格陵兰地区GLASS反照率产品质量评价及反照率变化趋势分析

冰雪反照率是影响和评估全球气候变化的重要因子。北极格陵兰岛拥有世界第二大冰盖,定量获取该地区反照率是研究北半球能量收支变化的关键。全球陆表卫星(global land surface satellite,GLASS)产品系统生产的反照率产品是目前国际上时间序列最长（1981—2017年）的全球反照率产品。利用格陵兰气候观测网络(Greenland climate network, GC-Net)与格陵兰冰架监测计划(programme for monitoring of the Greenland ice sheet, PROMICE)网络观测的反照率数据,评估了格陵兰地区GLASS地表反照率产品的精度;并基于2000—2017年的GLASS地表反照率产品,分析了格陵兰地区7月份反照率的年际变化趋势与空间分布特征。结果表明：GLASS与GC-Net反照率的均方根误差(root mean squared error, RMSE)为0.077 8(决定系数R2=0.490 7),与PROMICE反照率差异的RMSE为0.078 6(R2=0.899 9),GLASS产品的反照率数值呈现一定...     

高分四号静止卫星数据的地表反照率反演

地表反照率(Albedo)是描述地表辐射能量平衡的重要参数,为了获得高分四号(GF-4)静止卫星的地表反照率产品,构建了一种基于核驱动双向反射率分布(BRDF)模型的反照率反演方法。首先,探索核驱动BRDF模型对GF-4卫星数据的适用性,加入地表分类信息,为核系数赋初值,并引入鲍威尔迭代算法优化模型结果。然后,对BRDF模型进行角度积分获得各个波段的地表窄波段反照率。在此基础上,结合GF-4卫星光谱响应函数与光谱库,首次建立了将窄波段反照率到宽波段反照率的转换系数,并反演得到0.4—0.7μm和0.3—3.0μm的宽波段反照率。最后,利用Landsat 8卫星数据和MODIS地表反照率产品对基于GF-4卫星数据的地表反照率反演结果进行交叉验证。Landsat 8与GF-4的反照率结果对比表明,GF-4卫星可见光范围内的反照率反演结果精度为85.6%,短波范围内的反照率反演结果精度为93.4%;MODIS与GF-4的反照率结果对比表明,可见光范围的地表反照率精度达到87.7%,短波范围的地表反照率精度达到85.9%。这说明GF-4卫星地表反照率反演结果具有较高精度,GF-4卫星反照率产品具有一定应用潜力。     

3种反演算法的地表反照率遥感产品对比分析

地表反照率对于地表能量平衡和全球气候变化具有重要的影响。近年来,地表反照率产品已经取得了较为广泛的应用,但是仍存在时间分辨率低和数据缺失等问题。本文基于均匀站点观测数据与MODIS的MCD43B3产品验证了GLASS(Global LAnd Surface Satellite)地表反照率产品的3种算法及其对应的反照率产品:AB1(ABD01)、AB2(ABD03)和STF(ABD06)。并分析比较了GLASS反照率初级产品到最终产品的质量提升。结果表明:最终产品ABD06与地面观测数据符合最好,RMSE为0.050,R2为0.788;同时,ABD06与MCD43B3反照率产品一致性最好,RMSE优于0.03,R2达到0.9,且ABD06有效数据最多(ABD01为4290,ABD03为3296,ABD06为5507),比较适合生产长时间序列的反照率产品。大量数据的统计结果还表明:3种GLASS产品80%以上的数据与地面观测数据的偏差均能满足气候模式对反照率的精度要求(0.02—0.05)。     

集合卡尔曼滤波方法的高时空分辨率山区地表反照率反演EI北大核心CSCD

高分辨率地表反照率遥感产品以其空间分辨率高的优点,目前正成为区域能量平衡和气候变化研究的重要数据源。现行的高分辨率地表反照率遥感反演算法及数据产品均假设地表平坦且均一,缺乏对地表异质性和地形复杂性的考虑,将适用于平坦地表的反演算法应用于山区将存在一定的误差。改进的直接算法将直接反演算法与山地辐射传输模型结合,为反演山区高分辨率地表反照率提供了可能,可以反演山区地表反照率产品。但该算法受到下垫面积雪、云污染等影响,反演的影像时域不连续,且存在着较多的缺失值,无法构建时空连续的地表反照率产品来支撑山区地表能量平衡相关研究。针对这一问题,本文以高分四号(GF-4)卫星数据为例,首先基于改进的直接反演算法反演山区高分辨率地表反照率,结合MODIS BRDF/Albedo产品构建先验知识背景场,采用集合卡尔曼滤波方法对反演的山区地表反照率进行时空填补,构建了时空连续的地表反照率反演方法,并生产了2016年—2017年的山区地表反照率产品。研究结果表明,反演的时空连续高分辨率地表反照率产品与地面站点观测数据的一致性较好。不同坡度地面站点的验证结果显示,反演的时空连续地表反照率产品在湿地、农田等平坦地表下RMSE小于0.01,坡度较大的站点下RMSE为0.0163。本文描述的山区地表反照率时空填补技术也可以应用到其他定量遥感产品,为这些产品在山区地表下的填补技术提供有效参考。     

