全球分光地表反照率的長(zhǎng)期變化

何娟,張華,2?,蘇紅娟,3,周喜訊,3,陳琪,謝冰,游婷

(1中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210000;3中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)氣象局氣候中心, 北京 100081;5重慶市氣象科學(xué)研究所,重慶 401147)

0 引言

地表反照率表征了地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力[1,2],其大小受多種因素共同影響,如太陽(yáng)高度角、土地利用類(lèi)型及覆蓋度、土壤濕度、地表粗糙度和天氣狀況等,是研究地表能量收支平衡和全球氣候變化的一種重要?jiǎng)討B(tài)無(wú)量綱地表參數(shù)[3,4]。對(duì)于不同的土地利用類(lèi)型,反照率的變化規(guī)律不同,存在明顯的地域性[5]。在全球變暖的背景下,不同土地利用類(lèi)型受人類(lèi)活動(dòng)和其他外界條件的影響而發(fā)生改變,進(jìn)而通過(guò)改變地表反照率而產(chǎn)生不同程度的輻射強(qiáng)迫[6]。此外,同一種下墊面覆被類(lèi)型改變也會(huì)使輻射強(qiáng)迫的空間分布產(chǎn)生較大變化[7]。地表反照率的改變能夠影響地表輻射收支和能量及水分循環(huán)過(guò)程,其產(chǎn)生的氣候效應(yīng)與溫室氣體相當(dāng)?shù)男?yīng),甚至更為顯著[8?10],從而引起區(qū)域和全球氣候變化。徐忠峰等[11]指出人類(lèi)活動(dòng)造成的大面積土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)是使氣候發(fā)生變化的三大人為因素之一,這種大范圍的變化會(huì)使得反照率增加,從而減少地表吸收的太陽(yáng)輻射。Andrews等[12]利用HadGEM2-ES模型計(jì)算了1860–2005年間由于土地利用變化所引起的有效輻射強(qiáng)迫,結(jié)果表明該情況主要是由于地表反照率變化所導(dǎo)致。Collins等[13]則指出HadGEM2-ES模型對(duì)與土地利用變化相關(guān)的有效輻射強(qiáng)迫的計(jì)算值偏高,該誤差主要來(lái)源于所用模型高估了原始狀態(tài)下北方喬木和灌木的數(shù)量。唐榮云等[14]計(jì)算了北京地區(qū)近10年來(lái)城市化過(guò)程所導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫,并探究了輻射強(qiáng)迫的空間分布規(guī)律和土地利用類(lèi)型變化強(qiáng)迫因子的相對(duì)貢獻(xiàn),結(jié)果表明北京市全區(qū)域的平均輻射強(qiáng)迫為2.52 W·m?2,具有明顯的增溫作用,該結(jié)果主要是由地表性質(zhì)變化引起地表反照率發(fā)生改變所產(chǎn)生,其中主要輻射強(qiáng)迫源為耕地和林地。陳海山等[15]使用區(qū)域氣候模式RegCM4.0和遙感資料,通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)研究了21世紀(jì)初LUCC對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候的影響,發(fā)現(xiàn)中國(guó)區(qū)域LUCC會(huì)顯著影響局地氣溫,尤其在夏、秋季變化顯著,且其氣候效應(yīng)主要受蒸散發(fā)作用和地表反照率變化的影響。

