2. 南京信息工程大学 大气物理学院, 南京 210044;
3. 安徽省气象台, 合肥 230031;
4. 中国气象科学研究院, 北京 100081;
5. 国家卫星气象中心, 北京 100081
青藏高原占中国国土面积的1/4,平均海拔超过4500 m,有“世界屋脊”和“第三极”之称,是全球地形最为复杂的高原。青藏高原对大气环流有着重要影响,通过全球动量、 能量和水分循环影响着区域和全球气候变化,对中国及亚洲地区的灾害性天气乃至全球气候变化均有重大影响(叶笃正和高由禧,1979; 章基嘉等,1988)。地表反照率是控制地表辐射能量收支、 影响地气相互作用的一个重要的地表参数(Dickinson et al,1993; Blackmon et al,2001; Dai et al,2003)。获取青藏高原地表辐射和反照率,一直是各种青藏高原大气科学观测试验的一项重要内容(《青藏高原气象科学实验文集》编辑组,1984a,1984b,1987; 陶诗言等,1999; Zhang et al,2012; 张人禾和徐祥德,2012; 李跃青等,2010,2012; 周长艳等,2012; 李英和胡泽勇,2007; 武荣盛和马耀明,2010; 冯超等,2010)。然而,由于青藏高原独特的地形和气候特点,只有通过卫星遥感才能比较全面、 准确、 及时地了解青藏高原地表反照率的时空分布及其变化情况(方宗义等,1996; 徐兴奎和林朝晖,2002; 陈爱军等,2009)。
2013年我国启动了“青藏高原地气耦合系统变化及其全球气候效应”重大研究计划(简称青藏高原重大研究计划),该计划的三个核心科学问题均与地气相互作用有关(http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/zdyjjh/002/info24876.htm),迫切需要青藏高原时空分布连续的高精度、 高时空分辨率地表反照率用于地气相互作用研究。美国EOS(Earth Observing System)/MODIS(MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)全球地表反照率产品(编号MCD43),是目前唯一能够准实时提供青藏高原高时空分辨率地表反照率的卫星遥感反演业务化产品(Schaaf et al,2002,2011),对青藏高原研究具有重要的应用价值。气候和陆面过程模式不仅对地表反照率的精度要求较高,一般绝对精度达到0.02~0.05(Henderson-Sellers and Wilson,1983; Sellers et al,1995),而且要求地表反照率具有良好的时空分辨率和时空分布连续性(http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/Publications/gcos-154.pdf)
目前,无论是全球范围(Jin et al,2003a,2003b; Stroeve et al,2005; Liu et al,2009; Román et al,2009,2011,2013; Wang et al,2012,2014)还是青藏高原(Wang et al,2004,2005; 余予等,2010; 陈爱军等,2012a),大量研究都通过多种途径和方式分析和验证了MODIS地表反照率的反演精度。然而,涉及MODIS地表反照率时空分布连续性的研究比较少,尤其是不同反演结果的时空分布情况。不久前,陈爱军等(2016a,2016b)利用MODIS地表反照率反演质量数据MCD43B2,研究了20032013年青藏高原MODIS地表反照率反演效率和反演质量情况,本文在此基础上将进一步研究20032013年青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的空间分布情况,正确认识和了解青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的空间分布情况,并为改进青藏高原地表反照率的卫星遥感反演研究提供参考和依据。
2.1 资料选取所用数据为20032013年MODIS地表反照率反演质量数据MCD43B2(Collection 005)。该数据提供Terra和Aqua双星MODIS数据联合反演地表反照率的反演质量,与MODIS地表反照率数据MCD43B3具有完全对应的时空关系,空间分辨率为1 km,时间间隔为8天(Schaaf et al,2011)。
