2000-2020年MODIS中國積雪物候數(shù)據(jù)集

趙琴，郝曉華，王建，孫興亮，李弘毅

1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

2.中國科學院大學，北京 100049

3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023

4.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，蘭州 730070

引 言

積雪是冰凍圈重要的組成部分之一[1-2]。由于積雪對環(huán)境變化的敏感性和快速顯著特性，被認為是氣候變化的指示器[3]。積雪物候參數(shù)（Snow Cover Phenology，SCP）是全球能量平衡、氣候、水文以及生態(tài)模型等的重要輸入?yún)?shù)[4]。適量積雪可在冬季幫助植物越冬，春季融雪水緩解旱春，對大氣環(huán)流和地表能量平衡等產(chǎn)生顯著的影響；過量的積雪也會對區(qū)域農(nóng)牧業(yè)等產(chǎn)生負面影響，甚至危害生命[5-6]。積雪這種每年增加和消融的周期性變化規(guī)律以及年際間的變化通過表面能量收支平衡對氣候系統(tǒng)、碳匯水平、生態(tài)環(huán)境、能量交換、人文經(jīng)濟等產(chǎn)生直接或間接的影響[7-10]。因此準確識別地表積雪信息、探究積雪物候變化對全球生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化具有重大意義。我國疆域遼闊，是中低緯度地區(qū)積雪分布最為廣泛的國家，主要積雪區(qū)分布在東北-內(nèi)蒙古地區(qū)、北疆地區(qū)和青藏高原地區(qū)，因此對中國積雪的時空分布及動態(tài)變化研究具有重要的現(xiàn)實意義[11]。

積雪參數(shù)獲取主要包括常規(guī)地面臺站觀測和衛(wèi)星遙感兩種技術(shù)手段[12]。傳統(tǒng)監(jiān)測積雪范圍的方法主要依靠氣象臺站人工測量，但是地面臺站存在空間連續(xù)性差的缺點，不具有區(qū)域積雪空間分布的代表性[13]。遙感由于其快速、全天時、全天候周期性觀測的特點彌補了這個缺點，被廣泛應用在積雪各參數(shù)反演中，微波雪水當量產(chǎn)品雖然覆蓋時間長[14]，但是空間分辨率較低。目前可用的長時間序列時空分辨率較高的積雪范圍產(chǎn)品主要是 MODIS相關(guān)積雪產(chǎn)品。HAO等[15-17]人生產(chǎn)的中國MODIS逐日無云 500 m積雪面積數(shù)據(jù)集(NIEER-CGF-MODIS-SCE datasets )比現(xiàn)有的質(zhì)量較好的MOD10A1F產(chǎn)品的總體精度（OA）提升了近4個百分點，漏分誤差（OE）從11.04%下降到8.43%，錯分誤差（CE）從13.26%下降到9.83%；相對于更差的標準產(chǎn)品MYD10A1F，OA甚至提高了近9個百分點，OE從21.07%下降到8.25%，CE從14.47%下降到9.83%；且在森林區(qū)雪判別能力上也得到了顯著改善，OA增加，OE、CE明顯降低。

因此本文使用精度較高的國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)發(fā)布的中國 MODIS逐日無云500 m積雪面積數(shù)據(jù)集[16]，按照積雪物候各參數(shù)積雪日數(shù)（Snow cover days, SCD）、積雪初日（Start of snow cover,SCS）、積雪終日（Melt of snow cover days，SCM）相應定義，制備了2000-2020年MODIS中國積雪物候數(shù)據(jù)集，并用地面臺站數(shù)據(jù)進行精度驗證，以期能夠為積雪的深入研究與準確分析、動物保護、氣候預測、農(nóng)業(yè)水資源利用、洪水、雪災預警等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)收集和處理方法

1.1 源數(shù)據(jù)

