地表反照率研究进展

地表反照率是陆面过程模式及气候模拟研究中的一个重要参数,地表反照率的变化会改变整个地气系统的能量收支平衡,并引起局地以至全球的气候变化。不同下垫面地表反照率存在明显的差异,中国区域地表反照率的空间分布也存在明显的区域差异。遥感反演地表反照率在空间上具有较高的精度,但反演结果很难直接应用于陆面过程模式。各种陆面模式对地表反照率计算主要基于陆面土地覆盖分类,包含了许多先验的预定参数,由于某些过程处理中的简化假设,从而对地表反照率的计算带来一定的误差。      

青藏高原地表反照率时空分布与统计回归计算

本文在利用NOAA/AVHRR数据反演得到1982～2000年青藏高原地区地表反照率时空分布的基础上,分析了地表反照率的时空变化及其与温度和降水之间的关系,得到地表反照率与温度和降水之间的统计方程,并用此方程计算了青藏高原地区地表反照率的时空分布。研究结果表明：青藏高原地区年均地表反照率的分布与高原自然地理带的分布特征大致吻合;地表反照率与温度和降水均有较好的相关性,相关性因下垫面植被类型的不同而有较大的差异,滞后1个月的温度和滞后2个月的降水的综合作用与地表反照率的相关性最好;月均地表反照率与温度和降水之间的二元曲线回归方程可以比较好的统计回归计算出青藏高原地区地表反照率的空间分布,该模型的系统偏差比较小,回归计算的效果比较好。     

基于结构相似度的巴丹吉林沙漠地表反照率时空分布特征

为研究巴丹吉林沙漠地表反照率的变化规律,以MODIS黑空短波地表反照率数据为基础,利用结构相似度(SSIM)算法,分析巴丹吉林沙漠地表反照率时空分布特征。结果表明:时间尺度上不同沙丘类型地表反照率结构相似度,受到风、降水、地表温度和海拔高度影响均表现为春季最大,秋、夏季次之,冬季最小,但结构相似度值域和变化幅度存在明显差异。在空间上,沙丘数量和间距是巴丹吉林沙漠地表反照率变化的主要影响因素,沙丘数量较多且间距较小时,SSIM值偏小,反之则较大。同时沙丘形态简单或相对稳定会减少地表反照率空间差异性。     

中国地区MODIS地表反照率反演结果的时空分布研究

应用2003—2015年MODIS地表反照率反演质量数据MCD43A2,统计分析中国地区MODIS地表反照率反演质量的时空分布特征,结果表明:1)中国地区MODIS地表反照率反演质量在空间分布上具有明显的差异,高质量全反演结果(质量标记0)主要分布在东北、华北、西北地区和西南地区的中西部;当量反演结果(质量标记3)主要分布在华东、华中、华南地区和西南地区的中东部;填充值(质量标记15)主要分布在华中、华南、华东地区及西南地区的部分区域。2)在东北、华北和西北地区,只有春、夏和秋季才有超过60%的区域可能获得高精度MODIS地表反照率;可能获得高精度M ODIS地表反照率的区域,在西南地区全年各时段都只有40%~60%,在华东、华中和华南地区全年各时段都不足20%。3)各地当量反演结果的比例一般不足50%,华东和华中地区夏季和秋季当量反演结果的比例超过40%;4)华中和华东地区夏季和冬季,以及华南地区春、夏和冬季,填充值的比例超过50%,华南和华中地区最高甚至超过80%。     

中国地区近10年地表反照率变化趋势

利用EOS-MODIS卫星的地表反照率数据(MCD43C3的L3等级)和一元线性回归法分析了2000年3月至2009年2月中国区域地表反照率的分布特征及年际、季节变化趋势.结果表明:中国区域地表反照率分布西高东低,随海拔和纬度分布;中国大部分地区近10年的年平均地表反照率有增长趋势,东南部的增长范围最广,高海拔和高纬度...     