在MCD43B2中,BRDF_Albedo_Band_Quality的科学数据集(Scientific Data Set,SDS)提供MODIS 1~7波段BRDF参数的反演质量(http://lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table/mc-d43b2)。该科学数据集由500 m分辨率MCD43A2数据对应的SDS转换而来。与1 km分辨率数据对应的4个500 m分辨率像元中,如果至少3个像元是“最佳全反演结果”,质量标记为0; 如果至少3个像元是“全反演结果”,质量标记为1; 如果最多2个像元为“全反演结果”,且最多有1个像元为填充值,质量标记为2; 如果4个像元均为“当量反演结果”,或者最多2个像元为填充值,质量标记为3; 如果至少3个像元为填充值,质量标记为4; 4个像元均为填充值时,质量标记为15。由于质量标记1、 2和4所占比例都较小(陈爱军等,2016a),因此,本文将MCD43B2中质量标记0和1对应的地表反照率,称为全反演结果; 质量标记2和3对应的地表反照率,称为当量反演结果; 质量标记4和填充值15对应的结果称为无反演结果。
MODIS地表反照率数据MCD43采用MODLAND正弦投影(http://modis-land.gsfc.nasa.gov/MODLAND_grid.html),正弦投影编号H24V05、 H25V05、 H25V06、 H26V05和H26V06的5个区域正好覆盖青藏高原。研究所用数据为这5个区域的MCD43B2数据,由美国地质调查局USGS(United States Geological Survey)地球资源观测与科学EROS(Earth Resource Observation and Science)数据中心提供,数据质量完全可以满足科学研究与分析要求。
2.2 方法简介由于相同反演结果的比例在MODIS 1~7通道的差异较小(陈爱军等,2016a),本文以1~7通道相同反演结果的平均比例统计2003-2013年青藏高原MOIDS地表反照率不同反演结果的平均概率,即:
${{p}_{x}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{11}{\mathop{\sum }}}\,{{\left( {{N}_{i}} \right)}_{x}}}{11\times n}\times 100%,$ | (1) |
其中: x为不同的MODIS地表反照率反演结果,即全反演结果、 当量反演结果或无反演结果;(Ni)x为反演结果x在第i年的总频数; n为统计的反演周期总数; px为在n个反演周期内获得反演结果x的11年平均概率。然后,以不同反演结果的11年平均概率(如无特殊说明,下同)的空间分布,研究青藏高原MODIS地表反照率全反演结果、 当量反演结果和无反演结果的空间分布情况。
3 结果分析 3.1 总体情况由青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的概率空间分布(图 1)可知,青藏高原上地表反照率全反演结果的概率大多超过60%,一些地区超过80%,例如: 青海海西蒙古族藏族自治州、 海南藏族自治州和西藏阿里地区、 日喀则地区、 那曲地区的绝大部分区域。然而,西藏林芝地区、 山南地区东南部、 那曲地区东南部、 昌都地区西北部,以及青海玉树藏族自治州东部、 果洛藏族自治州的部分区域等少数地区,全反演结果的概率比较低,不足40%,雅鲁藏布江下游至横断山脉的林芝地区甚至不足20%(图 1a)。全反演结果概率较低的区域,当量反演结果或者无反演结果的概率自然较高。例如: 那曲、 昌都、 林芝等三地交界处,当量反演结果的概率超过60%(图 1b); 山南地区东南部、 林芝地区及其与昌都地区的交界处形成的“入”字形区域,无反演结果概率超过40%,最高甚至超过90%(图 1c)。湖泊地区全反演结果的概率较低,当量反演结果的概率较高。例如: 青海境内的青海湖、 西藏境内的色林错湖和纳木错湖,全反演结果的概率只有约30%,当量反演结果的概率约为60%。这主要是因为湖泊上空水汽密度大,容易形成云,卫星过境时无法获得充足的晴空观测数据,无法获得全反演结果。青藏高原当量反演结果和无反演结果概率较高的地区,大多是因为云覆盖而无法获得充足的晴空观测数据。
本文将第9~19个8天期间(为3月6日至6月1日)划为春季,第20~30个8天期间(为6月2日至8月28日)划为夏季,第31~42个8天期间(为8月29日至12月2日)划为秋季,第43~45个8天期间(为12月326日)和次年第1~8个8天期间(为1月1日至3月5日)划分为冬季,进一步分析青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果空间分布的季节特征。