本研究使用的積雪面積數(shù)據(jù)為來自國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)的中國MODIS逐日無云500 m積雪面積數(shù)據(jù)集[16]。該產(chǎn)品根據(jù)高空間分辨率的無云Landsat-5 TM/Landsat8 OLI影像，在中國的林區(qū)和非林區(qū)分別改進MODIS產(chǎn)品標準的積雪提取算法，并使用隱馬爾可夫時空建模和微波雪深數(shù)據(jù)插值兩步去云，并結(jié)合溫度數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)制備的2000-2020年中國長時間序列逐日無云積雪面積產(chǎn)品（分辨率為500 m），包含4種數(shù)據(jù)分類，MODIS逐日無云積雪面積數(shù)據(jù)集詳細信息如表1所示。

用于驗證的雪深數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）的2000-2020年地面氣候積雪資料日值數(shù)據(jù)集。記錄數(shù)據(jù)主要包括氣象臺站區(qū)號、經(jīng)緯度、海拔、年月日以及雪深、平均氣溫、雪壓、平均風速以及最大風速風向等信息。

表1 MODIS逐日無云積雪面積產(chǎn)品詳細信息Table 1 NIEER-CGF-MODIS-SCE dataset details

1.2 處理方法

1.2.1 積雪物候參數(shù)定義

水文年定義為每年的9月1日到次年的8月31日，將原數(shù)據(jù)重分類成有雪無雪二值產(chǎn)品。

積雪日數(shù)（SCD）定義為一個水文年上觀測到積雪的天數(shù)之和，如式（1）：

其中，i表示水文年中從9月1日起的第i天，n為一個水文年的總天數(shù)，范圍為0-365或366，t表示柵格像元值，t= 0表示無雪，t= 1表示有雪；

積雪初日（SCS）定義為一個水文年中第一次出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的首日對應日期，即像元如果滿足公式（2）：

則可得到：

即該像元的積雪初日為從水文年9月1日起的第s天，其中，s表示水文年中從9月1日起的第s天。若存在不滿足公式（2）的像元，則該像元為0，因此SCS范圍為0-365/366。

積雪終日定義為一個水文年中最后出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的終日對應日期[18]，即像元如果滿足公式（4）：

則可得到：

即該像元的積雪終日為從水文年9月1日起的第n-m天，其中m為一個水文年中倒著數(shù)的第m天，n為全年天數(shù)，為365/366。若存在不滿足公式（2）的像元，則該像元為0，因此SCM范圍為0-365/366。

1.2.2 計算流程

積雪物候參數(shù)計算流程如圖1所示。首先對積雪面積產(chǎn)品重分類為積雪、非積雪像元，參考表1中的MODIS逐日無云積雪面積產(chǎn)品詳細信息，將產(chǎn)品的有雪像元賦為1，無雪像元賦值0；然后按照上述積雪物候參數(shù)的定義逐水文年逐像元計算中國2000-2020年積雪日數(shù)、積雪初日、積雪終日，再添加水體掩膜，即可得到2000-2020年MODIS中國積雪物候數(shù)據(jù)集。利用逐日無云MODIS積雪面積產(chǎn)品作為輸入值，第一步對產(chǎn)品進行預處理，將產(chǎn)品的有雪柵格值（t）賦為 1，無雪柵格值賦為0，獲取二值積雪產(chǎn)品（有雪/非積雪）；第二步根據(jù)1.2.1中的公式，計算每一個水文年的中國積雪日數(shù)、積雪初日和積雪終日。

圖1 積雪物候數(shù)據(jù)集制備流程示意圖Figure 1 Schematic of producing the dataset of snow phenology

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2000-2020年MODIS中國積雪物候數(shù)據(jù)集按照不同的物候參數(shù)共分為3個目錄，分別命名為積雪日數(shù)、積雪初日和積雪終日。每個目錄下包含20個子文件，為20個水文年對應的積雪物候參數(shù)。目錄命名規(guī)則為2000-2020年中國XXXX數(shù)據(jù)集，其中XXXX表示積雪物候參數(shù)積雪日數(shù)、積雪初日、積雪終日；子文件命名規(guī)則為NIEER_MODIS_TTT_500m_YYYY-YYYY.tif，其中NIEER表示中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，MODIS表示中分辨率成像光譜儀，TTT表示不同的積雪物候參數(shù)（SCD為積雪日數(shù)，SCS為積雪初日，SCM為積雪終日），YYYY-YYYY表示水文年，例如2001-2002。中國積雪物候產(chǎn)品波段信息如表2所示，積雪物候參數(shù)取值范圍均為0-365或366，無效值為-1，水體為-255。其中積雪初日、終日0值為不討論區(qū)，其數(shù)值代表從每年9月1日開始第n天（nth）代表的日期。圖2-4是以2001-2002水文年為例的產(chǎn)品示意圖，分別表示積雪日數(shù)、積雪初日和積雪終日。

