新疆及周边中亚地区土地覆盖变化对地表反照率的影响

基于MODIS MCD12C1土地覆盖和MCD43C3地表反照率数据,分析2002—2021年新疆及周边中亚地区土地覆盖和地表反照率时空分布特征并探讨土地覆盖变化对地表反照率的影响。结果表明:(1)土地覆盖净变化以裸地和耕地减少、林地和草地增长为主要特征,总变化最大的是草地。塔里木盆地四周裸地转为草地变化明显,中亚中部干旱区草地灌丛化问题严重。(2)裸地转为草地、草地转为林地分别导致地表反照率减少0.006、增长0.009,草地灌丛化导致地表反照率增长0.012。草地转为裸地对地表反照率的影响最大,变化量为0.015,耕地和草地相互转变对地表反照率的影响最小,变化量<0.001。(3)2006—2011年地表反照率变化最明显,显著变化量达34.87%。(4)干旱区地表反照率变化显著于其他区域,且林地的地表反照率高于草地和耕地,导致三者间转变的地表反照率变化趋势区别于其他区域。

黔东南稳定林地地表反照率时空变化与影响因子分析

地表反照率直接影响地-气系统辐射平衡和地表能量收支。稳定林地植被生态完整,区域小气候相对稳定,且与地表反照率之间关系复杂。该文以黔东南稳定林地为例,基于MODIS地表反照率(MCD43A3)、增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)(MOD13Q1)、土地利用(MOD12Q1)与土壤水分、气温、降水数据,使用Theil-Sen(T-S)和Mann-Kendall(M-K)趋势分析、相关分析和多元回归分析,探究黔东南稳定林地地表反照率时空变化、与各因子相关性以及驱动因子。结果表明:①稳定林地地表反照率在年际、生长季和休眠季分别在0.102~0.112,0.110~0.113和0.099~0.102间波动上升,整体趋势较平稳,呈中部低、四周高的空间分布格局。②在年际和生长季期,地表反照率与土壤水分呈显著负相关,相关系数分别为-0.951和-0.943;在休眠季地表反照率与EVI呈显著正相关,相关系数为0.933。③地表反照率在年际、生长季、休眠季分别受EVI、气温负向驱动和土壤水分正向驱动,其标准化系数分别为-9.168,-11.332和1.319。该文研究结论有利于正确认识黔东南稳定林地地表反照率的驱动机制,从而为低纬度小区域林地气候变化提供参考依据。

塔克拉玛干沙漠南缘戈壁下垫面辐射平衡与地表反照率特征

戈壁是荒漠地区主要的地表形式之一,这种下垫面特征与沙漠下垫面有较大差异,因此对于沙漠地区戈壁下垫面辐射平衡特征的研究十分有必要。利用中日沙尘暴合作项目(ADEC)塔克拉玛干沙漠南缘策勒戈壁观测站连续观测数据,分析了策勒戈壁站地表辐射平衡各分量全年、各季节与特殊天气下的日变化特征,以期为塔克拉玛干沙漠地-气系统能量交换提供更加具体的参数。结果表明:(1)策勒戈壁站各辐射分量最大值除向上短波辐射出现在1月外,其余各分量均出现在7月。(2)季节尺度上,各分量季节日变化最大峰值出现季节不一致,向下短波辐射和向上短波辐射最大峰值出现在春季,向下长波辐射、向上长波辐射和净辐射最大峰值出现在夏季。(3)不同天气下,各季节晴天各辐射分量均呈现平滑的变化趋势,多云、阴天、降雨期间各分量变化不规则,降雨和降雪天气向下长波辐射和向上长波辐射明显高于其余各分量。(4)地表反照率年均值为0.32,其中冬季降雪导致地表反照率远高于其他季节,各季节的次序表现为:冬季、春季、秋季、夏季。而反照率的日变化受太阳高度角影响,晴天呈现出平滑的“U”型,其他天气变化不规则。