高分辨率地表反照率遥感估算研究进展

地表反照率是研究地表能量收支平衡、中长期天气预报和全球气候变化的一个重要参数。利用卫星数据估算地表反照率需要地表二向反射特征知识的支持，目前针对中低分辨率卫星数据的反照率反演算法相对成熟，且发布了不同分辨率和精度的全球产品。随着全球高分辨率对地观测技术的不断发展，特别是中国高分系列卫星的发展，为高分辨率地表反照率精确估算提供了丰富的数据源。然而高分辨率地表反照率遥感估算面临着观测角度数据不足、波段信息少等有效数据缺失的问题，国内外学者开展了一系列针对高分辨率地表反照率估算方法的研究。本文首先简述了地表反照率遥感估算的基本原理与目前存在的主要问题，总结并分析了近几年高分辨率反照率估算的相关算法，并对未来高分辨率反照率估算的进一步发展提出了展望和设想。论文研究可为高分辨率反照率算法研究和产品发展提供理论支持。     

基于能量的地表反照率遥感反演方法研究

从能量传输方程入手，推导出地表入射辐射通量密度的简便计算公式； 根据反照率定义，提出基于能量的地表反照率反演新方法。用鄱阳湖地区TM遥感数据试验，其误差为4.91%。该方法不但简便易行，所需野外数据较少，物理意义明确，而且省去了窄波段反照率的计算过程，是一种遥感反演区域反照率的好方法。     

融合Landsat ETM+和MODIS数据估算高时空分辨率地表短波反照率

提出一种通过融合高空间低时间分辨率、低空间高时间分辨率地表短波反照率,来估算高时空分辨率地表短波反照率的方法。首先,利用Landsat ETM+数据,通过窄波段到宽波段的转换得到一景或多景空间分辨率较高的ETM+蓝天空短波反照率;然后,在MODIS短波反照率产品基础上,以天空光比例因子为权重,得到空间分辨率较低的MODIS蓝天空短波反照率;最后,利用STARFM(Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model)模型融合ETM+短波反照率的空间变化信息和MODIS短波反照率的时间变化信息,得到高时空分辨率的地表短波反照率。针对STARFM模型在异质性区域估算精度降低的问题,通过以MODIS反照率影像各像元的端元(各地类)反照率取代MODIS像元反照率来提取时空变化等信息参与STARFM模型的融合过程,达到提高异质性区域估算精度的目的。结果显示,直接利用STARFM模型估算得到的高空间分辨率地表短波反照率处在合理的精度范围内(RMSE0.02),用改进后的STARFM模型估算得到的异质性区域短波反照率和真实ETM+短波反照率间的相关系数增大。     

机载WIDAS数据的Landsat卫星反照率初步验证

随着精细化监测的需求,中高空间分辨率的地表反照率产品逐渐成为气候模型的主要输入。目前,中高空间分辨率反照率产品的验证主要基于地表站点的通量塔观测数据,区域机载飞行数据的验证依然相对较少。因此,本文基于区域机载数据验证Landsat反照率产品。针对内蒙古自治区根河森林试验区所获取的机载红外广角双模式成像仪(WIDAS)多角度反射率数据,应用BRDF原型反演算法估算其反照率,分析了应用机载数据验证中高空间分辨率反照率产品的潜力。2016年内蒙古根河森林试验区机载WIDAS飞行多角度观测的可用多角度范围为25°,以前的研究表明BRDF原型反照率反演算法表现出对小观测角度的反照率反演结果的鲁棒性。因此,机载WIDAS反照率在一定程度可用于星载反照率的验证。首先,基于核驱动模型和各向异性平整指数(AFX)提取了试验区4种MODIS二向性反射分布函数(BRDF)原型;然后,将其作为先验知识应用到根河森林WIDAS机载数据的反照率反演中;最后,用WIDAS反照率和单个地面通量塔观测的反照率对Landsat卫星数据的反照率进行初步验证。验证结果表明Landsat反照率与WIDAS反照率结果较为一致,但略有低估,总体均方根误差(RMSE)约为0.02,偏差为0.0057。在多角度观测范围较小时,BRDF原型的反照率反演算法可为星载地表反照率的验证提供了一种有效的验证手段。     

