青藏高原地區(qū)MODIS反照率的精度分析

陳愛(ài)軍，梁學(xué)偉，卞林根，劉玉潔，王飛，朱小祥

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081;4.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;5.國(guó)家氣象中心，北京100081)

青藏高原地區(qū)MODIS反照率的精度分析

陳愛(ài)軍1，2，梁學(xué)偉1，2，卞林根3，劉玉潔4，王飛1，2，朱小祥5

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081;4.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;5.國(guó)家氣象中心，北京100081)

應(yīng)用2002—2004年青藏高原CAMP/Tibet試驗(yàn)期間4個(gè)地面站點(diǎn)的反照率觀測(cè)結(jié)果定量分析Terra MODIS 1 km分辨率短波SW波段(0.3～5.0 μm)反照率全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果的精度。對(duì)于全反演結(jié)果，黑空反照率、白空反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.018 7和0.016 8;對(duì)于當(dāng)量反演結(jié)果，黑空反照率、白空反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.076 6和0.076 1。綜合全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果，則黑空反照率、白空反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.067 9和0.067 5。當(dāng)?shù)孛嬗^測(cè)結(jié)果與MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果均為“無(wú)雪”狀態(tài)時(shí)，黑空反照率、白空反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.035 2和0.036 4;當(dāng)?shù)孛嬗^測(cè)結(jié)果為“積雪”狀態(tài)，MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果為“無(wú)雪”狀態(tài)時(shí)，黑空反照率、白空反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別高達(dá)0.155 6和0.154 1。

反照率;驗(yàn)證;MODIS;青藏高原

0 引言

地表反照率是地表反射與入射太陽(yáng)輻射通量密度之比。地表反照率對(duì)地表輻射能量收支、地—?dú)庀嗷プ饔?，以及全球氣候變化均有重要影?Dickinson，1983;Henderson-Sellers and Wilson，1983;Sellers et al.，1995)，是氣候和陸面過(guò)程模式的重要參數(shù)之一(Dickinson et al.，1993;Sellers et al.，1996;Bonan，1998;Blackmon et al.，2001;Dai et al.，2003)。氣候和陸面過(guò)程模式對(duì)地表反照率的精度要求很高，要求其絕對(duì)精度應(yīng)達(dá)到0.02～0.05(Henderson-Sellers and Wilson，1983;Sellers et al.，1995)。

衛(wèi)星遙感已成為連續(xù)獲取大范圍乃至全球高時(shí)空分辨率和高精度地表反照率的一條重要途徑(Pinty et al.，2000a，2000b;Schaaf et al.，2002，2011;Govaerts et al.，2010;Wagner et al.，2010)。早期，衛(wèi)星遙感反演地表反照率主要采用統(tǒng)計(jì)反演方法(Brest and Goward，1987;Wydick et al.，1987;祝昌漢等，1990;Li and Garand，1994;方宗義等，1996)。自Terra MODIS(MODerate resolution Imaging Spectraradiometer)發(fā)射以來(lái)，美國(guó)采用半經(jīng)驗(yàn)的物理反演方法獲得MODIS全球二向反射分布函數(shù)BRDF(BidirectionalReflectanceDistribution Function)和反照率產(chǎn)品(Schaaf et al.，2002)。該產(chǎn)品最初僅由Terra MODIS數(shù)據(jù)生成，反演周期為16 d，空間分辨率為1 km，產(chǎn)品編號(hào)為MOD43(Schaaf et al.，2002，2011)。

MOD43采用RossThick-LiSparse-R核驅(qū)動(dòng)的BRDF模型反演BRDF參數(shù)并計(jì)算黑空反照率BSA(black sky albedo)和白空反照率WSA(white sky albedo)(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛(ài)軍等，2009)。在MOD43反演過(guò)程中，如果16 d期間累積的高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)總數(shù)n≥7，就采用“全反演法(the full inversion)”，由最小二乘法獲得擬合多角度觀測(cè)數(shù)據(jù)最佳的BRDF參數(shù);如果3≤n＜7，或者全反演時(shí)的擬合效果不佳，就采用“當(dāng)量反演法(the magnitude inversion)”，利用多角度晴空觀測(cè)數(shù)據(jù)修正原型(archetype)BRDF參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的先驗(yàn)(a priori)信息，得到與實(shí)際情況相符的BRDF參數(shù)(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛(ài)軍等，2009)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量有限，或者質(zhì)量欠佳，反演過(guò)程又依賴(lài)于先驗(yàn)信息，當(dāng)量反演結(jié)果質(zhì)量自然也會(huì)受到影響，其精度可能會(huì)不及全反演結(jié)果。最新的MODIS全球BRDF和反照率產(chǎn)品已聯(lián)合Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)生成，反演周期縮短為8 d，空間分辨率也提高到500 m，產(chǎn)品編號(hào)為MCD43(Roman et al.，2009;Schaaf et al.，2011)。