隨著氣象衛(wèi)星的不斷發(fā)展,眾多學(xué)者基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用多種方法對(duì)所獲遙感資料進(jìn)行反演估算,從而得到地表反照率數(shù)據(jù)。Li和Garand[16]采用參數(shù)化的方法對(duì)大氣層頂?shù)姆凑章屎偷乇矸凑章手g的關(guān)系進(jìn)行處理,從而得到了實(shí)時(shí)和日平均地表反照率數(shù)據(jù)。Liang等[17?19]假設(shè)地表為朗伯體,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[20]和投影追蹤法[21]修訂了地表短波波段反照率和大氣層頂反照率之間的關(guān)系。這種采用大氣層頂反照率數(shù)據(jù)的直接估算法能夠得到地表寬波段反照率,該方法基于統(tǒng)計(jì)分析的模型,合并了大氣校正、窄波段反照率計(jì)算和窄波段向?qū)挷ǘ无D(zhuǎn)換三個(gè)物理過(guò)程[22]。Liang等[17?19]將該結(jié)果運(yùn)用于中分辨率成像光譜儀(MODIS)產(chǎn)品中,使地表反照率的反演精度得到了提高。王開(kāi)存等[23]利用MODIS反照率數(shù)據(jù)、地表海拔高度和下墊面覆被類(lèi)型,計(jì)算了中國(guó)地區(qū)晴空反照率,并分析了其時(shí)空分布特征,同時(shí)建立了地表反照率與下墊面覆被類(lèi)型及地形的關(guān)系。徐興奎等[24]基于1997年的NOAA142-AVHRR數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)和雙向反射模型對(duì)中國(guó)月平均地表反照率進(jìn)行了反演和分析,指出其分布特征與地表覆被類(lèi)型和氣候特征基本一致。Ghimire等[25]根據(jù)土地利用協(xié)調(diào)計(jì)劃提出了國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)類(lèi)型的土地利用類(lèi)型重建方法,并探究了人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的全球地表反照率和輻射強(qiáng)迫的變化。

地表反照率的全球分布特征及其長(zhǎng)期變化對(duì)氣候研究至關(guān)重要。目前針對(duì)地表反照率的研究多集中于短波波段,對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波段的反照率變化特征還知之甚少。而可見(jiàn)光反照率在大氣環(huán)流模式以及植被生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳循環(huán)過(guò)程中都有著至關(guān)重要的作用[4]。因此本文通過(guò)估測(cè)方法獲取長(zhǎng)期的全球分光地表反照率數(shù)據(jù)集,對(duì)探究不同地區(qū)的土地利用變化及其對(duì)氣候變化的影響都具有重要科學(xué)意義。本文在對(duì)比分析了所得全球分光地表反照率數(shù)據(jù)集與MODIS(MCD43)相應(yīng)結(jié)果差異的基礎(chǔ)上,研究了四個(gè)典型區(qū)域(中國(guó)東部、歐洲東南部、美國(guó)中東部和巴西南部)的可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期的變化,并討論了導(dǎo)致各區(qū)域可見(jiàn)光反照率發(fā)生變化的主要土地利用類(lèi)型在不同時(shí)期的變化趨勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)

所用數(shù)據(jù)集如表1所示。MODIS反照率查找圖(LUMs)來(lái)源于Gao等[26],是基于MODIS二向反射分布函數(shù)(BRDF)的反照率產(chǎn)品和Landsat圖像(美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星)的多尺度分層方法的反照率數(shù)據(jù)集,提供了多種分辨率下17種IGBP土地利用類(lèi)型在近紅外(NIR,0.7～5.0μm)、可見(jiàn)光(VIS,0.3～0.7μm)和短波(SW,0.3～5.0μm)波段有雪覆蓋和無(wú)雪覆蓋兩種條件下白空反照率(WSA)和黑空反照率(BSA)的月均值,時(shí)間尺度為2001–2011年,其中黑空反照率和白空反照率分別代表太陽(yáng)輻射在完全直射(完全晴空)和完全漫射(完全陰天)條件下的反照率[27]。選取0.25?×0.25?分辨率、有雪覆蓋和無(wú)雪覆蓋條件下的黑空反照率和白空反照率月平均值,將其處理為對(duì)應(yīng)條件下17種土地利用類(lèi)型的黑空和白空反照率季節(jié)平均值(春季:3月、4月、5月;夏季:6月、7月、8月;秋季:9月、10月、11月;冬季:12月、1月、2月),并假設(shè)其不隨時(shí)間變化。所用散射比(散射輻射與總輻射的比值)[23]的季節(jié)平均值通過(guò)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)和國(guó)家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合提供的再分析格點(diǎn)輻射通量數(shù)據(jù)(T62,192×94)獲取,該數(shù)據(jù)為1981–2010年的近紅外和可見(jiàn)光波段的輻射通量月均值[28,29]。在求解17種IGBP分類(lèi)的土地利用類(lèi)型實(shí)際反照率季節(jié)平均值時(shí),散射比的季節(jié)平均值不隨時(shí)間變化。Terra衛(wèi)星的MODIS全球氣候網(wǎng)格模型產(chǎn)品(MOD10CM)提供了積雪月平均值,用于計(jì)算全球每個(gè)像元有雪覆蓋和無(wú)雪覆蓋的季節(jié)平均值[30]。該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為0.05?×0.05?,時(shí)間尺度為2001–2010年,為保證精度一致,將所得全球積雪覆蓋度的季節(jié)均值重采樣為0.25?×0.25?。在計(jì)算全球分光地表反照率時(shí),每個(gè)像元的積雪覆蓋度均由有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的2001–2010年的季節(jié)平均值表示,并將其應(yīng)用在所有歷史時(shí)段。MODIS(MCD43)提供了NIR、VIS、SW三種波段的白空和黑空反照率日均值[31,32],空間分辨率為1000 m。選取其中2010年的數(shù)據(jù),將其處理為全球?qū)嶋H分光反照率的季節(jié)平均值,作為與本研究所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證的基礎(chǔ)。以上數(shù)據(jù)的重采樣過(guò)程均采用雙線(xiàn)性?xún)?nèi)插法,即每個(gè)像元的輸出值均由其周?chē)?個(gè)鄰域像元通過(guò)距離加權(quán)平均而得。將以上不同空間分辨率下的數(shù)據(jù)重采樣為與土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)一致的精度,即0.25?×0.25?;此外,應(yīng)用于所有歷史時(shí)期的參數(shù)均采用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)整個(gè)時(shí)段的平均值。