基于MODIS数据地表反照率时空变化特征及影响因子研究

地表反照率表征地球表面对太阳辐射的反射能力,是影响地表辐射能量收支平衡的关键参数。本文以淮河流域为例,利用MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）数据,采用网格趋势分析、异常变化分析、相关分析和灰色关联度分析等方法,分析了淮河流域2005～2015年地表反照率的时空变化规律,以及土地利用类型、地形因子、地表参数和气候等影响因子。结果表明:淮河流域年平均地表反照率整体呈“北高南低、东高西低”的空间分布规律,变化在0.043～0.223,平均值为 0.145。低值区主要集中于水体密集和山区丘陵地带,且标准差相对较小;高值区主要集中于流域中部及东部平原地带,且标准差较大。61.5%的区域地表反照率呈增加趋势,且存在季节性差异,夏季平均地表反照率最大,春季次之,秋季最小,冬季则由于降雪覆盖和农田利用的影响波动幅度较大。淮河流域地表反照率与归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）、地表温度、气温和降水在大部分区域呈正相关,面积占比分别达到90.23%、82.32%、85.41%和93.70%。灰色关联度分析表明,不同土地利用类型（水体除外）下年均地表反照率受各因子影响排序为:NDVI>气温>地表温度>降水,空间变化受各因子影响排序为:NDVI>降水>地表温度>气温>高程。     

藏北高原地表反照率的初步研究

基于中日合作项目“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)在藏北高原D105站、Amdo站、MS3478站以及BJ站的观测数据资料,分析了该地区地表反照率的时空分布特征。结果表明:藏北高原地区的地表反照率具有明显的日变化和月/季节变化特征。冬、春季的日变化曲线呈“U”形,且曲线形状的变化不如夏、秋季大。6~9月的月平均反照率在全年中最低,5月份月平均反照率波动较大。从季节平均值来说,冬季>春季>秋季>夏季。该地区的平均地表反照率为0.2457;反照率的空间分布很不均匀,其值的大小、曲线的形状在不同站点都很不一样,这与站点的地理位置有关,但天气状况和下垫面属性也起了很大的作用。     

青藏高原MODIS地表反照率反演结果的空间分布

为了促进MODIS地表反照率产品的应用及其反演算法的改进,应用MODIS地表反照率反演质量数据MCD43B2,并结合数字海拔高程模型DEM(Digital Elevation Model)数据和MODIS地表覆盖类型数据MOD12Q1,统计分析了2003-2013年青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的空间分布情况,结果表明:(1)MODIS地表反照率全反演结果主要分布在中西部和北部,春季全反演结果的概率超过80%,夏季向西北收缩且概率降低,秋季高概率全反演结果的范围最大、冬季最小。(2)冬季高概率当量反演结果主要分布在青藏高原西北、东南两翼,其他季节主要分布在昌都、那曲、林芝、山南地区和拉萨市。(3)在山南地区中东部、林芝及其与昌都地区交界处构成的"入"字形区域,四季无反演结果的概率都比较高,最高可达100%。(4)全反演结果的概率随海拔的增加呈下降趋势,当量反演结果则相反,无反演结果的概率在各海拔区间都较恒定且不超过10%。(5)在三种主要地表类型中,开放灌木区和裸土稀疏植被区全反演结果的概率高于草地,约为70%;草地当量反演结果的概率最高,约为30%;三者无反演结果的概率大致相当,均不足10%。以上结果表明青藏高原地区MODIS地表反照率反演质量的空间分布具有较为明显的地域特征,并且与海拔和地表覆盖类型存在一定的联系。     

2000~2016年青藏高原地表反照率时空分布及动态变化

应用MODIS地表反照率产品MCD43C3,结合青藏高原自然带数据、积雪覆盖率和植被指数数据,采用一元线性回归方法分析了2000~2016年青藏高原地表反照率的分布及变化特征,结果表明:1）高原地表反照率空间分布差异大,整体上东南部低、西北部高,受地形和地表覆盖影响较大。2）高原地表反照率四季的空间分布变化明显,高海拔山脉和高寒灌丛草甸是高原地表反照率年内和年际变化的敏感地区。3）高原地表反照率年变化介于0.19~0.26,一定程度上表现为“双峰单谷”型,与地表覆盖类型的季节变化密切相关。4）高原地表反照率年际变化整体呈缓慢波动减小的趋势,平均变率约为－0.4×10-3 a-1,减小的区域约占高原总面积的66%,川西 —藏东针叶林带的西南部地区减小得最快,减小速率超过1.0×10-2 a-1。5）高原地表反照率减小与冰川消融和积雪减少密切相关,高原植被覆盖改善也是一个重要因素。     