MODIS反照率產(chǎn)品受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注(Zhou et al.，2003;Tian et al.，2004;Myhre et al.，2005;Lawrence and Chase，2007;Morcrette et al.，2008)，尤其是精度。人們采用多種途徑對(duì)MODIS反照率產(chǎn)品的精度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，例如:將反照率的地面觀測(cè)結(jié)果直接與其比較(Jin et al.，2003b;Roesch，2004;Wang et al.，2004;Stroeve et al.，2005;焦子銻等，2005;Salomon et al.，2006;Samain et al.，2008;Liu et al.，2009;余予等，2010)、將反照率的地面觀測(cè)結(jié)果與高分辨率遙感反演結(jié)果融合后再與其比較(Liang et al.，2002;Susaki et al.，2007;Roman et al.，2009)、將反照率機(jī)載觀測(cè)結(jié)果與其比較(焦子銻等，2005;Knobelspiesse et al.，2008)，以及應(yīng)用衛(wèi)星遙感反演結(jié)果與其比較(Jin et al.，2003b)。雖然研究結(jié)果表明MODIS反照率能夠滿(mǎn)足氣候和陸面過(guò)程模式對(duì)反照率的精度要求，但是，上述研究主要針對(duì)MODIS反照率全反演結(jié)果，很少涉及MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果，即使涉及，也只是定性分析(Jin et al.，2003a;Stroeve et al.，2005;Liu et al.，2009;Roman et al.，2009)。最近，陳愛(ài)軍等(2012)應(yīng)用“對(duì)照反演法”對(duì)中國(guó)地區(qū)相同時(shí)空條件下MODIS反照率全反演結(jié)果與當(dāng)量反演結(jié)果的差異做了定量分析。事實(shí)上，全球陸地約一半以上的區(qū)域需要通過(guò)當(dāng)量反演獲得MODIS反照率(Jin et al.，2003a)。因此，研究MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度具有十分重要的意義，也有助于正確分析和評(píng)價(jià)MODIS反照率產(chǎn)品的精度。

青藏高原是世界上平均海拔最高、面積最大、地形最為復(fù)雜的高原，素有“地球第三極”之稱(chēng)。青藏高原高大的地形特征及其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射，不僅影響了該地區(qū)地—?dú)庀嗷プ饔眠^(guò)程(尤其是能量與水分循環(huán)過(guò)程)，也對(duì)亞洲季風(fēng)、東亞大氣環(huán)流及全球氣候變化有著極大的影響(葉篤正和高由禧，1979;章基嘉等，1988)。MODIS反照率無(wú)疑為研究青藏高原地區(qū)的地表反照率，以及該地區(qū)的地—?dú)庀嗷プ饔眠^(guò)程提供了一條重要途徑。然而，由于云和積雪的影響，青藏高原地區(qū)反照率當(dāng)量反演結(jié)果的比例甚至超過(guò)全反演結(jié)果的比例(陳愛(ài)軍等，2009;Chen et al.，2007a，2007b)。這增加了青藏高原地區(qū)MODIS反照率產(chǎn)品精度的不確定性。Wang et al.(2004)用青藏高原改則自動(dòng)氣象站近3 a的觀測(cè)結(jié)果分析了MOD43B3的精度。余予等(2010)利用2007年5月—2008年8月青藏高原納木錯(cuò)站無(wú)雪期晴空條件下的觀測(cè)結(jié)果，分析了由Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)生成的反照率產(chǎn)品MCD43B3的精度，但上述研究均未涉及當(dāng)量反演結(jié)果。最近，陳愛(ài)軍等(2012)應(yīng)用“對(duì)照反演法”定量分析了中國(guó)地區(qū)相同時(shí)空條件下MODIS反照率全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果的差異。