表1 所用數(shù)據(jù)集Table 1 Datasets used in the study

土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于土地利用協(xié)調(diào)計(jì)劃(LUH2)[33,34],空間分辨率為0.25?×0.25?,時(shí)間尺度為850–2100年,分為歷史時(shí)期(850–2015年)和不同情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5)下的未來(lái)時(shí)期(2015–2100年)(https://luh.umd.edu)。該數(shù)據(jù)集提供了五種土地利用類(lèi)型,分別為初級(jí)土地、次級(jí)土地、牧場(chǎng)、城市和農(nóng)田。第六種土地利用類(lèi)型(水/冰)則由每個(gè)像元中統(tǒng)一的整體減去五種類(lèi)型之和所得,最后通過(guò)像元一對(duì)一或一對(duì)多映射得到IGBP類(lèi)別的土地利用類(lèi)型。其中,城市和農(nóng)田一對(duì)一映射到IGBP類(lèi)別下的城市和農(nóng)田類(lèi)型;初級(jí)和次級(jí)土地一對(duì)多映射到IGBP類(lèi)別下的所有森林、草原、荒原和灌木叢類(lèi)型;牧場(chǎng)一對(duì)多映射到IGBP類(lèi)別下的灌木叢、荒原和草原類(lèi)型;水/冰一對(duì)多映射到IGBP類(lèi)別下的水體、永久濕地和冰/雪類(lèi)型。但由于缺乏貧瘠地區(qū)的數(shù)據(jù),因此貧瘠地區(qū)數(shù)據(jù)采用MODIS提供的土地利用數(shù)據(jù)(MCD12C1),時(shí)間尺度為2001–2010年。首先提取2001–2010年間MCD12C1數(shù)據(jù)中IGBP分類(lèi)下的貧瘠類(lèi)型,然后將該類(lèi)型重采樣為0.25?×0.25?,接著得到所選時(shí)段的平均值,并將其作為L(zhǎng)UH2數(shù)據(jù)映射之后的IGBP類(lèi)別下的貧瘠類(lèi)型,最后再對(duì)不同時(shí)期的LUH2數(shù)據(jù)進(jìn)行像元映射,且假設(shè)該類(lèi)型在整個(gè)映射過(guò)程中不隨時(shí)間變化[4,25]。

1.2 方 法

散射比的季節(jié)平均值sm定義為各季節(jié)(m)總輻射和散射輻射的比值,其表達(dá)式為

式中m取值為1～4,分別對(duì)應(yīng)春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié);Fnddsf為到達(dá)地表的近紅外總輻射通量;Fvddsf為到達(dá)地表的可見(jiàn)光總輻射通量;Fnbdsf為到達(dá)地表的近紅外散射輻射通量;Fvbdsf為到達(dá)地表的可見(jiàn)光散射輻射通量。

