青藏高原GLASS地表反照率产品精度分析

应用2003年青藏高原3个站点的地表反照率观测结果,对比分析了GLASS(Global LAnd Surface Satellites)地表反照率1 km×1 km分辨率产品的精度,结果表明,GLASS黑空反照率、白空反照率与地表反照率地面观测结果的总体变化趋势基本一致,能够有效地反映实际地表状态的变化;局地积雪和云覆盖对GLASS地表反照率产品的精度影响较大,云覆盖导致GLASS地表反照率可能比实际地表反照率高;消除云覆盖和局地积雪的影响后,GLASS黑空反照率、白空反照率与地表反照率地面观测结果的均方根误差显著降低,分别为0.0155和0.0190。     

藏北高原GlobAlbedo地表反照率的精度分析

为了分析欧洲航天局多星观测数据联合反演的全球地表反照率产品Glob Albedo在青藏高原的反演精度,促进其在青藏高原地—气相互作用研究中的应用,利用藏北高原BJ站和西大滩站观测的上行和下行太阳短波辐射资料,对比分析了Glob Albedo的精度,并与MODIS地表反照率产品MCD43B3进行了比较。结果表明:空间分辨率1 km的Glob Albedo短波波段(0.3~5.0μm)的地表反照率与地面观测结果总体上具有较好的一致性,但是精度受积雪覆盖比例的影响较大。积雪覆盖比例0.1时,Glob Albedo短波波段的地表反照率与高质量地面观测结果的均方根误差介于0.0100~0.0218,Glob Albedo的精度完全能够满足气候和陆面模式的精度要求。反之,它们的均方根误差介于0.0252~0.1461,存在较大的不确定性。对比Glob Albedo和MCD43B3,前者的精度略高于后者:Glob Albedo短波波段地表反照率与高质量地面观测结果的均方根误差介于0.0195~0.0959,MCD43B3短波波段地表反照率与高质量地面观测结果的均方根误差介于0.0273~0.1269。     

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。     

MODIS反演多云地区地表反照率的一种新方法及其反演试验

在参考国内外卫星遥感反演地表反照率方法的基础上，提出了一种反演多云地区地表反照率的新方法，称之为组合反演法。对于受云影响而无法获得足够的晴空观测数据的像素点，在遥感地表分类数据和归一化植被指数（NDVI） 数据的辅助下，在其周围的有限范围内选择与其具有相同BRDF形状的像素点，将它们在观测角度上互为补充的晴空观测数据组合成对同一个BRDF形状的一组多角度观测数据，达到一定数量后直接利用线性的RossThick-LiSparse互易核驱动模型反演二向反射分布函数（BRDF）参数。然后，根据“16天”期间平均的当地正午太阳高度角计算反照率。选择青藏高原地区2004年6～8月间5组“16天”的Terra MODIS数据进行的反演试验表明，该方法不仅具有反演多云地区地表反照率的能力，而且能够更好地反映实际的地表信息，反演结果的精度与美国MOD43产品的精度相当。     

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。     

青藏高原MODIS地表反照率反演质量分析

为了更加全面地了解青藏高原MODIS地表反照率的反演质量,利用2003-2013年MODIS地表反照率数据MCD43B2统计分析了该产品在青藏高原的反演效率和反演质量。结果表明:(1)各周期的平均反演效率均超过80%,冬、夏季节的反演效率较低,春、秋季节则较高,最高可达90%以上;(2)所有反演结果中,高质量全反演结果的比例最高,且在春、秋季节较高,最高约为80%,而冬、夏季节较低,最低时略高于50%;(3)"无雪"状态反演结果的平均比例介于70%~95%,且以高质量全反演结果为主,而"积雪"状态反演结果的平均比例约为10%,且以当量反演结果为主。这些结果表明该产品可以为青藏高原绝大部分区域提供时空分布连续的高精度地表反照率,但冬、夏季节的反演效率和反演结果的精度,以及"积雪"状态下反演结果的精度,都还有待提高。     

应用MODIS数据反演青藏高原地区地表反照率

应用RossThick-LiTransit核驱动BRDF（bidirectional reflectance distribution function）模型,选择2004年Terra MODIS（moderate resolution imaging spectraradiometer）500 m分辨率数据,对青藏高原地区的地表反照率进行了反演研究,并以平均气溶胶光学厚度值0.11计算了正午时（北京时间12：00）实际的地表反照率,反演结果与当地的地表覆盖类型和地形具有较好的一致性。此外,藏北高原4个辐射观测站点观测资料与反演结果的比较表明,500 m分辨率反演结果不仅可以满足气候和陆面过程模式的精度要求,而且精度高于美国1 km分辨率反照率反演结果。     

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。      

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品(MOD43B1),结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系.首先,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证.验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好.年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关,反照率的高值出现在高海拔山区.冬春季节,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区;夏秋季节,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响,沙地和沙漠地带反照率最高.最后,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化,地表反照率在春秋季节较大,夏季反照率较小.     