本文應(yīng)用2002—2004年青藏高原地區(qū)4個(gè)自動(dòng)氣象站的下行和上行太陽(yáng)總短波輻射觀測(cè)資料，并經(jīng)處理后獲得反照率地面觀測(cè)結(jié)果，據(jù)此分別定量分析Terra MODIS反照率產(chǎn)品的全反演結(jié)果、當(dāng)量反演結(jié)果的精度。

1 資料

1.1 地面觀測(cè)資料

研究所用地面觀測(cè)資料來(lái)自2001—2005年青藏高原CAMP/Tibet國(guó)際合作科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)期間D105、Amdo、MS3478和BJ等4個(gè)站點(diǎn)的下行和上行太陽(yáng)總短波輻射觀測(cè)資料。這4個(gè)站點(diǎn)依次由北向南排列(表1)，站點(diǎn)所處位置比較開(kāi)闊，能夠代表藏北高原大范圍的地形和下墊面特征，觀測(cè)資料具有較好的代表性，其中:D105站位于多年凍土地區(qū)，地表為淤泥土壤和砂質(zhì)土壤;Amdo站周?chē)孛娓采w著高約5 cm的高原草甸;MS3478站的地表為含有細(xì)石塊的砂黏土，夏季不均勻地生長(zhǎng)著高約15 cm的草甸;BJ站地面覆蓋著高約5 cm、稀疏的高原草甸，土壤由含有碎石的砂壤土構(gòu)成。另外，CAMP/Tibet試驗(yàn)前所有觀測(cè)儀器都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)(馬偉強(qiáng)等，2004;李英和胡澤勇，2006;馬耀明等，2006;陳學(xué)龍等，2008)，確保觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

表1 地面觀測(cè)站點(diǎn)的基本信息Table 1 The basic information of ground-based stations

研究所用的下行和上行太陽(yáng)短波總輻射資料來(lái)自以上4個(gè)站點(diǎn)的自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料。1)D105站:2002—2003年、2004年1月1日—10月14日，時(shí)間分辨率均為1 h。2)Amdo站:2002年1月1日—8月21日，時(shí)間分辨率為10 min;2004年4月22日—6月10日、8月12日—12月31日，時(shí)間分辨率為30 min。3)MS3478站:2002—2003年、2004年1月1日—8月12日，時(shí)間分辨率均為1 h。4)BJ站:2002年，時(shí)間分辨率為1 h;2003年、2004年6月7日—8月23日，時(shí)間分辨率均為10 min。

1.2 MODIS反照率數(shù)據(jù)

研究采用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS(United States Geological Survey)地球資源觀測(cè)與科學(xué)EROS(Earth Resource Observation and Science)數(shù)據(jù)中心提供的L3級(jí)全球1 km正弦投影網(wǎng)格(L3 Global 1 km SIN Grid)Terra MODIS 16 d反照率產(chǎn)品MOD43(V004)。該產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，適合科學(xué)研究，主要包括:1)MODIS 1—7通道和可見(jiàn)光(0.3～0.7 μm)、近紅外(0.7～5.0 μm)、短波(0.3～5.0 μm)3個(gè)寬波段的黑空反照率BSA、白空反照率WSA，分別以1 km和0.05°氣候網(wǎng)格兩種空間分辨率提供。2)MODIS 1—7通道星下點(diǎn)BRDF校正后的反射率(NBAR，Nadir BRDF-Adjusted Reflectances)，空間分辨率為1 km。3)MODIS 1—7波段和可見(jiàn)光、近紅外、短波3個(gè)寬波段的BRDF參數(shù)，空間分辨率為1 km。4)數(shù)據(jù)質(zhì)量信息，包括反照率反演質(zhì)量、地表類(lèi)型、當(dāng)?shù)卣缣?yáng)天頂角和積雪狀態(tài)等信息(Schaaf et al.，2002)。

MODIS陸地正弦投影網(wǎng)格(http://landdb1.nascom.nasa.gov/developers/is_tiles/is_grid.html)編號(hào)h25v05區(qū)正好覆蓋CAMP/Tibet試驗(yàn)區(qū)，故選用該區(qū)域2002—2004年短波SW波段1 km分辨率的黑空反照率BSA和白空反照率WSA進(jìn)行研究。