贵州省地表反照率变化及其对气候变化的响应

在全球气候变化背景下,地表反照率作为地表辐射平衡和气候研究的重要参数之一,在低纬度喀斯特地区开展地表反照率变化对气候要素的响应研究对理解低纬度喀斯特地区地表反照率的气候效应和区域生态环境保护具有重要意义。以贵州省为例,基于MCD43A3反照率数据、MOD15A2H LAI数据、气温和降水数据,使用Theil-Sen斜率估计和Mann-Kendall趋势检验分析、偏相关分析、滞后相关系数分析法,分析了贵州省地表反照率时空变化特征及与气候要素的时滞效应。结果表明:①贵州省2001-2022年地表反照率整体偏低,年际变化呈缓慢波动上升,年内变化呈先上升后下降;不同季节平均地表反照率比较为夏>秋>春>冬,年际变化趋势在空间上呈西升东降,在时间上为春夏上升,秋冬下降;②夏季地表反照率变化与温度、降水、叶面积指数(LAI)正负相关共存,温度对地表反照率负相关面积较大,降水和LAI则与温度相反,贵州西部毕节地区地表反照率对气候变化更为敏感;③在夏季地表反照率与温度、降水、LAI的响应中,贵州省80%以上区域表现出时滞效应。

东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征

利用东帕米尔高原塔什库尔干国家基本气候站2020年6月至2021年6月观测的辐射数据,分析了东帕米尔高原不同时间尺度和不同天气条件下各辐射通量及地表反照率变化特征。结果表明:(1)各辐射通量在逐日均值变化上呈“V”型曲线;向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射和净辐射年曝辐量分别为5001.6,1370.3,6090.7,8550.8和1189.0MJ·m^(-2);在季节尺度上,各辐射通量总体表现为夏季>春季>秋季>冬季,而向上短波辐射在冬季最高。(2)不同天气下,辐射通量也不同,晴天时,各辐射通量变化均为较平滑的单峰型,少云、多云时均为不规则单峰型,降水时,除冬季外均为多峰型,辐射通量均值变化表现为晴天>少云>多云>降水。(3)地表反照率在观测期间平均值为0.29,最大值出现在1月,最小值出现在7月,分别为0.58和0.24;在季节上表现为冬季最大,夏季最小;春、夏、秋季地表反照率呈"U"型,冬季为倒"U"型;降雨时地表反照率下降,降雪时则地表反照率上升,说明不同降水类型对地表反照率影响不同.

喀斯特山区地表反照率时空变化及其驱动因子

为了解全球气候变暖背景下湿润喀斯特山区地表反照率的气候效应,本文以贵州省为例,利用MODIS地表反照率产品,结合植被、土地利用、地质岩性等数据,基于Theil-Sen Median斜率计算及Mann-Kendall统计检验等方法,分析贵州省近20年地表反照率的时空变化特征;利用地理探测器分析影响贵州地表反照率的主导驱动因子。结果表明:(1)贵州省2001—2020年的地表反照率均值为0.111 0,并以每年平均0.16×10^(-3)的速率在缓慢波动下降,下降区域面积占总面积的58.17%。(2)多年季节平均反照率为夏(0.118 6)>秋(0.113 7)>春(0.105 0)>冬(0.103 0),年平均增长速率为夏(0.48×10^(-3))>秋(-0.13×10^(-3))>春(-0.31×10^(-3))>冬(-0.51×10^(-3))。(3)地表反照率年内变化呈“倒U”形,表现出显著的季节性特征。(4)植被、土地利用、岩组是贵州地表反照率时空异质的主导驱动因子,各因子间对地表反照率的交互作用均为双因子增强或非线性增强。

