中国地区三种地表反照率产品比较

唐晨凯 曾燕 施国萍 徐金勤

(1 南京信息工程大学 应用气象学院，南京 210044；2 中国气象局交通气象重点开放实验室，南京210019； 3 江苏省气象科学研究所，南京 210019；4 南京气象科技创新研究院，南京 210019；5 南京信息工程大学 地理科学学院，南京 210044)

引 言

地表反照率被定义为地球表面所反射的太阳辐射与入射太阳辐射的比值[1]，在陆面能量平衡、天气预报和气候变化等研究中广泛应用[2-6]。

目前可以通过多种方法获得地表反照率数据。在这些方法中，通过对地面站点观测得到的辐射资料进行计算得到地表反照率是最直接、原始的方法[7]。由于辐射观测站点数量较少、分布密度低，再加上下垫面等因素的影响，该方法难以获得空间上连续的地表反照率[8]。随着遥感技术的快速发展，遥感产品时空分辨率逐步提高，覆盖范围持续增加，产品的质量也得到认可，遥感产品已经成为获得地表反照率的重要途径[9-10]。尤其在具有复杂地形、地表形态变化频繁且观测站稀少的地区，遥感反演更是获得地表反照率的最佳方法。目前，已有多种遥感卫星地表反照率产品，如：美国国家航空航天局NASA的MODIS[11]、美国国家海洋和大气管理局NOAA的AVHRR[12]、法国国家宇航局的POLDER、欧洲气象卫星开发组织的Meteosat[13]、欧洲航天局的GlobAlbedo[14]、中国北京师范大学等单位研发的GLASS[15]。同被大量使用的地面站点观测数据和卫星遥感产品相比，再分析资料的地表反照率产品具有较长的时间序列的特征。但是，再分析资料由于其数据类型、同化方案的不同，其精度仍亟待验证分析[16]。目前，直接提供地表反照率的再分析资料有欧洲中期天气预报中心ECMWF的ERA-Interim产品，其他产品如美国国家环境中心NCEP再分析资料只能提供再分析辐射数据，需要对短波辐射资料进行计算获得地表反照率[17]。

近年来，国内外已有不少关于地表反照率产品的研究，如：Taberner， et al[18]将MODIS提供的白空反照率与MISR生成的相似产品进行比较，得出两个数据具有非常好的统计一致性。廖瑶等[19]对MODIS、MISR、POLDER 3种地表反照率的黑空地表反照率在全球范围内进行比较，得出3种产品表现比较相似，彼此之间相关性较高。Hautecoeur， et al[20]使用数值天气预报模型和MODIS的地表反照率产品对POLDER地表反照率产品的可靠性进行验证，结果表明POLDER在一定的精度范围内质量可靠。李雨鸿等[21]使用WRF模式进行试验，发现MODIS反照率产品替换WRF模式中原有反照率可以使模拟的气温精度提高。冯智明等[22]针对MODIS的V005和V006新老版本的地表反照率产品，使用FLUXNET站点数据进行验证，比较了两个版本的精度差异。陈爱军等[23]应用MODIS地表反照率反演质量数据，统计分析了中国区域的地表反照率反演质量的时空分布特征。

由于GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率产品的相关研究较少，本文将对这两种地表反照率产品与主流的MODIS地表反照率产品在2007—2011年中国区域的表现进行研究，分析不同产品之间在时空分布上的差异与相关性，以此深入认识不同地表反照率产品的差异，促进地表反照率产品在地气系统研究中的应用。

1 数据与研究方法

1.1 数据来源

MODIS是美国国家航空航天局NASA的地球观测系统EOS系列卫星上装载的大型空间遥感仪器。其全球地表反照率产品数据集编号为MCD43，使用Terra和Aqua两颗卫星的数据生成该系列产品，采用正弦投影和等经纬度投影两种方式[24]。本文选用2007—2011年的MCD43A3产品的短波波段的数据，空间分辨率为500 m，时间分辨率为每天，采用正弦投影。该数据是由美国国家航空航天局NASA的陆地分布式活动档案中心LP DAAC提供(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)。