2 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)處理

為了獲得與Terra MODIS反照率產(chǎn)品具有相同周期的地面觀測(cè)結(jié)果，需要對(duì)自動(dòng)氣象站觀測(cè)的下行和上行太陽(yáng)短波總輻射資料進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?1)根據(jù)下行太陽(yáng)短波總輻射不低于上行太陽(yáng)短波總輻射的原則，剔除明顯有誤的觀測(cè)數(shù)據(jù)。2)將10或30 min的采樣數(shù)據(jù)按小時(shí)平均，得到小時(shí)平均的下行和上行太陽(yáng)短波總輻射數(shù)據(jù)。3)以下行太陽(yáng)短波總輻射不小于600 W/m2為“晴空”標(biāo)準(zhǔn)(馬偉強(qiáng)等，2004)，以上行與下行太陽(yáng)短波總輻射之比計(jì)算“晴空”條件的小時(shí)平均地表反照率;否則，記為0。4)以非0的小時(shí)平均地表反照率計(jì)算“晴空”日平均地表反照率。5)以“晴空”日的平均地表反照率計(jì)算16 d平均地表反照率。

考慮到積雪對(duì)地表反照率的影響較大，結(jié)合CAMP/Tibet試驗(yàn)區(qū)的地表類(lèi)型，為了與“積雪”條件下的MODIS反照率反演算法一致(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛(ài)軍等，2009)，計(jì)算16 d平均地表反照率時(shí)，如果日平均地表反照率低于0.4，則視為“無(wú)雪”日反照率，否則視為“積雪”日反照率。如果“積雪”日反照率不少于8 d，就以“積雪”日反照率平均值作為16 d平均地表反照率;反之，以“無(wú)雪”日反照率平均值作為16 d平均地表反照率。

圖1是根據(jù)BJ站2002年第17—32、33—48天的下行和上行太陽(yáng)短波總輻射資料計(jì)算的小時(shí)平均、日平均和16 d平均地表反照率。可以看出:第20天的日平均地表反照率小于0.4(約為0.3)，表明當(dāng)天的反照率觀測(cè)結(jié)果為“無(wú)雪”日的反照率;第28天的小時(shí)平均反照率雖然接近0.7，但當(dāng)天的下行太陽(yáng)短波總輻射均小于600 W/m2，為非“晴空”反照率觀測(cè)結(jié)果，故當(dāng)天的日平均地表反照率記為0。除第20、28天之外，其余14 d的日平均地表反照率均高于0.4，有的甚至超過(guò)0.7，表明均為“積雪”日反照率(圖1a)。第17—32天期間，“積雪”日明顯多于“無(wú)雪”日，應(yīng)以“積雪”日的反照率平均值作為該16 d的反照率觀測(cè)結(jié)果，約為0.66。從第33天起，BJ站的日平均反照率逐漸減小，第38天時(shí)已降至0.4左右，第43—48天期間已穩(wěn)定維持在0.25左右(圖1b)。第33—48天期間，只有第33—37天的日平均地表反照率不低于0.4，“積雪”日為5 d，明顯少于“無(wú)雪”日，應(yīng)以11 d“無(wú)雪”日的反照率平均值作為該16 d的反照率觀測(cè)結(jié)果，約為0.28。

圖1 BJ站2002年第17—32天(a)和第33—48天(b)的反照率地面觀測(cè)結(jié)果Fig.1 Ground-observed albedos at BJ station during the period of(a)days 17—32 and(b)days 33—48 of 2002

3 結(jié)果分析

MODIS黑空反照率BSA和白空反照率WSA分別代表完全晴空和完全陰天條件下的地表反照率，實(shí)際地表反照率要根據(jù)天空漫射光比例由兩者內(nèi)插而得(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛(ài)軍等，2009)。由于天空漫射光比例與氣溶膠光學(xué)厚度有關(guān)，獲得地面站點(diǎn)的氣溶膠光學(xué)厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)又比較困難，故以反照率地面觀測(cè)結(jié)果與站點(diǎn)對(duì)應(yīng)像元的MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA直接進(jìn)行比較。如果黑空反照率BSA或者白空反照率WSA中的任意一個(gè)與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差超過(guò)0.05，那么，根據(jù)天空漫射光比例計(jì)算的實(shí)際地表反照率與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差也必然超過(guò)0.05。