表2 中國積雪物候產(chǎn)品詳細信息Table 2 Details of Chinese snow phenology dataset

圖2 中國積雪日數(shù)產(chǎn)品示意圖（審圖號：GS(2022)747號）Figure 2 Schematic of Chinese SCD dataset

圖3 中國積雪初日產(chǎn)品示意圖（審圖號：GS(2022)747號）Figure 3 Schematic of Chinese SCS dataset

圖4 中國積雪終日產(chǎn)品示意圖（審圖號：GS(2022)747號）Figure 4 Schematic of Chinese SCM dataset

3 數(shù)據(jù)驗證與評估

本積雪物候參數(shù)數(shù)據(jù)集是基于積雪物候定義計算的遙感產(chǎn)品。為了保證結(jié)果的可靠性，使用站點實測雪深數(shù)據(jù)對積雪物候產(chǎn)品進行精度驗證。站點篩選原則：不考慮整個積雪期間積雪天數(shù)<20天的站點，共篩選出362個站點，主要分布在三大積雪區(qū)。通過比較站點雪深計算的積雪物候與相應位置的本遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的積雪物候參數(shù)值，通過部分指標評價其精度。本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)評估指標包括相關(guān)系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對誤差（MAE）進行數(shù)據(jù)集驗證與評估。站點雪深>2 cm則認為有雪，去除站點水文年存在nodata值的數(shù)據(jù)后站點雪深物候參數(shù)與本遙感數(shù)據(jù)集參數(shù)分布如圖5所示?？芍鐖D5（a）積雪日數(shù)的R2為0.94、RMSE為12.09天，MAE為7.60天；如圖5（b）積雪初日的R2為0.79、RMSE為12.24天，MAE為4.6天；如圖5（c）積雪終日的R2為0.56、RMSE為19.89天，MAE為7.74天，精度可靠。

圖5 積雪物候站點數(shù)據(jù)驗證圖Figure 5 Site verification diagram of snow phenology

4 數(shù)據(jù)價值

積雪是冰凍圈的重要組成部分，被認為是氣候變化的指示器。近年來由于氣溫升高[19]，積雪發(fā)生顯著變化，由于其高短波反射率、低長波發(fā)射率和高相變潛熱的特性，可能會影響表輻射收支、大氣與地表之間的能量和水分交換，而且積雪還是干旱半干旱地區(qū)重要的淡水補給源，因而探究積雪物候變化受到眾多學者關(guān)注。本數(shù)據(jù)集使用現(xiàn)有精度較高的中國MODIS逐日無云500 m積雪面積產(chǎn)品數(shù)據(jù)集作為基礎(chǔ)資料，計算了逐年的積雪物候參數(shù)，并使用地面站點進行驗證，精度相對較高，可用于表征中國積雪時空分布及變化規(guī)律，可為中國境內(nèi)各區(qū)域氣候系統(tǒng)、碳匯水平、生態(tài)環(huán)境、能量交換、人文經(jīng)濟等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

2000-2020年 MODIS中國積雪物候數(shù)據(jù)集可從國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)下載使用。本數(shù)據(jù)文件均為GeoTIFF格式，可以通過GIS與遙感相關(guān)軟件如ENVI、GRASS、ArcGIS等直接進行查看與應用，或者使用編程語言等相應的軟件進行編譯讀取、計算分析等。對多年數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，可以得到區(qū)域2000-2020年中國積雪物候區(qū)域時空分布及變化趨勢，可結(jié)合區(qū)域氣象因素、人類活動等進行區(qū)域積雪變化的驅(qū)動力分析，以期為生產(chǎn)及災害預警等提供信息服務。

致 謝

感謝國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心提供的2000-2020年積雪面積500 m逐日無云產(chǎn)品，感謝中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的地面氣候積雪資料日值數(shù)據(jù)集。