陸地表層格局與全球變化研究方向重點開展陸地表層關鍵要素變化作用機理、地域系統對全球變化的動态響應、氣候變化與自然災害等研究，重點闡明全球氣候變化、關鍵自然要素時空變化過程對地表參量、熱量、地表覆被等作用機制，研究自然與人文關鍵要素變化的協同性和差異性。
1、氣候變化及其影響評估
提出了中國大陸太陽輻射長期變化特征分析方法，改進發展了多個高精度的地表太陽輻射估算模型，構建了中國大陸地區1961-2013年間的地表太陽輻射數據集，揭示了中國大陸地區氣溶膠光學厚度、低雲雲量、總雲量與水汽含量的時空變化特征及其對地表太陽輻射的影響。
2、自然災害與區域響應
改進發展了水旱災害監測模型，構建了幹旱與洪澇災害高時空分辨率曆史數據集，評估了極端氣候事件對農田、草地、森林等典型植被生态的影響，預估了未來氣候情景下水旱災害風險；識别了區域植被生産力、草地物候對平均氣候變化和極端氣候變化的響應特征，明晰了植被生産力、大氣之間的相互作用關系與反饋機理。
3、地表植被與環境變化
發現了亞熱帶樹輪中蘊含的氣候信号，構建了多要素作用的樹輪恢複與重建模型，揭示了樹輪多光譜與環境變化的關聯機制；闡明了中國植樹造林和農田灌溉對地表溫度的影響及其變化機制，定量評價了二氧化碳輻射強迫、地表生物物理過程和地表通量對地表環境的複合影響。
2015年以來，該研究方向取得了一系列重要成果，榮獲測繪科技進步一等獎（2016年）、地理信息科技進步獎一等獎（2020年）、大禹水利科學技術一等獎（2015年）。該方向團隊主持和參與國家重點研發、國家自然科學基金十餘項，在Agricultural and Forest Meteorology、Land Degradation and Development、Catena、Environmental Pollution、地理學報等國内外學術期刊發表高水平論文百餘篇，獲批國内外發明專利十餘項。