圖2為BJ站2003年22個(gè)16 d(每年第23個(gè)16 d的實(shí)際天數(shù)不足16 d，不予考慮)的反照率地面觀測(cè)結(jié)果和MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA?？梢钥闯?1)第1天開(kāi)始的16 d，反照率地面觀測(cè)結(jié)果約為0.70，明顯受到積雪的影響。雖然MODIS反照率為當(dāng)量反演結(jié)果，但黑空反照率BSA、白空反照率WSA均接近0.75，與地面觀測(cè)結(jié)果非常接近。2)第17天開(kāi)始的16 d，反照率地面觀測(cè)結(jié)果約為0.60，表明仍然受到積雪的影響;但是，MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA均介于0.20和0.25之間，與地面觀測(cè)結(jié)果的差異十分顯著。這可能與觀測(cè)站點(diǎn)附近的局地積雪有關(guān):第1個(gè)16 d期間，站點(diǎn)周邊大范圍積雪，MODIS能夠較好地探測(cè)到地面積雪信息，反照率反演結(jié)果能夠較好地反映地表狀態(tài)，與地面站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果的差異較小;第2個(gè)16 d期間，地面積雪逐漸消融，雖然站點(diǎn)(甚至只是觀測(cè)儀器)附近存在局部積雪，反照率地面觀測(cè)結(jié)果較大，但MODIS已無(wú)法探測(cè)到局地積雪信息，反照率反演結(jié)果自然偏低，與地面觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。3)在22個(gè)16 d中，只有5個(gè)16 d的MODIS反照率是全反演結(jié)果，即第33、273、289、305、321天開(kāi)始的16 d;第97天開(kāi)始的16 d沒(méi)有MODIS反照率反演結(jié)果;通過(guò)當(dāng)量反演獲得MODIS反照率的16 d多達(dá)16個(gè)。這主要與當(dāng)?shù)爻Ｄ暧性聘采w有關(guān)(尤其在雨季)，很難在16 d反演周期內(nèi)獲得不少于7個(gè)高質(zhì)量多角度晴空觀測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)全反演成功獲得BRDF參數(shù)(Chen et al.，2007a，2007b;陳愛(ài)軍等，2007;陳愛(ài)軍等，2009)。此外，也與冬春季地面積雪的影響有關(guān)。

圖3為2003年BJ站反照率觀測(cè)結(jié)果與MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA的絕對(duì)偏差?？梢钥闯?第17天開(kāi)始的16 d，反照率地面觀測(cè)結(jié)果與MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA的絕對(duì)偏差都非常大，達(dá)到0.35以上，其余16 d的絕對(duì)偏差都不超過(guò)0.1。進(jìn)一步分析表明，除第33天開(kāi)始的16 d之外，其余16 d反照率地面觀測(cè)結(jié)果與MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA的絕對(duì)偏差均不超過(guò)0.05。

圖2 2003年BJ站反照率地面觀測(cè)結(jié)果與Terra MODIS反照率的比較(實(shí)心點(diǎn)表示全反演結(jié)果;空心點(diǎn)表示當(dāng)量反演結(jié)果)Fig.2 Comparison between ground-observed albedos and Terra MODIS albedos at BJ station in 2003(the solid dots represent the full inversion results，and the hollow dots do the magnitude inversion results)

綜合分析圖2和圖3可以看出:除第33天開(kāi)始的16 d之外，其余4個(gè)通過(guò)全反演獲得MODIS反照率的16 d中，MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差都小于0.05;16個(gè)通過(guò)當(dāng)量反演獲得MODIS反照率的16 d中，MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差均小于0.05。也就是說(shuō)，在獲得MODIS反照率反演結(jié)果的21個(gè)16 d中，有20個(gè)與反照率地面觀測(cè)結(jié)果的絕對(duì)偏差小于0.05，滿(mǎn)足絕對(duì)精度不超過(guò)0.05的要求，所占比例達(dá)到95%以上?？傮w而言，2003年BJ站MODIS反照率反演結(jié)果的精度較高。