春季除东南部之外,青藏高原其他区域全反演结果的概率超过80%,甚至达到100%。在东南部,包括青海省果洛藏族自治州、 玉树藏族自治州东部以及西藏自治区昌都地区、 林芝地区和山南地区的东部等地区,全反演结果的概率较低,一般不足30%; 林芝地区和山南地区部分区域全反演结果的概率几乎为零,而且这些区域明显呈“入”字形(图 2a)。夏季,西藏全反演结果概率较大的范围整体向西北收缩,日喀则地区,以及那曲和阿里两个地区的东南部,全反演结果的概率降至50%以下,其中部分地区的概率甚至不足10%。春季林芝和山南地区全反演结果概率为零且呈“入”字形的区域,夏季全反演结果的概率仍然为零,且范围呈弥散状扩大(图 2b)。秋季,全反演结果概率较高的范围又向青藏高原东南方向扩展,其范围在四季中最大: 除林芝、 山南地区呈“入”字形区域全反演结果的概率仍然较低之外,其他区域全反演结果的概率基本都超过80%,部分地区甚至接近100%(图 2c)。冬季,全反演结果概率较高的区域,从青藏高原西北、 东南两侧向中部收缩,其范围为四季中最小,只有西藏阿里地区中东部、 那曲地区中东部、 日喀则地区、 拉萨市、 昌都地区东南部、 青海海西蒙古族藏族自治州及海北藏族自治州、 海南藏族自治州的部分区域,全反演结果的概率比较高。林芝和山南地区“入”字形区域全反演结果的概率仍然较低,约为10%(图 2d)。
对于当量反演结果,春季在青海果洛藏族自治州南部、 玉树藏族自治州南部,以及西藏昌都地区、 那曲地区的东南部、 林芝地区、 拉萨市、 山南地区等地的概率最高超过70%; 其他地区的概率较低,约为10%,甚至为零(图 3a); 夏季,当量反演结果概率较高的区域扩大至日喀则地区,但林芝地区的概率却下降至10%左右,有些区域甚至为零(图 3b); 秋季,当量反演结果的概率基本在10%左右,只有西藏林芝地区,以及那曲、 昌都和青海玉树藏族自治州交界处,当量反演结果的概率略高,约为60%(图 3c); 冬季,除上述区域之外,当量反演结果概率较高的区域还有那曲地区的西北部、 玉树藏族自治州的西北部、 海西蒙古族藏族自治州(格尔木市代管)的西北部、 海西蒙古族藏族自治州的东北部(图 3c)。此外,一年四季湖泊水体区域当量反演结果的概率都比较高。
无论春、 夏、 秋、 冬季,青藏高原东南部林芝地区与山南地区东南部的“入”字形区域,无反演结果的概率都较高(图 4)。春季,只有“入”字形及其附近区域无反演结果的概率较高(图 4a)。夏季,不只是“入”字形区域,该区域下方的三角形区域,无反演结果的概率进一步增大,大多超过80%,甚至达到100%(图 4b)。秋季,虽然无反演结果概率较高的区域仍然集中在“入”字形区域,但是范围明显减小(图 4c)。冬季,青藏高原东南部“入”字形区域无反演结果概率较高的区域进一步缩小,但青海海西蒙古族藏族自治州、 西藏阿里地区西北部、 那曲地区西北部,以及青海玉树藏族自治州等地都弥散性地分布着无反演结果概率较高的区域(图 4d)。
上述分析表明,春季除东南部的部分区域之外的其他区域,都能以较高的概率获得MODIS地表反照率全反演结果; 夏季获得全反演结果概率较高的区域向西北方向收缩; 秋季获得全反演结果概率较高的范围最大;冬季获得全反演结果概率较高的范围最小,从西北、 东南两个方向收缩至青藏高原的中部。无论春夏秋冬,东南部林芝地区与山南地区东南部的“入”字形区域,无反演结果的概率始终都比较高。对于当量反演结果,除冬季分布在青藏高原西北和东南两翼之外,其他季节主要分布在西藏昌都地区、 那曲地区、 林芝地区、 拉萨市和山南地区,其概率一般在50%左右,最高超过70%。
3.3 随海拔的分布特征应用DEM(Digital Elevation Model)数据分析结果表明,青藏高原海拔介于2.5~6 km的区域约占高原总面积的97%,其中: 4.5~5.0 km海拔的区域所占比例最大,约36%; 其次是5.0~5.5 km海拔的区域,所占比例约为23.5%(表 1)。各海拔区间MODIS地表反照率全反演结果的概率超过50%,其中: 2.5~3.0 km海拔区域的概率最高,接近80%; 5.5~6.0 km海拔区域的概率最低,略高于50%; 4~4.5 km海拔的区域的概率也较低,略高于60%。总体而言,青藏高原MODIS地表反照率全反演结果概率随海拔的增加呈下降趋势。随着海拔的升高,一方面云覆盖的概率加大,获得晴空观测数据的概率减小; 另一方面,短时积雪的概率也会增加。这两方面的因素都会影响MODIS地表反照率的反演质量,无法获得全反演结果。由于全反演结果的概率降低,当量反演结果的概率自然随海拔的升高呈加大的趋势,其中: 5.5~6.0 km海拔区域,当量反演结果的概率最高,约为35%; 4~4.5 km海拔区域的概率也较高,接近30%; 2.5~3.0 km海拔区域的概率最低,约为10%。除海拔介于5.5~6.0 km的区域外,其他海拔区间当量反演结果的概率都低于30%。无反演结果的概率在不同海拔高度区间相对稳定且低于10%,只有海拔介于5.5~6.0 km的区域例外,约为15%(图 5)。