基于卫星遥感数据的Noah-MP地表反照率关键参数优化

地表反照率是影响地–气相互作用的关键因子,而准确描述地表反照率是改进陆面模型水热模拟能力的关键。当前Noah-MP (the Noah land surface model with Multiple Parameterizations)土壤反照率估算主要依赖于查找表方法,该方法基于土壤颜色获得不同土壤类型的反照率,但在区域尺度上土壤颜色等级尚未得到有效率定,直接影响了区域反照率模拟水平。此外,裸土反照率的计算还高度依赖于土壤水分。针对这一问题,以同化得到的土壤水分数据作为输入,计算得到不同土壤颜色等级对应的反照率时间序列。在此基础上,以MODIS反照率为参照,同时排除高植被覆盖和积雪的影响,逐步筛选得到青藏高原区域0.25°格点尺度下最优的土壤颜色等级。评估结果表明,优化得到的土壤颜色等级空间分布规律符合土壤质地与反照率之间的物理规律,且改进了研究区域70%空间网格内的Noah-MP模型反照率估计。

中国月平均地表反照率的估算及其时空分布

本文利用1948年～2003年55年平均的NCEP NCAR(NationalCenterforEnvironmentalPrediction NationalCenterforAtmosphericResearch,美国国家环境预报中心 美国国家大气研究中心)再分析辐射资料和中国10km×10km土地利用类型图,借助GIS、GrADS(GridAnalysisandDisplaySystem,网格分析与展示系统)等空间化技术,采用图形回归处理等方法建立了国家尺度的10km×10km的中国地表月平均反照率栅格图。研究表明,估算的地表反照率的季节变化十分明显:冬季(1月)最大,夏季(7月)最小,春秋季(4月和10月)次之,且秋季比春季稍大;空间分布与地理纬度、地势高低和距海远近关系很大,西部地区大于东部地区,北部地区大于南部地区,高海拔地区大于丘陵和平原地区。几种土地覆被类型反照率的估计值如下:林地、水稻和小麦地为0 17～0 23;草地为0 20～0 32;雪被为0 44～0 76;沙漠为0 35左右。总的来说,估算结果比较合理,能够较好地反映出中国地表反照率的时间、空间变化特征,也能反映多年气候平均值的特点。因此,在目前气候要素之一的多年平均的地表反照率研究较少的情况下,利用多年平均NCEP NCAR再分析资料与土地利用类型图进行回归处理不失为是一种相对合理的方法。

藏北高原多年冻土区地表反照率特征分析

利用青藏高原冰冻圈观测研究站西大滩、五道梁和唐古拉自动气象站(AWS)2006—2007年的辐射观测资料,分析了藏北高原多年冻土区不同下垫面的地表反照率特征.结果表明:该地区地表反照率在四季都表现出明显的日变化特征,呈U形,早晚大,中午小.日平均和月平均地表反照率有相同的年变化特征,且冬半年的地表反照率远远大于夏半年.受积雪的影响,地表反照率年均值较高,夏季最小,冬季最大,春季大于秋季.针对3种不同植被类型的下垫面,在四季反照率都有高寒草甸(唐古拉)<高寒草原(西大滩)<荒漠草原(五道梁)的特点.

青藏高原纳木错站地表反照率观测与MODIS资料的对比分析

利用中国科学院纳木错多圈层相互作用综合观测研究站内太阳光度计观测的大气气溶胶光学厚度和整层气柱水汽总量,作为大气辐射传输模式的输入参数,模拟计算了2007年5月—2008年8月无雪期晴空条件下,正午时段该站的太阳总辐射和散射辐射,得到两者的比例S。基于MODIS发布的MCD43B3产品中的短波段黑空和白空反照率以及比例S,计算得到实际大气条件下地表反照率的卫星反演值,进而与地面观测值进行对比分析。结果显示,两者没有显著差别,可以满足气候模式对地表反照率绝对偏差为0.02的精度要求,且均方根偏差约为0.0156,最大偏差为0.046。雨季纳木错站的土壤含水量增加,使得该站晴空时观测的5 min平均地表反照率呈线性下降。

