合WRF与遥感数据的水文循环分析

模块八

生态系统模拟与多源数据融合

专题十八

生态系统建模与生物多样性

1、生态系统模型：Biome-BGC、ED2、LPJ-GUESS

2、案例：植被生产力模拟、碳循环模拟

3、气候变化下的生态系统响应模拟

4、将CMIP6数据驱动生态系统模型

专题十九

多源数据融合与综合分析

1、观测、再分析、模式与遥感数据的综合分析方法

2、多源数据不确定性评估与处理

模块九

科研成果展示与可视化

专题二十

地球科学数据的AI增强可视化

1、探索性数据分析（EDA）方法

2、交互式可视化工具：Plotly、Bokeh、Folium

3、WRF与CMIP6结果的高级可视化技术

4、气候-生态系统-水文多维数据可视化

专题二十一

科研成果与论文高效产出

1、使用AI工具优化论文撰写流程（结构建议、语言润色）

2、图表自动生成技术与规范

3、AI辅助的文献综述与科学知识提取