在每個(gè)像元上,不同土地利用類(lèi)型的反照率季節(jié)平均值αl,m為

式中散射比季節(jié)平均值sm在各季節(jié)均為定值,不隨時(shí)間變化;αl,black為第l種土地利用類(lèi)型的黑空反照率季節(jié)平均值;αl,white為第l種土地利用類(lèi)型的白空反照率季節(jié)平均值。每個(gè)像元實(shí)際的反照率季節(jié)平均值αm的計(jì)算公式為

式中fl為第l種土地利用類(lèi)型所占比例,fc,m為各季節(jié)中有雪覆蓋(c=0)和無(wú)雪覆蓋(c=1)所占比例。對(duì)LUH2數(shù)據(jù)進(jìn)行像元之間的一對(duì)一和一對(duì)多映射得到全球不同區(qū)域IGBP分類(lèi)下的不同下墊面覆被類(lèi)型所占比例,結(jié)合由式(2)計(jì)算得到的全球不同網(wǎng)格點(diǎn)上17種下墊面覆被類(lèi)型的反照率值,再采用式(3)中的方法即可獲得全球不同像元實(shí)際的分光地表反照率值[4]。為了驗(yàn)證利用上述計(jì)算方法得到的實(shí)際分光地表反照率的精度,從其中獲取了2010年的季節(jié)平均值,并與MODIS(MCD43)提供的NIR、VIS、SW波段的黑空和白空反照率所得的地表反照率季節(jié)平均值進(jìn)行對(duì)比分析。

2 與MODIS的對(duì)比結(jié)果

利用上述方法得到了長(zhǎng)時(shí)期(1860–2015年)和(2015–2100年)的全球分光地表反照率數(shù)據(jù)集(本研究側(cè)重分析歷史數(shù)據(jù)集部分)。從中獲取了2010年全球分光地表反照率的季節(jié)平均值,其空間分布如圖1所示。由圖可知,在格陵蘭島和南極的冰雪覆蓋區(qū),反照率值在各季節(jié)均表現(xiàn)為可見(jiàn)光最大(春季最大達(dá)0.9603),近紅外最小(春季最大達(dá)0.6216),表明冰雪對(duì)可見(jiàn)光的反射能力比近紅外和短波更強(qiáng)[35]。在有植被覆蓋區(qū)域,各季節(jié)分光反照率均呈現(xiàn)出在近紅外波段最大,短波次之,可見(jiàn)光波段最小的特征,例如在春季,農(nóng)田反照率均值在近紅外最大達(dá)0.3860,短波最大為0.2817,可見(jiàn)光最大為0.1833。本研究得到的大部分土地利用類(lèi)型的分光地表反照率的變化趨勢(shì)與前人研究結(jié)果[36?39]是一致的。此外,圖1(b)中的南極洲冰雪覆蓋區(qū)和圖1(d)中北極圈內(nèi)的分光反照率均表現(xiàn)為大片的無(wú)值區(qū)。這是因?yàn)榈厍蛟趪@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)還圍繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn),且地球自轉(zhuǎn)軸是傾斜的;太陽(yáng)在夏季直射北半球,在冬季直射南半球,從而使得南、北極圈(66.5?)內(nèi)在夏、冬季出現(xiàn)極夜現(xiàn)象[40]。在沒(méi)有入射太陽(yáng)輻射的情況下,冰雪表面的反照率值為0。不同土地利用類(lèi)型的分光地表反照率值不同[4]。其中冰雪表面春季的分光反照率在近紅外最大值為0.6216,可見(jiàn)光最大值為0.9603,短波最大值為0.7907;而城市類(lèi)型在近紅外最大值為0.1956,可見(jiàn)光最大值為0.1261,短波最大值為0.1547。同一土地利用類(lèi)型的分光反照率也存在明顯的空間差異,例如冰雪表面的可見(jiàn)光反照率最大值為0.9603,最小值為2.775×10?4;草原類(lèi)型的可見(jiàn)光反照率最大值為0.4915,最小值為1.127×10?4;而貧瘠類(lèi)型在近紅外的最大值為0.5118,最小值為1.834×10?4。這是由于地表反照率會(huì)隨著太陽(yáng)高度角的增加而減小[41,42];且不同區(qū)域土地利用類(lèi)型的覆蓋度不同也會(huì)導(dǎo)致反照率值不同[43,44]。圖1還表明,對(duì)不同土地利用類(lèi)型的短波反照率而言,冰雪表面和水體主要來(lái)源于可見(jiàn)光反照率,而其余土地利用類(lèi)型則主要呈現(xiàn)為近紅外反照率貢獻(xiàn)[4]。