利用中国通量网和MODIS数据评估MISR地表反照率产品

地表反照率是反映地表能量平衡的重要参数。本文通过中国陆地生态系统通量观测研究网络的实测反照率和MODIS的地表反照率产品对MISR的短波反照率数据进行验证和分析:提取了中国通量网中的8个站点的数据和对应的MODIS、MISR的反照率产品用于验证。验证的结果显示,在多数站点,MISR短波反照率能与地面数据相吻合,大部分的反演误差都集中在0.04以内;MISR与MODIS短波反照率的吻合度更高,总体的误差为0.018,均方根误差在0.04左右。总的来说,MISR地表反照率产品具有较高的反演质量。     

利用BRDF原型和单方向反射率数据估算地表反照率

地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性参数之一,精确反演地表反照率需要考虑地表各向异性反射特征。本文尝试以双向反射分布函数BRDF原型为地表各向异性反射的先验知识,通过单方向反射率反演地表反照率。首先根据地面实测及MODIS多角度反射率数据对反演方法进行分析和精度评价,然后借助MODIS BRDF产品统计出研究区的主导BRDF原型,并联合环境一号卫星(HJ-1)单方向反射率数据反演30 m地表反照率,最终将结果与地表实测数据进行比较。结果表明:BRDF原型对BRDF的变化进行了约束,且能够适用于几十米尺度的遥感数据反照率的反演;不同级别的各向异性反射特征的分布是不均一的,借助于主导BRDF原型能够使大部分样本的地表反照率满足精度要求;利用研究区MODIS BRDF产品统计得到的主导BRDF原型为先验知识,通过HJ-1数据反演得到的地表反照率与地表实测反照率有较高的一致性,而朗伯假定条件下的反照率高于实测结果。本文算法简单高效,可为产生全国范围的中高分辨卫星反照率产品提供有价值的算法参考。     

中国地表积雪动态分布及反照率的变化

地表特征和下垫面物理性质在时分布上的差异,造成地表能量分布的不均。地表积寻由于其分布广、反照率高、高节性强等特点,对局地气修乃至全球气修变化都具有深远的影响。遥感动态监测地表特征的变化和反演大面积反照率是一种实际有效的技术手段,该文应用遥感技术、分析研究了我国地表积雪分布和反照率的动态变化。     

互补相关理论在卫星遥感领域的应用研究

由于地球各种运动和纬度的不同,使能量的分布在时间和空间上明显不均一,导致大气、海洋、冰雪层、陆地和生物发生重大变化。在某些时间尺度上,此种影响的重要性甚至超过太阳活动本身变化对于地球系统的影响。地表温度、地表反照率、潜热交换是刻划地气系统能量交换的３个重要参数,以中国华北地区为例,将互补相关理论应用于遥感领域,应用ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ气象卫星资料,对互补相关模式中所需的反照率、表面温度,完全应用遥感数据反演;对互补相关理论中涉及到的大尺度平流参数、Ｐｅｎｍａｎ分式、辐射项等因子进行了订正,并将互补相关理论应用于流域、湖泊、区域农田蒸发的计算中。     

全球气候数据集生成及气候变化应用研究

科技部在"十三五"期间部署的国家重点研发计划"全球变化及应对"专项资助了"全球气候数据集生成及气候变化关键过程和要素监测"研究项目。项目围绕由全球气候观测系统提出的基本气候变量,完善地空天基观测体系,生成中国首套以遥感数据为主体的涵盖大气、海洋和陆表长时间序列、高精度、高时空一致性的产品,即气候数据集,动态监测全球变化关键过程和要素。     

Albedo-rainfall Feedback Over Indian Monsoon Region Using Long Term Observations Between 1981 to 2000