中国地区三种地表反照率产品比较北大核心

利用2007—2011年MODIS、GlobAlbedo和ERA-Interim的3种地表反照率产品,借助地理信息系统(Geographic Information System,GIS)空间化技术,对中国地区3种地表反照率产品进行了对比分析。结果表明:3种产品与气象站观测值的时间分布趋势一致,冬季高夏季低,且相关性较高。3种产品中,MODIS与GlobAlbedo的绝对差异值最小,ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo的绝对差异值较大。3种产品在青藏高原和西北山地区域表现出较大的差异,且差异表现为冬半年高,夏半年低。3种产品之间相关性最高的是MODIS与GlobAlbedo,最低的是MODIS与ERA-Interim,3种产品在40°N以北具有较好的相关性。且在夏季和冬季地表反照率均值的表现说明,ERA-Interim相比MODIS、GlobAlbedo难以反映地表反照率受地形和土地覆被的影响。     

GLASS、 MODIS和GlobAlbedo反照率产品在青藏高原典型高寒草地的适用性评估

地表反照率是表征陆面过程地表能量收支的关键物理参数,对于准确以及定量化地理解高原上的能量和水分循环过程有着至关重要的作用。利用黄河源区玛曲和玛多两个高寒草地站点长达8年的地表反照率观测数据,对GLASS (Global Land Surface Satellite)、MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)和GlobAlbedo地表反照率产品进行了评估与分析。结果显示,玛曲地表反照率的年际变化较小,集中在0. 16～0. 28。各遥感产品在玛曲地区精度各有不同:GlobAlbedo反照率平均比地面观测偏高0. 048;而GLASS和MODIS反照率分别偏低0. 074和0. 063。统计值表明,MODIS产品精度相对最高,其中RMSE=0. 069,R=0. 710。受积雪影响,玛多地区地表反照率年际变化较大。遥感产品中,GLASS产品精度相对较高,其中RMSE=0. 104,R=0. 598。玛曲站地表反照率值为:冬季春季秋季夏季,平均值依次为0. 25,0. 22,0. 19和0. 18。玛曲站年平均地表反照率为0. 21;玛多站为0. 25,而且季节变化较玛曲站更显著,呈现近似"U"形分布。夏季反照率最小,平均值为0. 18,秋季为0. 22,与春季较为接近,冬季平均值最大为0. 33。基于两个观测站点的对比表明,三种遥感地表反照率产品春夏季与地面观测一致性较好,秋季反照率开始增大的时间比观测早,冬季后期反照率的值明显小于地面观测。另外,GLASS和MODIS产品的差异也在秋冬季达到最大。MODIS分离雪和云的能力使其在秋冬季的表现更好。     

近30年来中国干旱生态区增暖放大现象及其与植被覆盖的联系

利用归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）将中国划分为不同的生态区,在此基础上分析夏季植被状况与不同生态区增暖之间的联系。研究表明,就多年平均而言,中国植被覆盖呈现自东向西逐渐减少的空间分布。1982年以来,植被稀疏的干旱生态区是夏季增暖最明显的区域,平均气温和平均最高气温增速大都位于0.6~1.0℃/10 a,而平均最低气温的升高达到0.8~1.4℃/10 a,明显高于中国其他区域。进一步分析发现,夏季气温的变化与其所处地区的植被疏密程度之间存在很好的负相关关系,即快速增暖主要发生在植被稀疏区,且这种负相关关系在夏季平均最低气温上最为显著。不同植被覆盖区中气温的长期变化趋势,受NDVI变化带来的地表反照率和云量变化的影响,但各生态区不尽相同,主要表现在:植被稀疏的干旱生态区,植被减少,引起地表反照率增加,感热输送增加而潜热输送减小,加速了该地区整体的增温速率;而在植被茂密地区,植被增加造成地表反照率减少,同时由于蒸发冷却,其整体增暖幅度缓于植被稀疏区。所以,植被活动对全球变暖背景下的区域气候变化具有重要作用,尤其表现在干旱生态区的陆面过程上,地表辐射平衡和能量收支的显著改变放大了干旱生态区的增暖速率。     