圖1 2010年全球地表在NIR、VIS、SW波段下的反照率季節(jié)平均值空間分布。(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.1 Spatial distribution of seasonal mean of global surface albedo in NIR,VIS and SW bands in 2010.(a)Spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

將上述結(jié)果與MODIS(MCD43)數(shù)據(jù)所得對(duì)應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,差別如圖2(LUH2結(jié)果與MODIS結(jié)果相減)所示。由圖可知,與MODIS相應(yīng)結(jié)果相比,可見(jiàn)光反照率在春季和冬季波動(dòng)最明顯,但其整體差異小于同季節(jié)的近紅外和短波。圖2(b)表明,90%以上區(qū)域的可見(jiàn)光反照率誤差在春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的主要變化范圍分別在 ?0.0120～0.0024、?0.0044～0.0029、?0.0075～0.0024和 ?0.0216～0.0023之間。夏季的分光反照率差異小于其余各季節(jié),其中近紅外反照率差異范圍主要為?0.0093～0.0060,可見(jiàn)光反照率差異主要在?0.0044～0.0029,短波反照率差異主要為?0.0082～0.0065。從上述差異結(jié)果來(lái)看,除了冰雪區(qū)域外,所有土地利用類(lèi)型區(qū)的可見(jiàn)光反照率差別主要位于?0.0081～0.0029,精度比較高。冰雪區(qū)域與MODIS觀(guān)測(cè)結(jié)果差別較大,差別最大的區(qū)域?yàn)槟?、北半球中高緯的冰雪覆蓋區(qū)。許多因素都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較大誤差:首先,衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)本身在高地表反照率地區(qū)存在很大不確定性[45];其次,LUH2數(shù)據(jù)中缺少水/冰這一土地利用類(lèi)型,而該類(lèi)型與其他五種土地利用類(lèi)型是相關(guān)的,會(huì)導(dǎo)致在像元一對(duì)多映射得到IGBP冰雪類(lèi)別的過(guò)程中產(chǎn)生誤差;MODIS(MOD10CM)積雪月平均數(shù)據(jù)的重采樣過(guò)程會(huì)使得部分區(qū)域的積雪覆蓋度出現(xiàn)誤差;LUMs反照率數(shù)據(jù)的平均處理過(guò)程也會(huì)影響不同土地利用類(lèi)型實(shí)際的分光反照率值;求解實(shí)際分光地表反照率的過(guò)程中未考慮太陽(yáng)高度角和輻射通量的變化;對(duì)MODIS(MCD43)提供的反照率日均值進(jìn)行季節(jié)平均和重采樣的處理過(guò)程也會(huì)使MODIS自身結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此,以下僅對(duì)精度高的區(qū)域分不同歷史時(shí)期進(jìn)行了結(jié)果分析。

圖2 2010年分光地表反照率季節(jié)平均值誤差。(a)近紅外;(b)可見(jiàn)光;(c)短波Fig.2 Seasonal mean error of global spectral surface albedo in 2010.(a)NIR;(b)VIS;(c)SW

3 結(jié)果與分析

通過(guò)季節(jié)平均值來(lái)分析全球分光地表反照率在不同時(shí)期(1860–1900年、1900–1950年、1950–1980年、1980–2000年、2000–2015年,各時(shí)間段的劃分主要根據(jù)地表受人類(lèi)活動(dòng)的影響程度)的季節(jié)變化特征。主要從中選取了反照率變化大的典型區(qū)域進(jìn)行分析,這些區(qū)域分別為中國(guó)東部(30?N～40?N,110?E～120?E)、歐洲東南部 (45?N～55?N,25?E～40?E)、美國(guó)中東部 (30?N～45?N,75?W～100?W)和巴西南部 (20?S～35?S,40?E～65?E)。首先,給出17種IGBP土地利用類(lèi)型在無(wú)雪條件下的可見(jiàn)光反照率季節(jié)平均值,如