Albedo determines radiation balance of land (soil-canopy complex) surface and influence boundary layer structure of the atmosphere. Accurate surface albedo determination is important for weather forecasting, climate projection and ecosystem modelling. Albedo-rainfall feedback relationship has not been studied so far using observations on spatial scale over Indian monsoon region due to lack of consistent, systematic and simultaneous long-term measurements of both. The present study used dekadal (ten-day) composite of satellite (e.g. NOAA) based Pathfinder AVHRR Land (PAL) datasets between 1981 and 2000 over India (68–100°E, 5–40°N) at 8 km spatial resolution. Land surface albedo was computed using linear transformation of red and near infrared (NIR) surface reflectances. The cloud effects were removed using a smoothening filter with harmonic analysis applied to time series data in each year. The monthly, annual and long term means were computed from dekadal reconstructed albedo. The mean per year and coefficient of variation (CV) of surface albedo over seventeen years, averaged over Indian land region, were found to show a significantly decreasing (0.15 to 0.14 and 60 to 40%, respectively) trend between 1981 and 2000. Among all the land use patterns, the inter-annual variation of albedo of Himalayan snow cover showed a significant and the steepest reducing trend (0.42 – 0.35) followed by open shurbland, grassland and cropland. No significant change was noticed over different forest types.. This could be due to increase in snow melting period and snow melt area. A strong inverse exponential relation (correlation coefficient r = 0.95, n = 100) was found between annual rainfall and annual albedo over seven rainfall zones. The decreasing trend in snow-albedo of accumulation period (September to March) follows the declining trend in measured south-west monsoon rainfall between 1988 (980 mm) to 1998 (880 mm) over India. This finding perhaps suggests the possible reversal of reported coupling of increased snowfall followed by lower monsoon rainfall.     

业务化MODIS BRDF模型对冰雪BRDF/反照率的反演能力评估

全球MODIS冰雪反照率产品在定量遥感中有着广泛应用,但由于该产品的业务化算法是建立在表征植被—土壤系统基础上的罗斯表层(RT)李氏稀疏互易核(LSR)的二向性反射分布函数(BRDF)模型(简称为RTLSR),因此该模型对冰雪的二向性反射及反照率的反演能力有待评估。本文基于地球反射极化和方向测量仪(POLDER)的多角度冰雪反射率数据,综合评估了RTLSR模型在表征冰雪二向反射及反演反照率等方面的能力。为量化评估结果,本研究基于渐进辐射传输(ART)模型,从POLDER冰雪数据中筛选出高质量数据,使用ART模型拟合的高质量结果作为参考,比较结果表明:(1)在表征冰雪方向性散射方面,RTLSR模型整体拟合精度较低。在1020 nm波段,其均方根误差(RMSE)最大可达到0.0498,相较于ART模型的拟合结果偏高了约53.70%;(2)在反演冰雪反照率方面,RTLSR模型与ART模型反演结果也存在差别,其决定系数为0.529,均方根误差为0.0333,偏差为-0.0274,基于RTLSR模型的反演结果低估了ART模型的反演结果。为了使核驱动模型能更准确地表征冰雪BRDF特征和反演反照率,该模型需要针对冰雪散射特点进行进一步的发展。     

Climate Change Studies Using Space Based Observation

Climate change is associated with earth radiation budget that depends upon incoming solar radiation, surface albedo and radiative forcing by greenhouse gases. Human activities are contributing to climate change by causing changes in Earth’s atmosphere (greenhouse gases, aerosols) and biosphere (deforestation, urbanization, irrigation). Long term and precise measurements from calibrated global observation constellation is a vital component in climate system modelling. Space based records of biosphere, cryosphere, hydrosphere and atmosphere over more than three decades are providing important information on climate change. Space observations are an important source of climate variables due to multi scale simultaneous observation (local, regional, and global scales) capability with temporal revisit in tune with requirements of land, ocean and atmospheric processes. Essential climatic variables that can be measured from space include atmosphere (upper air temperature, water vapour, precipitation, clouds, aerosols, GHGs etc.), ocean (sea ice, sea level, SST, salinity, ocean colour etc.) and land (snow, glacier, albedo, biomass, LAI/fAPAR, soil moisture etc.). India’s Earth Observation Programme addresses various aspects of land, ocean and atmospheric applications. The present and planned missions such as Resourcesat-1, Oceansat-2, RISAT, Megha-Tropiques, INSAT-3D, SARAL, Resourcesat-2, Geo-HR Imager and series of Environmental satellites (I-STAG) would help in understanding the issues related to climate changes. The paper reviews observational needs, space observation systems and studies that have been carried out at ISRO (Indian Space Research Organization) towards mapping/detecting the indicators of climate change, monitoring the agents of climate change and understanding the impact of climate change, in national perspectives. Studies to assess glacier retreat, changes in polar ice cover, timberline change and coral bleaching are being carried out towards monitoring of climate change indicators. Spatial methane inventories from paddy rice, livestock and wetlands have been prepared and seasonal pattern of CO₂, and CO have been analysed. Future challenges in space observations include design and placement of adequate and accurate multi-platform observational systems to monitor all parameters related to various interaction processes and generation of long term calibrated climate data records pertaining to land ocean and atmosphere.     