青藏高原与中国其他地区气候突变时间的比较

基于1961～2006年中国地面观测气温和降水资料,对青藏高原地区以及中国其他6个地区地表气温、降水的变化趋势和突变时间进行了检测和比较。结果发现,(1)地表气温:1961～2006年青藏高原地区年和四季的地表气温都呈增加趋势。年平均地表气温在20世纪80年代中期开始变暖,但显著快速增暖的突变发生在90年代中期,该时间比东北、华北、西北和淮河地区晚,与长江中下游和华南地区接近,不同季节青藏高原地区与其他地区变暖突变时间的差别也各有不同,但所有季节快速变暖突变的时间都比东北地区晚,中国东部陆地地区年和冬季平均地表气温表现出北早南晚的经向差异;(2)降水:1961～2006年青藏高原地区年降水量没有检测到显著的变化趋势,冬春降水量显著增加,而夏季降水有微弱的减少,秋季降水显著减少。降水突变的信号明显比温度突变的信号弱,年降水量和春季降水都没有检测到突变的发生,降水突变方向(增或减)和突变时间在区域与区域之间以及不同季节之间都存在较大差异。由上可见,青藏高原气候的显著快速变化比中国东部长江以北地区有明显的滞后现象,尤其是冬春温度变化,这可能是由于青藏高原地区积雪增加导致的反照率增加和冰川融化吸热对青藏高原变暖的减弱作用所致。     

青藏高原地表特征时空分布

通过利用地理信息数据库、卫星反演参数、气象观测数据,分析了我国青藏高原地区地表植被覆盖、地表反照率分布、地表蒸发分布、地表积雪分布.结果显示,随着青藏高原地表年平均气温的显著升高,青藏高原部分区域地表覆盖特征也发生了改变.在青藏高原南缘湿润大区降水充分地区,地表反照率相对较低,潜热蒸发量最大,1982～2000年期间地表植被覆盖呈明显增加趋势.青藏高原地区积雪覆盖在各个气候区域也呈现同步变化特征,自1970～1989期间,降雪量呈持续增加趋势,但之后至2000年期间,全区降雪量呈下降趋势,其中积雪覆盖变化最强烈的时段发生在10月～4月之间,变化幅度最大的区域位于青藏高原的东南部区域.     

从NOAA卫星AVHRR资料反演中国区域地表反照率

由NOAA卫星AVHRR短波通道1、2反射率反演地表反照率需要3个反演模式,分别是窄-宽波段反射率转换模式、大气顶双向反射模式、大气订正模式.基于模式和国家卫星气象中心接收处理的NOAA-18 AVHRR1B数据,处理了2006年1月至2010年12月的中国区域地表反照率,由于云的影响,15天合成技术用来形成周期为15天的地表反照率数据文件.2006年、2010年2年的处理结果与MODIS同类产品对比,RMS为0.028～0.074、相关系数为0.76～0.93,误差较大出现在冬季,原因是两者15天合成方法不同;5年的日平均地表反照率与21个中国地面气象一级辐射站的观测测值作对比,结果是：RMS为0.053、相关系数为0.88.反演模式系统误差以及云和气溶胶影响是卫星反演地表反照率的主要误差来源.     

基于CERES观测数据的全球行星反照率时空变化特征分析

为了理解行星反照率时空变化规律及成因,基于CERES数据对全球行星反照率的大气（主要为云与气溶胶等）和地表贡献进行了分解,通过Theil-Sen+Mann-Kendall方法得到了2001～2018年全球行星反照率及其大气和地表贡献的时空变化趋势,并基于回归分析方法对典型区域的变化趋势进行了初步解释。研究结果表明:1）在中低纬度区域行星反照率的大气贡献占主导地位,而在高纬度区域地表贡献相对升高,呈现纬向差异大于经向变化的模式;2）全球行星反照率呈现?0.0002/a（p<0.05）的变化趋势,地表贡献和大气贡献呈现?0.00015/a（p<0.05）与–0.00004/a（p<0.05）的变化趋势;3）大气贡献在火地岛西南洋面等区域呈现显著的增长趋势,而在南极洲东部等区域呈现显著的降低趋势;地表贡献在北冰洋等区域呈现显著的降低趋势,而在南极洲东部等区域呈现显著的升高趋势,并且可以基于云覆盖、积雪覆盖和NDVI等参量的变化有效解释典型区域的行星反照率变化。     