表2所示。從表來(lái)看,冰雪、裸地和水體對(duì)可見(jiàn)光的反射能力明顯高于其他土地利用類(lèi)型,且其他土地利用類(lèi)型的可見(jiàn)光反照率均小于0.1。冰雪表面的可見(jiàn)光反照率呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,在冬季高達(dá)0.9231,春季低至0.5069;而其余土地利用類(lèi)型沒(méi)有明顯的季節(jié)變化。圖3給出了中國(guó)東部不同時(shí)期分光地表反照率的季節(jié)變化。從圖中可看出,自1860年以來(lái),中國(guó)東部地表反照率的變化趨勢(shì)在近紅外、可見(jiàn)光和短波波段變化趨勢(shì)一致,且同一分光地表反照率的季節(jié)變化趨勢(shì)也一致,因此,以春季為例來(lái)分析導(dǎo)致中國(guó)東部可見(jiàn)光反照率發(fā)生變化的主要土地利用類(lèi)型(表3)。圖3表明,1860–1900年間,中國(guó)東部分光地表反照率主要表現(xiàn)為增加的趨勢(shì),其中近紅外反照率在夏季變化最大,增值高達(dá)0.0490[圖3(b)],且整個(gè)區(qū)域的近紅外反照率平均值增加最大達(dá)0.0026;可見(jiàn)光反照率出現(xiàn)最大變化值的季節(jié)為冬季,最大增加值為0.0244[圖3(h)],最大降低值為0.0209;短波反照率增加最大達(dá)0.0337[圖3(j)],降低最大達(dá)0.0660。且從表3來(lái)看,在1860–1900年,可見(jiàn)光反照率發(fā)生變化主要來(lái)源于森林、草原、灌木叢和荒原類(lèi)型減少,城市和農(nóng)田類(lèi)型增多,其中減少的森林類(lèi)型主要為常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林和混交林。在1900–1980年,分光地表反照率呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢(shì)變化,近紅外降低值從0.0017變化為0.0058[圖3(a)];可見(jiàn)光降低值從0.0005變化為0.0015[圖3(e)];短波降低值從0.0011變化為0.0037[圖3(i)]。在該時(shí)期,城市和農(nóng)田持續(xù)增加,而森林和荒原類(lèi)型變化使區(qū)域可見(jiàn)光反照率先減小(分別為0.0036和0.0049)后增大(分別為0.0032和0.0014)。在1980–2000年,分光地表反照率主要表現(xiàn)為增加的趨勢(shì),近紅外增加值最大達(dá)0.0593[圖3(b)],可見(jiàn)光增加最大達(dá)0.0322[圖3(h)],短波增加最大達(dá)0.0469[圖3(j)]。其中農(nóng)田開(kāi)始減少,其余各類(lèi)土地利用增加。在2000–2015年,分光地表反照率區(qū)域平均值下降,近紅外反照率下降0.0065[圖3(d)],可見(jiàn)光反照率下降0.0020[圖3 h)],短波反照率下降0.0041[圖3(l)]。其中城市持續(xù)增加,農(nóng)田持續(xù)減少。

表2 17種土地利用類(lèi)型的可見(jiàn)光反照率季節(jié)平均值Table 2 Seasonal mean of VIS albedo for 17 land use types

表3 中國(guó)東部春季可見(jiàn)光反照率變化的主要土地利用類(lèi)型Table 3 Main land use types of VIS albedo change in Eastern China in spring

圖3 中國(guó)東部分光地表反照率在不同時(shí)期的季節(jié)變化。(a)-(d)NIR;(e)-(h)VIS;(i)-(l)SWFig.3 Seasonal variation of spectral surface albedo in eastern China in different periods.(a)-(d)NIR;(e)-(h)VIS;(i)-(l)SW