基于植被指数和地表反照率影响的北京城市热岛变化

利用TERRA/MODIS遥感反演的地表温度资料,对2000—2006年北京城市热岛季节变化特征进行了研究,结合同期降水量、植被指数和地表反照率变化,分析了该地夏季城市热岛的年际变化成因.结果表明:北京多年四季热岛分布主要以城区为中心向周边郊区延伸,其中夏季城市热岛最强,春、秋和冬季较弱,这种热岛强度的季节性差异主要与太阳辐射强度、地表植被覆盖状况和城市人为热释放等的季节性变化密切相关.北京夏季城市热岛的年际变化特征为:2005和2006年最显著,热岛中心强度分别为10.54和9.61℃;2002和2004年城市热岛最弱,热岛中心强度分别为6.54和7.39℃.2000—2006年北京市夏季城市热岛具有明显增强趋势,热岛强度增温率为0.326℃/a.北京夏季降水对城区地表温度影响大于郊区,降水主要通过影响城区地表温度来影响城市热岛变化;夏季地表植被和地表反照率变化对地表温度和城市热岛也均有较大影响.2000年以来,北京郊区夏季地表植被指数增加率远高于城区,受地表植被和地表反照率变化的影响,郊区降温率明显大于城区,致使城郊温差增大,热岛效应加强.

应用EOS-MODIS卫星资料反演西北干旱绿洲的地表反照率

地表反照率是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天气预测和全球变化研究的重要参数,作者应用EOSMODIS卫星数据和目前发展的推算反照率比较完善的一种二向反射(BRDF)模型RossThickLiSparseR核算法(AMBRALS算法),对西北干旱绿洲区非均匀分布的地表反照率进行反演与分析,结果表明,应用该方法反演的地表参数与实际观测值基本接近。敦煌戈壁站的反演值与观测值的春、夏、秋季绝对误差最大为0.019,冬季为0.051,黑河绿洲实验站的反演值较观测值低0.019;绿洲、绿洲沙漠交界地带、戈壁和沙漠等反照率差别明显,并划分了区域内阶梯状反照率的变化值;另外,植被区四季反照率差异较大,夏季(8月)最小,冬(2月)、春季(4月)最大,与植被指数呈负相关关系,反照率的变化也充分体现了地表类型随气候变化的特性。

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明:唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15~0.27之间,地表反照率值集中在0.14~0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9~2.0 W·m^(-1)·K^(-1)之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10~6~1.8×10~6J·m^(-3)·K^(-1)之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^(-6)~2.2×10^(-6)m^2·s^(-1)之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.

我国西北地区地表反照率的遥感研究

由于地表反照率受地球表面覆盖类型等地表特征的影响 ,因而利用遥感资料计算大面积区域地表反照率日益受到重视。通过对研究区下垫面类型进行分类 (共分雪地、裸土、植被、沙漠和水体等五类 ) ,然后针对不同下垫面类型分别建立相应的地表反照率计算方法 ,对我国西北地表反照率的计算 ,验证了该方法具有较高的计算精度 ,适于大面积区域地表反照率的计算。

干旱区绿洲地表反照率不对称观测研究

利用"绿洲系统能量与水分循环观测试验"2005年第一阶段资料分析发现,绿洲的地表反照率并不是呈现关于太阳高度角的典型对称分布,早上的地表反照率略大于相同太阳高度角的下午,在太阳高度角30°附近早上比下午平均大0.031,约为平均反照率的13.3%。白天风速较小、风向变化不定的风场和当日的土壤湿度差异对地表反照率不对称的影响较小。早晚地表反照率差异主要是由于绿洲内空气较为湿润、夜晚风速较小、气温下降形成的露水在早上增大对太阳辐射的散射造成的。而在日出后露水迅速蒸发,在太阳高度角为40°～50°,上午和下午的地表反照率基本重合。

敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率参数化研究

利用敦煌站观测资料，选取其中观测资料完整且连续性好的7个年份每年5-10月的地表净辐射四分量和土壤湿度资料，分析研究了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的关系，结果表明：地表反照率与太阳高度角呈e指数关系，随太阳高度角的增大而减小，当太阳高度角大于40。时，地表反照率趋于稳定。表层土壤含水量的增大可导致地表反照率的减小，地表反照率与5cm深土壤湿度呈线性关系。另外，建立了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的双因子参数化公式，提出了一种更加适合该地区的地表反照率参数方案，并且选取2002年6-9月的实测资料对拟合的参数化公式进行模拟验证。本文所提出的地表反照率参数化方案能够很好地再现该地区裸土地表反照率的“u”型日变化特征，可准确地模拟出地表反照率的动态变化趋势。基于此参数化方案计算得到的地表反射辐射与实测值基本一致。

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。

陇中黄土高原半干旱草地地表反照率的变化特征

利用2010年兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)全年的观测数据,对陇中黄土高原半干旱草地的地表反照率年变化及其在典型天气条件下的变化特征进行研究。结果表明,该地区半干旱草地的地表反照率呈冬半年高、夏半年低的特点,年平均地表反照率为0.21,高于绿洲地区,低于半干旱农田区;地表反照率的日变化明显受天气条件的影响:晴天时呈早晚高、中午低的特征,阴天时日变化很小;降雨后地表反照率先降后升,而降雪后则先升后降;沙尘天气过程中,地表反照率比晴天有所增加。晴天时地表反照率还存在明显的不对称现象,即相同太阳高度角时,上午地表反照率大于下午,这种差异与浅层土壤湿度的变化具有较好的一致性。

生物炭对农田地表反照率及土壤温度与湿度的影响

为了探究生物炭输入后农田地表反照率及土壤温度与土壤湿度的响应,通过田间小区试验,分析生物炭影响下农田地表反照率、土壤温度、土壤湿度的变化情况.试验共设置3个主处理——CK处理（不施用生物炭）、BC5处理〔生物炭施用量为0.5kg/（m^2·a）〕、BC45处理〔生物炭施用量为4.5 kg/（m^2·a）〕,同时每个主处理设置2个副处理——种植作物（以＋表示）和未种植作物（以-表示）.结果表明：在有作物覆盖条件下,相对于CK＋处理,BC45＋、BC5＋处理的地表反照率在玉米苗期分别下降23.1%、19.1%（P〈0.05）,在玉米拔节期分别下降20.0%、15.1%（P〈0.05）,但在玉米抽穗期至成熟期,各处理的地表反照率无明显差异.BC5＋、BC45＋处理的土壤温度、土壤湿度与CK＋处理相比均未见显著改变.在未种植作物条件下,相对于CK-处理,BC45-、BC5-处理的地表反照率最大降幅分别为26.7%、24.3%（P〈0.05）,BC5-处理的土壤湿度增幅为1.7%-3.8%,BC45-处理的土壤温度、土壤湿度无显著变化.可见,随着玉米冠层结构的发展,生物炭输入降低地表反照率的效应在逐渐减弱甚至消失;生物炭输入对土壤温度、土壤湿度的影响程度与作物覆盖条件以及生物炭施用量有关.

西大滩地区积雪对地表反照率及浅层地温的影响

利用西大滩2007年气象和辐射观测数据研究了积雪对地表反照率和浅层地温的影响。结果显示:相对积雪日数和气温与反照率相关性显著,反照率随相对积雪日数的增大而增大,随气温的增大而减小。冷暖季降雪对地温的变化具有阻隔作用,冷季地温和气温都在-10℃左右时,<10cm厚的积雪对地温变化的影响不明显,地温和气温的变化趋势一致,地温的变幅不是很大;在暖季积雪厚度>10cm而且积雪持续时间达10d时,与气温相比积雪对地温变化的隔热绝缘作用较明显;雪深与积雪持续的时间均与地温呈反向变化。