中国地表月平均反照率的遥感反演

地表特征和下垫面物理性质在时空分布上的差异 ,造成地表能量分布的不均 ,地球表面的半球反射在气候领域是一个非常重要的参数 ,它在地 气能量交换中决定着能量在地 气之间的分配比率。反照率随地表覆盖类型的变化具有很大的差异 ,而这往往是形成区域小气候差异的原因。文中通过统计和双向反射模型 ,应用NOAA14 AVHRR数据并结合地理信息系统 ,反演计算了 1997年中国月平均反照率的分布 ,并对结果做了分析检验。     

青藏高原东缘峨眉山地区冬季地表能量交换特征研究

利用青藏高原东缘峨眉山站2018年11月至2019年2月的观测数据,分析了峨眉山地区近地层气象要素的变化特征,并运用涡动相关法、土壤温度预报校正法(TDEC)和最小二乘法等,讨论了地表能量交换特征,并与藏东南丹卡站和排龙站进行对比分析。结果表明:在峨眉山地区冬季感热通量占主导。地表辐射各分量日变化均呈单峰结构,短波辐射的峰值在峨眉山地区于13:00(北京时,下同)左右出现,而长波辐射到达峰值的时间段要晚于短波辐射,在14:00左右出现。地表反照率月变化明显,日变化呈"U"型,即日出后和日落前较大,日间较小的趋势,但在日出后和日落前的值并不相等。峨眉山站冬季地表反照率均值为0.29。峨眉山区域地表能量不闭合现象十分显著,日间和夜间的能量闭合程度差异很大。在考虑地表0～5 cm处的热量储存的条件下,白天闭合程度最好为67.22%,夜间闭合程度最差为65.09%。与藏东南丹卡站和排龙站对比分析表明:丹卡、排龙站地表辐射各分量达日峰值时间晚于峨眉山站。峨眉山站冬季的地表反照率高于丹卡、排龙站,月变化更加显著。峨眉山属于青藏高原东缘地区,其地表能量闭合程度大于青藏高原上部分站点。     

青藏高原三江源区退化草地生态系统的地表反照率特征

为了揭示青藏高原三江源区草地退化对生态系统地表反照率的影响,利用2006年12月至2007年11月一整年的观测数据,分析了地表反照率的季和日变化特征及其影响因子。退化草地生态系统的年均地表反照率为0.22,生长季(5～9月)的平均地表反照率为0.18,非生长季为0.25。在植物生长初期的5月,地表反照率主要受土壤水分影响,5月末至6月初出现全年最低值;植物生长旺季的7～8月,受植被的影响地表反照率相对较稳定,并略高于生长季中其它各月。地表反照率的日变化呈"U"型,阴天的地表反照率高于晴天。全年地表反照率出现的最大频率集中在0.20附近,非生长季在0.22附近,生长季在0.18附近。退化草地生态系统生长季地表反照率的变化受土壤水分和植被的的影响,而非生长季受积雪的影响较大。     

青藏高原不同地区辐射特征对比分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)在藏北高原的BJ站、NPAM站及中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站、纳木错多圈层相互作用综合观测研究站和藏东南高山环境综合观测研究站2007年的辐射观测资料,分析了这些地区不同下垫面地表辐射各分量及地表反照率的日变化和月际变化特征。结果表明,向下短波辐射受太阳高度角的影响存在明显的日变化和月际变化;向上短波辐射的月际变化基本与总辐射一致,在个别月份由于高原积雪造成地表反照率较高,从而使晴天向上短波辐射全年较高;向下长波辐射存在基本的季节变化,最大值出现在天空总云量较多的夏季(6～8月),最小值出现在冬季(12月和1月);向上长波辐射基本上都是夏季为全年最大,冬季为全年最小。这与地表温度的年变化情况相一致。高原不同地区各季节晴天地表净辐射存在差异,NPAM站和藏东南站由于下垫面植被覆盖较好,净辐射值各季节均高于其它各站;NPAM站、纳木错站和珠峰站地表反照率日变化曲线呈"U"型,BJ站和藏东南站日变化相对复杂,藏东南站全年月平均地表反照率较小且变化不大,其他各站存在基本的年变化趋势。