2002—2004年，與D105、Amdo、MS3478和BJ站的反照率地面觀測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)，且站點(diǎn)對(duì)應(yīng)像元的MODIS反照率為全反演結(jié)果、當(dāng)量反演結(jié)果的分別有41和138個(gè)16 d。結(jié)果表明:MODIS黑空反照率BSA全反演結(jié)果、白空反照率WSA反照率全反演結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.018 7和0.016 8，可以滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.02的要求;MODIS黑空反照率BSA當(dāng)量反演結(jié)果、白空反照率WSA當(dāng)量反演結(jié)果與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差則高達(dá)0.076 6和0.076 1，無(wú)法滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.05的最低要求;如果綜合MODIS反照率全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果，則黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差為0.067 9和0.067 5，仍然無(wú)法滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.05的最低要求(表2)。總之，MODIS反照率全反演結(jié)果的精度較高，完全可以滿(mǎn)足氣候和陸面過(guò)程模式的反照率精度要求;當(dāng)量反演結(jié)果的精度遠(yuǎn)低于全反演結(jié)果的精度，無(wú)法滿(mǎn)足目前氣候和陸面過(guò)程模式的反照率精度要求。

分析反照率地面觀測(cè)結(jié)果和MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的積雪狀態(tài)可知，兩者均為“積雪”狀態(tài)的只有BJ站2003年第1天開(kāi)始的16 d和D105站2004年第17天開(kāi)始的16 d。此外，地面觀測(cè)結(jié)果

圖3 2003年BJ站反照率地面觀測(cè)結(jié)果與Terra MODIS黑空反照率、白空反照率的絕對(duì)偏差Fig.3 The absolute biases between ground-observed albedos and Terra MODIS black-sky albedos(white-sky albedos)at BJ station in 2003

表2 反照率地面觀測(cè)結(jié)果與MODIS反照率的均方根差Table 2 Root-mean-square errors between ground-observed albedos and MODIS albedos

為“積雪”狀態(tài)、MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果為“無(wú)雪”狀態(tài)的現(xiàn)象比較常見(jiàn)，沒(méi)有出現(xiàn)地面觀測(cè)結(jié)果為“無(wú)雪”狀態(tài)、MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果為“積雪”狀態(tài)的現(xiàn)象。如果按照獲得反照率地面觀測(cè)結(jié)果的積雪狀態(tài)，將其分為“無(wú)雪”組和“積雪”組，“無(wú)雪”組地面觀測(cè)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的黑空反照率BSA、白空反照率WSA的均方根差為0.035 2和0.036 4，而“積雪”組的均方根差則為0.155 6和0.154 1(表3)。如果綜合MODIS反照率全反演結(jié)果和“無(wú)雪”組的當(dāng)量反演結(jié)果，則地面觀測(cè)結(jié)果與黑空反照率BSA、白空反照率WSA的均方根差為0.032 0和0.032 8。以上分析結(jié)果，一方面說(shuō)明地面觀測(cè)站點(diǎn)附近的局地積雪對(duì)反照率地面觀測(cè)結(jié)果有影響，不利于正確分析和評(píng)價(jià)MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度，另一方面也說(shuō)明在大范圍長(zhǎng)期無(wú)雪區(qū)，MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果精度較高，可以滿(mǎn)足地表反照率的絕對(duì)精度要求。當(dāng)然，如何應(yīng)用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)正確地分析和評(píng)價(jià)MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度，仍然有待深入研究。

表3 不同積雪狀態(tài)的反照率地面觀測(cè)結(jié)果與MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的均方根差Table 3 Root-mean-square errors between ground-observed albedos of different snow conditions and MODIS albedos derived with the magnitude inversion

4 結(jié)論

地表反照率是影響地表輻射能量收支的一個(gè)重要參數(shù)，而且氣候和陸面過(guò)程模式對(duì)其精度要求很高。本文應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet試驗(yàn)期間D105、Amdo、MS3478和BJ等4個(gè)站點(diǎn)的自動(dòng)氣象站觀測(cè)的下行和上行太陽(yáng)總短波輻射資料，經(jīng)過(guò)處理后得到16 d平均的反照率地面觀測(cè)結(jié)果，與美國(guó)Terra MODIS 1 km分辨率反照率產(chǎn)品MOD43提供的短波SW波段黑空反照率BSA、白空反照率WSA直接進(jìn)行比較，定量分析了青藏高原地區(qū)MODIS反照率全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果的精度，結(jié)果表明:

1)MODIS反照率全反演結(jié)果能夠滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.02的要求，黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.018 7和0.016 8;MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度明顯低于全反演結(jié)果，無(wú)法滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.05的最低要求，黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.076 6和0.076 1;綜合MODIS反照率全反演結(jié)果和當(dāng)量反演結(jié)果，則黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測(cè)結(jié)果的均方根差分別為0.067 9和0.067 5，無(wú)法滿(mǎn)足絕對(duì)精度不低于0.05的要求。