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。     

Impact of absorbing aerosol deposition on snow albedo reduction over the southern Tibetan plateau based on satellite observations

We investigate the snow albedo variation in spring over the southern Tibetan Plateau induced by the deposition of light-absorbing aerosols using remote sensing data from moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) aboard Terra satellite during 2001–2012. We have selected pixels with 100 % snow cover for the entire period in March and April to avoid albedo contamination by other types of land surfaces. A model simulation using GEOS-Chem shows that aerosol optical depth (AOD) is a good indicator for black carbon and dust deposition on snow over the southern Tibetan Plateau. The monthly means of satellite-retrieved land surface temperature (LST) and AOD over 100 % snow-covered pixels during the 12 years are used in multiple linear regression analysis to derive the empirical relationship between snow albedo and these variables. Along with the LST effect, AOD is shown to be an important factor contributing to snow albedo reduction. We illustrate through statistical analysis that a 1-K increase in LST and a 0.1 increase in AOD indicate decreases in snow albedo by 0.75 and 2.1 % in the southern Tibetan Plateau, corresponding to local shortwave radiative forcing of 1.5 and 4.2 W m⁻², respectively.

     

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。     

CHARACTERISTICS OF VARIATION IN SURFACE ALBEDO AND SNOW FORCING OVER THE TIBETAN PLATEAU

The combination of field experiments and satellite observations is the fundamental way tounderstand the characteristics of spatial-temporal variation in surface albedo over the Tibetan(Qinghai-Xizang) Plateau. Under the condition without snow cover, the relatively regular annualvariation cycle of the surface albedo can be expressed by an empirical formula. The effect of snowcover on the surface albedo in winter can be expressed by introducing two variables of snow forcingand sensitivity parameter. The existing satellite retrieved results of surface albedo may provide thedigital grid data for describing the geographical distribution. However, some satellite retrievedsurface albedos available over the Tibetan Plateau are obviously too low in winter. Taking thesatellite derived results in summer as the background field representative of geographicaldistribution and combining the empirical formula of annual cycle based on the surface observations,a dynamic model of surface albedo is developed for the need of modeling the climatic influence ofthe underlying surface forcing of the Tibetan Plateau.     

青藏高原地表反照率计算研究

根据改进的甚高分辨率扫描辐射仪（ＡＶＨＲＲ）５个观测波段的光谱特征，经多次试验，设计了一组从卫星观测的地－气系统的辐射测值中提取晴空资料的多通道门槛值判识法和提取月平均反照率的合成法；并对１９９２年ＮＯＡＡ－１２卫星获取的ＡＶＨＲＲ资料进行计算处理，分析提取晴空数据，在此基础上按卫星轨道覆盖周期合成计算得到的晴空行星反照率和地表反照率，并且计算了逐月的地表反照率。对计算结果做了初步分析和认真比较。     

CHARACTERISTICS OF VARIATION IN SURFACE ALBEDO AND SNOW FORCING OVER THE TIBETAN PLATEAU*

The combination of field experiments and satellite observations is the fundamental way to understand the characteristics of spatial-temporal variation in surface albedo over the Tibetan(Qinghai-Xizang) Plateau. Under the condition without snow cover, the relatively regular annual variation cycle of the surface albedo can be expressed by an empirical formula. The effect of snow cover on the surface albedo in winter can be expressed by introducing two variables of snow forcing and sensitivity parameter. The existing satellite retrieved results of surface albedo may provide the digital grid data for describing the geographical distribution. However, some satellite retrieved surface albedos available over the Tibetan Plateau are obviously too low in winter. Taking the satellite derived results in summer as the background field representative of geographical distribution and combining the empirical formula of annual cycle based on the surface observations,a dynamic model of surface albedo is developed for the need of modeling the climatic influence of the underlying surface forcing of the Tibetan Plateau.     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

基于MODIS白天地温产品的青藏高原海拔依赖型变暖特征分析

基于2001～2018年中分辨率成像光谱仪（MODIS）探测的白天地面温度（简称MODIS 白天地温）资料,与青藏高原（简称高原）122个气象站点观测的最高气温资料,在年尺度上评估了MODIS 白天地温在高原的适用性,研究了高原五个干湿分区下MODIS 白天地温的海拔依赖型变暖特征,得到以下主要结论:（1）MODIS白天地温能够基本再现观测的最高气温的时空以及海拔依赖型变暖特征;（2）高原整体上,MODIS白天地温存在显著的海拔依赖型变暖特征,平均海拔每增加100 m,其趋势增加0.02°C (10a)?1,且受积雪—反照率反馈主导;（3）干湿分区下,海拔依赖型变暖特征在高原表现为偏湿润地区强于偏干旱地区;季风区强于西风区。海拔依赖型特征强弱:半湿润地区＞湿润半湿润地区＞半干旱地区＞湿润地区＞干旱地区。平均海拔每增加100 m,以上区域的地温趋势分别增加0.06,0.03,0.03,0.01,0.01°C (10a)?1。半湿润和湿润半湿润地区年均温在0°C左右,在气候变暖背景下积雪—反照率反馈作用最为强烈,是其海拔依赖型变暖的主导因素;干旱与半干旱地区年均温相对更低,气候变暖程度对积雪影响相对较小,积雪—反照率反馈作用被限制,但仍对上述地区的海拔依赖型变暖起主导作用;而湿润地区的积雪覆盖率的上升可能是由于降雪（固态降水）增加抵消了积雪融化损耗,云辐射、水汽等其他因素主导了其海拔依赖型变暖。