從中國(guó)東部結(jié)果來(lái)看,近紅外、短波反照率和可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期和各季節(jié)的變化特征趨勢(shì)一致,因此在分析其他典型區(qū)域時(shí)只選取可見(jiàn)光反照率進(jìn)行相應(yīng)的分析。歐洲東南部、美國(guó)中東部和巴西南部的可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期的變化分別由圖4、5、6給出,對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)е麓杭究梢?jiàn)光反照率區(qū)域平均值發(fā)生變化的主要土地利用類(lèi)型則由表4給出。由圖4可知,歐洲東南部的可見(jiàn)光反照率變化值在1860–1950年以增加為主,其中1860–1900年降低最大值可達(dá)0.0925[圖4(d)],而1900–1950間的變化波動(dòng)較小,整體最大增量達(dá)0.0136;不同區(qū)域反照率變化值在1950–1980年出現(xiàn)明顯差異,在圖4(d)中差異最大,其中最大增加值為0.1231,最大降低值為0.0400;1980–2000年間地表可見(jiàn)光反照率變化波動(dòng)最小,主要表現(xiàn)為降低,最大降低值為0.0246;到2015年,反照率變化波動(dòng)幅度變大,主要表現(xiàn)為可見(jiàn)光反照率增加,最大增加值為0.0338。圖5表明,美國(guó)中東部在1860–1900年間不同區(qū)域的可見(jiàn)光反照率變化波動(dòng)范圍最大,在圖5(d)中變化最明顯,最大增加值達(dá)0.1899,最大降低值為0.1161;1900–1980年間,可見(jiàn)光反照率變化值的波動(dòng)范圍逐漸減小,表明在該時(shí)間段內(nèi)的反照率變化逐漸減小,其中最大增加值從0.1374減小到0.0295[圖5(d)],最大降低值從0.0503[圖5(d)]減小到0.0274[圖5(b)];從1980年開(kāi)始反照率變化范圍逐漸增大,主要呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),整個(gè)區(qū)域反照率平均值減小量從0.0018(1980–2000年)增加到0.0041(2000–2015年)。從圖6可以看出,巴西南部各時(shí)期的地表可見(jiàn)光反照率變化范圍大,主要呈現(xiàn)出逐步減小的變化趨勢(shì),平均減小量在 1860–1900 年為 0.0002[圖 6(a)],在 1900–1950 年為 0.0009[圖 6(d)],在 1950–1980 年為 0.0012[圖 6(d)],在1980–2000年為0.0010[圖6(b)],在2000–2015年為0.0005[圖6(a)];其中可見(jiàn)光反照率在1900–1950年間變化波動(dòng)最大,最大增加值為0.0592[圖6(c)],最大降低值為0.0522[圖6(b)]。結(jié)合表3和表4來(lái)看,自工業(yè)革命以來(lái),所有典型區(qū)域的城市類(lèi)型均呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)。在1860–1980年,中國(guó)東部、歐洲東南部和美國(guó)中東部的耕地所占比例逐步上升;典型草原和灌木類(lèi)型持續(xù)減少。1950–1980年間,自然植被和荒原類(lèi)型在中國(guó)東部和美國(guó)中東部開(kāi)始增多;而在歐洲東南部則持續(xù)下降。在1980–2015年,中國(guó)東部、歐洲東南部和美國(guó)中東部均表現(xiàn)為耕地向其余土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化的變化趨勢(shì)。表4還表明,自1860年以來(lái),巴西南部的城市建成區(qū)和耕地類(lèi)型呈現(xiàn)出逐年增加的變化趨勢(shì);而其余各類(lèi)土地利用類(lèi)型則表現(xiàn)為逐年減少的變化趨勢(shì)。這表明,自工業(yè)革命以來(lái),人類(lèi)活動(dòng)影響導(dǎo)致巴西南部地表土地利用發(fā)生變化,主要表現(xiàn)為自然植被轉(zhuǎn)化為城市建成區(qū)和耕地。

圖4 歐洲東南部可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期的季節(jié)變化。(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.4 Seasonal variation of VIS albedo in southeast Europe in different periods.(a)Spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

圖5 美國(guó)中東部可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期的季節(jié)變化。(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.5 Seasonal variation of VIS albedo in mid-east United States in different periods.(a)Spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

