近百年来，全球气候显著变暖，致灾危险性不断增加，正在重塑海洋生态系统并影响人类社会的可持续发展。自20世纪中叶以来，海洋升温、海平面上升与台风-风暴潮，以及极端高温事件（海洋热浪）等海洋致灾因子的危险性（强度、频率和范围等）显著增加。其中，海洋升温引起海洋物候显著变迁，导致物种组成和地理分布明显变化，以及赤潮、绿潮和水母暴发性增殖等生态灾害频繁发生，而沿海海平面上升对红树林、盐沼、海䓍床和河口等典型生境构成严重威胁，频繁的海洋热浪引起暖水珊瑚礁大规模白化、死亡，并屡屡造成海水养殖业重大损失。与此同时，人类的围填海、污染物排放和过度捕捞等活动增加了我国海岸带和沿海社区的暴露度及脆弱性，加剧了红树林、盐沼、海草床、珊瑚礁和河口生态系统的退化，以及重要海洋渔业资源的衰退，包括滨海湿地生境的退化、生物多样性和生态系统稳定性的下降、渔业经济种类的低龄化和小型化等。此外，海平面上升还加大了海岸侵蚀、海水入侵、河口区咸潮入侵，以及台风-风暴潮对沿海地区的洪涝灾害和沿海社会经济的影响。未来，在不同气候情景下（温室气体温低、中等和高排放浓度情景，RCP2.6、4.5和8.5），到本世纪中叶，暖水珊瑚礁的衰退、河口附近海域赤潮的暴发很可能面临突破气候临界点的风险；到21世纪末，我国海洋温度和海平面还将有大幅度的上升，并成为全球海洋变化最为显著的区域之一，沿海许多地区当前百年一遇的极值水位（极端海面）事件将变为几年一遇，甚至低于一年一遇（RCP8.5），沿海地区很可能面临更严重的灾害风险。为此，我国海岸带和沿海地区需要加强应对气候变化的适应对策措施，尤其亟需采取前瞻性和变革性的海洋气候行动，增强自然生态和社会系统的气候韧性，保障我国海岸带和沿海地区的安全及经济社会的可持续发展。

地理科学是一门“目中有人”的科学，人地关系一直是其核心研究对象。然而，长期以来，人地关系的研究大多停留在描述性层面，其预测和调控（动态决策）缺乏普适性数学理论支撑，定量建模方面研究实践的缺乏也进一步限制了对人地关系的深入研究。本文将人地关系定义为一个复杂适应系统（complex adaptive system），分别对“无人”影响（只考虑自然系统的变化）和“有人”影响（同时考虑自然和社会系统的作用）分别建模，“无人”的自然系统使用微分方程建模，而“有人”的社会系统则采用智能体模型（ABM）或复杂网络模型建模。这两类模型中系统状态的时间演化都可以用Markov过程统一表达。随后，引入人地相互作用，即认为人——智能体（agent）按照策略（policy）采取行动（action），行动导致系统状态的时间演进（用状态转移函数表示）并得到相应回报（reward），从而把人地相互作用定义为由自然环境状态、智能体的行动、状态转移、回报这四元组组成的一个Markov决策过程。决策过程中状态的估计、行动的选择或策略的调整、收益的估算都包含高度不确定性，也都面临可预报性差、可观测性低的挑战。针对这些挑战，本研究（1）将状态、多智能体的联合行动、回报全部处理为随机向量；（2）在系统演进过程中，利用数据同化不断融合自然系统的观测数据和社会感知大数据，改进对人地复杂系统中状态、行动、回报及其相关参数的估计，其中社会感知大数据对于刻画智能体行动起到关键作用，显著提高了智能体行动的可观测性；（3）Markov决策过程中状态和决策空间的维数都很大，特别是随着人地系统中智能体数量的增加，决策空间也会指数级增大，最终引发维数灾难。因此，本研究中引入深度强化学习解决Markov决策过程的高维求解难题。最后，以联合国可持续发展目标（SDG）实现或生态服务价值最大为目标，以不超出行星边界为约束，给出一个经典人地关系问题——公地悲剧的数学建模示范。总之，以Markov决策过程为动力框架，以Bellman方程为数学理论，以多智能体深度增强学习（MADRL）为算法框架，以大数据同化为增强自然-社会系统可预报性和可观测性的方法，本研究尝试从整体论的角度自上而下地提出一个有望解决人地系统复杂性的通用数学模型。

海岸带是陆地生态系统与海洋生态系统相互作用的地带，形成了具有特殊的景观结构、物种多样性和能量流动的海岸带生态系统。在全球气候变化、区域人类开发的双重影响下，海岸带地区面临着严峻的生态环境问题。如何有效把握海岸带人地复合生态系统发展动向，合理调控与统筹规划人类活动、促进海岸带人地关系协调发展成为研究热点。韧性作为系统的内在特征，在防范化解灾害风险、维护区域生态安全中发挥着重要作用，是复合生态系统可持续发展能力的重要表现。研究综合多源数据从复合生态系统基底状态、社会经济发展与资源环境禀赋的耦合协调关系、复合生态系统的可持续发展潜力、人类活动对环境的影响范围与强度方面构建评价体系，定量评估2001－2020年东海区大陆海岸带复合生态系统韧性，分析韧性时空演变特征与空间分异的影响因素。结果表明：（1）2001－2020年东海区大陆海岸带复合生态系统韧性呈波动下降趋势，韧性空间异质性显著，具明显的海陆梯度地带性。（2）林地是维持区域复合生态系统韧性的主体。（3）反映人类活动分布与强度的因素对复合生态系统韧性的影响越来越大。研究为保护、恢复、促进海岸带复合生态系统的可持续发展与管理提供了理论支持与实践经验。

习近平总书记提出了“海洋命运共同体”的理念，强调指出，我们人类居住的这个蓝色星球，不是被海洋分割成了各个孤岛，而是被海洋连结成了命运共同体，各国人民安危与共。海洋环流与物质能量循环，构筑了全球海洋连通性的本质，洋中脊构成了全球海底连通性的基础。中国海的环流系统和陆缘海、边缘海的海底系统，支持了中国海极其复杂的生物栖息地。南海处在全球三大海洋生物多样性中心之一的印-太交汇区的西北区域，南海珊瑚礁生态系统位于印-太交汇区珊瑚礁金三角的西北角，具有全球代表性、区域代表性、科学代表性、战略意义重要性。 远海岛礁和冷泉是南海最具特色的生态系统，它们的研究、保护和利用，是经略海洋的关键。

中国海（CS）包括南海边缘海以及渤海、黄海和东海陆架海。这些海域通过台湾海峡（TWS）连接在一起，形成CS。CS还嵌入许多沿海河口和海湾，形成多尺度系统。CS海洋环流受到与西边界流、季风和潮汐强迫以及与地形相关的动力学控制。海洋环流和随后的混合过程将来自西太、邻近边缘海、陆架海和河流的具有不同性质的生物地球化学物质输入到CS中，并发生活跃的生物地球化学反应。我们对多尺度 CS系统中对内在/外在环流强迫和相关的生物地球化学响应开展了物理-生物地球化学耦合研究并提出了新的见解。通过分析生物地球化学通量的途径和量化CS系统中生物地球化学通量的响应，我们发现生物地球化学变异性主要受外在和内在三维生物地球化学传输动力控制。其中，外在动力与横向传输相关，而内在动力与局部水动力引起的通量相关。同时，活跃的生物地球化学循环为生物地球化学物质提供了额外的源和汇。