总之,青藏高原MODIS地表反照率全反演结果的概率随海拔的升高呈下降趋势,当量反演结果则相反,无反演结果的概率在各海拔区间基本保持稳定。
3.4 随地表类型的分布特征应用MODIS地表覆盖类型数据MCD12Q1的分析结果表明,青藏高原地表覆盖类型以开放灌木、 草地和裸土稀疏植被为主,其中: 草地占32%,开放灌木占30%,裸土稀疏植被占28%。草地全反演结果的概率较低,略高于60%; 开放灌木区和裸土稀疏植被区全反演结果的概率大致相当,约为70%。青藏高原三种主要的地表覆盖类型中,草地当量反演结果的概率最高,约为30%; 开放灌木区和裸土稀疏植被区当量反演结果的概率比较接近,约为20%; 无反演结果在三种地表类型的概率都不足10%,且相差很小(图 6)。
(1) 青藏高原MODIS地表反照率全反演结果主要集中在中西部,包括西藏阿里地区、 日喀则地区、 那曲地区(东南少数区域除外),以及青海除玉树藏族自治州东南部、 果洛藏族自治州之外的区域,平均概率超过60%。青藏高原东南部,包括西藏林芝地区、 山南地区东南部、 那曲地区东南部、 昌都地区西北部,以及青海玉树藏族自治州东部、 果洛藏族自治州的部分区域,全反演结果的概率比较低。全反演结果概率较低的区域,当量反演结果或无反演结果的概率自然较高,尤其西藏山南地区中东部、 林芝地区及其与昌都地区交界处构成的“入”字形区域,无反演结果的概率高达90%以上。
(2) 春季青藏高原西北部MODIS地表反照率全反演结果的概率较高,超过80%,甚至达到100%,这些的区域范围在夏季不仅向西北收缩,而且概率有所降低; 秋季全反演结果概率较高的范围最大、 冬季最小。当量反演结果概率较高的区域在冬季主要分布在青藏高原西北、 东南两翼,其他季节主要分布在西藏昌都地区、 那曲地区、 林芝地区、 拉萨市和山南地区,其概率一般在50%左右,最高超过70%。在四季中,东南部林芝地区与山南地区东南部的“入”字形区域,无反演结果的概率始终都比较高。
(3)青藏高原MODIS地表反照率全反演结果的概率随海拔的升高呈下降趋势,但是都超过50%; 当量反演结果的平均比例随海拔的升高呈上升趋势,最高约为35%; 各海拔区间无反演结果的概率比较稳定,一般不超过10%。
(4) 三种主要地表类型中,开放灌木区和裸土稀疏植被区MODIS地表反照率全反演结果的概率大致相当,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%。
总之,青藏高原地区MODIS地表反照率反演质量的空间分布具有明显的地域特征,且与海拔和地表覆盖类型存在一定的联系。大量分析和验证结果表明,MODIS地表反照率全反演结果的精度完全可以满足气候和陆面过程模式的精度要求,当量反演结果则难以满足(Jin et al,2003a,2003b; Stroeve et al,2005; Liu et al,2009; Román et al,2009,2011,2013; Wang et al,2012,2014; Wang et al,2004,2005; 余予等,2010; 陈爱军等,2012a); 云覆盖是导致MODIS地表反照率当量反演结果或者无反演结果的主要原因(陈爱军等,2012b,2012c)。因此,对于青藏高原而言,无论是改进MODIS地表反照率反演算法,还是建立卫星遥感反演地表反照率反演新方法,未来的关键在于改进青藏高原中东部地表反照率的反演质量,将这些区域高概率的当量反演结果、 无反演结果转化为全反演结果,尤其东南部林芝地区、 山南地区东南部等“入”字形区域。只有这样,才能获得青藏高原卫星遥感反演的高时空分辨率、 时空分布连续的高精度地表反照率,促进青藏高原重大研究计划和地气相互作用研究。
致谢 感谢江苏省政府留学基金对本文的资助。Blackmon M, Boville B, Bryan F, et al. 2001. The community climate system model[J]. Bull Amer Meteor Soc, 82 (11): 2357–2376. DOI:10.1175/1520-0477(2001)082<2357:TCCSM>2.3.CO;2 | |
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2. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
3. Anhui Meteorological Observatory, Hefei 230031, China;
4. Chinese Academy of Meteorology Science, Beijing 100081, China;
5. National Satellite Meteorology Center, Beijing 100081, China