2)地面觀測(cè)站點(diǎn)附近的局地積雪會(huì)影響反照率地面觀測(cè)結(jié)果，不利于正確分析和評(píng)價(jià)MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度。如果地面觀測(cè)結(jié)果為“無(wú)雪”狀態(tài)，它們與MODIS黑空反照率BSA當(dāng)量反演結(jié)果、白空反照率WSA當(dāng)量反演結(jié)果的均方根差分別為0.035 2和0.036 4;如果地面觀測(cè)結(jié)果為“積雪”狀態(tài)，它們與MODIS黑空反照率BSA當(dāng)量反演結(jié)果、白空反照率WSA當(dāng)量反演結(jié)果的均方根差分別為0.155 6和0.154 1。

總之，MODIS反照率全反演結(jié)果的精度較高，能夠滿(mǎn)足氣候和陸面過(guò)程模式對(duì)地表反照率絕對(duì)精度的要求。雖然MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度低于全反演結(jié)果，某些特殊條件下(如長(zhǎng)期大范圍無(wú)雪)的反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度仍然較高。由于局地積雪對(duì)地表反照率的影響，提高衛(wèi)星遙感積雪的空間分辨率，有助于提高積雪判識(shí)精度，并提高M(jìn)ODIS反照率反演結(jié)果的精度。最新的由Terra和Aqua雙星MODIS數(shù)據(jù)生成的全球反照率產(chǎn)品MCD43，不僅空間分辨率提高至500 m，反演周期也縮短為8 d(Roman et al.，2009;Schaaf et al.，2011)，相信有利于減少積雪對(duì)反照率反演結(jié)果的影響，進(jìn)一步提高M(jìn)ODIS反照率的精度。

致謝:本文所用CAMP/Tibet試驗(yàn)地面輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所馬耀明研究員提供，深表感謝!

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Assessment on the accuracy of MODIS albedos over the Tibetan Plateau

CHEN Ai-jun1，2，LIANG Xue-wei1，2，BIAN Lin-gen3，LIU Yu-jie4，WANG Fei1，2，ZHU Xiao-xiang5

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;2.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;4.National Satellite Meteorological Center，Beijing 100081，China;5.National Meteorological Center，Beijing 100081，China)

Using ground-observed albedos from four stations over the Tibetan Plateau from 2002 to 2004 in the CAMP/Tibet experiments，the accuracies of Terra MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)shortwave bands(0.3—5.0 μm)albedos in 1 km resolution derived with the full inversion and the magnitude inversion are individually quantitatively assessed.When MODIS albedos are derived with the full inversion，the root-mean-square errors(RMSEs)between the ground-observed albedos and the black-sky albedos(BSA)，and the white-sky albedos(WSA)are 0.018 7 and 0.016 8，respectively;when MODIS albedos are derived with the magnitude inversion，they are 0.076 6 and 0.076 1，respectively.And，when MODIS albedos derived with the full inversion and the magnitude inversion are all included，the RMSEs are 0.067 9 and 0.067 5，respectively.When the ground-observed albedos and MODIS albedos derived with the magnitude inversion are both from the no-snow condition，RMSEs between the ground-observed albedos and BSA，and WSA derived with the magnitude inversion are 0.035 2 and 0.036 4，respectively.However，when the ground-observed albedos are fromthe snowy condition，while MODIS albedos derived with the magnitude inversion are from the no-snow condition，RMSEs between the ground-observed albedos and BSA，and WSA derived with the magnitude inversion are 0.155 6 and 0.154 1.

albedo;validation;MODIS;Tibetan Plateau

P407

A

1674-7097(2012)06-0664-09

2012-05-06;改回日期:2012-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40875015);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

陳愛(ài)軍(1972—)，男，湖北荊門(mén)人，博士，副教授，研究方向?yàn)闅庀笮l(wèi)星資料分析與應(yīng)用，chenaijun@nuist.edu.cn.

陳愛(ài)軍，梁學(xué)偉，卞林根，等.2012.青藏高原地區(qū)MODIS反照率的精度分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(6):664-672.

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(責(zé)任編輯:倪東鴻)