陆地表层覆盖变化对地表反照率影响的四国对比

陆表覆盖变化影响地表特征从而改变地表能量平衡是理解人类活动对全球气候变化影响的关键环节。选择国际气候谈判主要国家的美国、印度和巴西作为中国的对比国,对比分析不同国别、不同气候带典型陆表覆盖类型的地表反照率时空差异,进而模拟开垦和城市化等陆表覆盖变化对反照率的影响差异。结果表明：(1) 2000年—2015年,中国、美国的地表反照率年际变化存在明显的气候带空间分异特征,中国干旱半干旱区和美国中低纬湿润区表现出降低趋势,而中国亚热带湿润和美国高纬与中部干旱区则表现出明显的升高趋势,印度的地表反照率年际变化呈微弱下降趋势,而巴西为微弱上升趋势。(2)无雪覆盖时,耕地、林地、草地和人造地表反照率具有夏高、冬低的时间变化特征,干旱半干旱区反照率明显高于湿润区。4种类型的国别差异体现在,中国亚热带湿润区地表反照率均以上升为主,干旱半干旱区则相反;美国除耕地在干旱区呈较强的升高趋势外,其余类型基本为降低趋势;印度均表现为降低趋势;巴西则表现为略微升高趋势。(3)与无雪覆盖相比,有雪覆盖时不同陆表覆盖类型地表反照率均有所提高,林地提高幅度最小,约0.06—0.26,耕地提高最大,约为0.17—0.38,且中国林地反照率提高幅度略高于美国。(4)原陆表覆盖为林地时,开垦和城镇化均导致地表反照率升高,且干旱区升高幅度高于湿润区,湿润区的升高幅度随纬度降低而减弱;为草地时,开垦主要在巴西、印度和中、美亚热带湿润区引起地表反照率升高。而城镇化引起的反照率变化则受到原有地表覆盖、季节和气候背景影响存在较复杂的国别和气候带差异。     

SBDART的参数化短波辐射传输模型

云层对地气系统辐射能量平衡有重要的调节作用,然而传统1维大气辐射传输模型仅能考虑晴空和全云两种情况。为了更好地研究云层对地表短波辐射的影响,以大气辐射传输模型SBDART(Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)为基础,在短波辐射传输基本方程中引入半球天空有效云覆盖度和区域真实云覆盖度两个关键云参数,考虑太阳方向和半球天空云层覆盖情况,对模型进行几何关系的修正。结合短波辐射的影响因素和SBDART模型的内置参数,选择13个参数,使用全局定量敏感性分析软件Sim Lab对修正后的模型进行参数敏感性分析及应用讨论。研究结果表明:该模型能够较好地描述云层对地表短波辐射的影响;对下行短波辐射和地表短波净辐射而言,太阳天顶角和地表反照率的影响最为显著;两个云覆盖参数在很大程度上也影响了地表短波辐射分量;在模型实际应用过程中,敏感性较强的6个参数均可以通过卫星遥感数据得到,模型具有较好的应用前景。由此可见,改进的短波辐射传输模型能够更好地考虑不同云层条件下、不同太阳–云–观测几何下的短波辐射传输问题,有利于提高短波辐射参量的遥感反演精度。     

Incorporating dynamic factors for improving a GIS‐based solar radiation model

Solar radiation has been a major input to agricultural, hydrological, and ecological modeling. However, solar radiation is usually influenced by three groups of dynamic factors: sun–earth position, terrain, and atmospheric effects. Therefore, an integrated approach to accurately consider the impacts of those dynamic factors on solar radiation is essential to estimate solar radiation over rugged terrain. In this study, a spatial and temporal gap‐filling algorithm was proposed to obtain a seamless daily MODIS albedo dataset. A 1 km‐resolution digital elevation model was used to model the impact of local topography and shading by surrounding terrain on solar radiation. A sunshine‐based model was adopted to simulate radiation under the influence of clouds. A GIS‐based solar radiation model that incorporates albedo, shading by surrounding terrain, and variations in cloudiness was used to address the spatial variability of these factors in mountainous terrain. Compared with other independent solar radiation products, our model generated a more reliable solar radiation product over rugged terrain, with an R² of 0.88 and an RMSE of 2.55 MJ m^?2 day^?1. The improved solar radiation products and open source app can be used further in practice or scientific research.