表4 不同地區(qū)春季可見(jiàn)光反照率區(qū)域變化的主要土地利用類(lèi)型Table 4 Main land use types of regional variation of VIS albedo in different regions in spring

圖6 巴西南部可見(jiàn)光反照率在不同時(shí)期的季節(jié)變化。(a)春季;(b)夏季;(c)秋季;(d)冬季Fig.6 Seasonal variation of VIS albedo in southern Brazil in different periods.(a)Spring;(b)summer;(c)autumn;(d)winter

4 結(jié)論

利用LUH2數(shù)據(jù)估測(cè)得到了長(zhǎng)時(shí)期(850–2100年)的全球分光地表反照率數(shù)據(jù)集。通過(guò)比較由上述估測(cè)方法得到的2010年的結(jié)果與MODIS(MCD43)相應(yīng)產(chǎn)品的差別來(lái)檢驗(yàn)本數(shù)據(jù)集的精度。在此基礎(chǔ)上,利用所得的歷史數(shù)據(jù)集(850–2015年),通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)存在分光地表反照率變化大的典型區(qū)域,并研究了這些地區(qū)不同土地利用類(lèi)型的分光反照率季節(jié)均值的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律。主要結(jié)論為:

1)冰雪覆蓋類(lèi)型對(duì)可見(jiàn)光的反射能力最強(qiáng)。例如在春季,冰雪表面可見(jiàn)光反照率可達(dá)0.9603,短波次之可達(dá)0.7907,近紅外最小為0.6212。不同土地利用類(lèi)型的分光地表反照率不同。例如,對(duì)春季可見(jiàn)光反照率而言,混交林為0.0444;典型草原為0.0983;耕地為0.0770;城市建成區(qū)為0.0870;水體為0.3270;冰雪為0.5069。而同一土地利用類(lèi)型的分光反照率季節(jié)平均值也存在明顯的空間差異性。例如,耕地類(lèi)型的可見(jiàn)光反照率最大可達(dá)0.1833,最小為1.263×10?4;其空間差異性主要依賴(lài)于太陽(yáng)高度角和下墊面的植被分布狀況以及覆蓋度。

2)在1860–1900年,中國(guó)東部、歐洲東南部和美國(guó)中東部的可見(jiàn)光反照率均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。其中,在中國(guó)東部最大增量為0.0244;在歐洲東南部最大增量為0.0515;在美國(guó)中東部區(qū)域變化最明顯(?0.1161～0.1899)。各區(qū)域土地利用變化主要表現(xiàn)為自然植被向城市建成區(qū)和耕地轉(zhuǎn)化。在1900–1950年和1950–1980年,可見(jiàn)光反照率在歐洲東南部增加;在中國(guó)東部和美國(guó)中東部均減小。其中,可見(jiàn)光反照率在歐洲東南部變化最明顯的時(shí)期為1950–1980年(?0.0400～0.1231),土地利用類(lèi)型變化為自然植被持續(xù)減少,城市建成區(qū)和耕地持續(xù)增加。在1980–2000年,可見(jiàn)光反照率在中國(guó)東部增加(平均增量為0.0086),在歐洲東南部和美國(guó)中東部均降低。其中,在歐洲東南部降低最明顯,區(qū)域平均降低值為0.0053,主要來(lái)源于耕地類(lèi)型的減少。在2000–2015年,可見(jiàn)光反照率在歐洲東南部增加(平均增量為0.0005),主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)化為城市建成區(qū)和自然植被。

3)對(duì)巴西南部而言,從1860年起,可見(jiàn)光反照率呈現(xiàn)出持續(xù)下降的變化趨勢(shì)。反照率變化波動(dòng)范圍最大的時(shí)期為1900–1950年(?0.0522～0.0592)。其中,森林類(lèi)型使可見(jiàn)光反照率減小最明顯,為0.0121,城市增加使反照率增大為0.0065。在整個(gè)研究時(shí)期內(nèi),巴西南部的地表土地利用類(lèi)型主要表現(xiàn)為城市建成區(qū)和耕地持續(xù)性增加,自然植被逐年減少的變化趨勢(shì)。