GlobAlbedo是由欧洲航天局ESA提供的全球地表反照率产品，以正弦投影和等经纬度投影两种方式提供可见光、近红外和短波等多种波段的方向性半球反照率DHR和双半球反照率BHR。此外，该产品还包括正午太阳天顶角等数据[25]。本文选用2007—2011年短波波段的产品，时间分辨率为1 mon，空间分辨率为0.05°。该数据由欧洲航天局ESA地球观测网络计划EOEP提供(http:∥www.globalbedo.org)。

ERA-Interim是欧洲中期天气预报中心提供的地表反照率产品。ERA-Interim应用四维变分同化的大气分析，提供每天4次同化分析数据[26]。本文采用2007—2011年分辨率为0.125°的地表反照率数据。该数据由欧洲中期天气预报中心提供(https:∥www.ecmwf.int)。

MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim 3种地表反照率产品的时空分辨率均不相同，为了分析3种产品之间的异同，首先把2007—2011年的3种数据的时间分辨率统一到与GlobAlbedo产品相同的月尺度，其中MODIS产品直接由每日数据计算得到月平均数据，ERA-Interim产品先将每天四次数据处理为日平均地表反照率再计算得到月平均数据，最后通过重采样将3种产品的空间分辨率统一为5 km。

地面观测数据选用由国家气象信息中心提供的中国辐射日值数据集，该数据集涵盖全国范围内122个台站的各项辐射日值资料，数据均受过质量控制。从数据集中筛选出提供有效的反射辐射日总量和总辐射日总量的16个站点，站点具体地理位置见表1。

表1 16个气象辐射观测台站信息Table 1 Meteorological radiation observation station information

1.2 研究方法

1.2.1 遥感产品真实地表反照率计算

MODIS地表反照率产品MCD43A3提供短波黑空反照率(Black-Sky Albedo，BSA)、白空反照率(White-Sky Albedo，WSA)。BSA是太阳辐射满足完全直射条件下的地表反照率， WSA是太阳辐射满足完全漫射条件下的地表反照率。真实的地表反照率需要根据实际天空漫射光比例，由黑空反照率、白空反照率两者线性加权获得[27]：

α=αWSA×r+αBSA×(1-r)，

(1)

其中：α是真实的地表反照率；αWSA是白空反照率；αBSA是黑空反照率；r是实际天空漫射光比例。

GlobAlbedo地表反照率产品提供的双半球反照率和方向性半球反照率分别与黑空反照率、白空反照率具有同样的物理意义[28]，所以采用同样的方法计算得到GlobAlbedo的真实地表反照率。天空漫射光比例r，可以由晴空条件的经验统计关系得到[29]：

r=0.122+0.85×exp(-0.48cosθ),

(2)

其中：θ为正午太阳天顶角；cosθ是正午太阳天顶角余弦。MCD43A3计算所需的正午太阳天顶角θ可由MCD43A2数据集获得。

1.2.2 地面观测数据处理

以每日反射辐射日总量与每日总辐射日总量之比计算每日地表反照率：

(3)

其中：αs为站点观测的每日地表反照率；RADF为每日反射辐射日总量；RADG为每日总辐射日总量。得到每日地表反照率后，再通过计算得到月平均地表反照率。

1.2.3 相关性计算

采用皮尔逊(Pearson)相关系数对MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim 3种地表反照率产品在年尺度和月尺度上的相关性进行分析：

(4)

其中：P是相关系数；X、Y是进行相关分析的两种产品对应像元数据；N为产品数据的像元数量。

2 结果与分析

2.1 精度分析

图1 2007—2011年气象站与MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim月平均地表反照率Fig.1 Monthly mean surface albedo of stations and MODIS， GlobAlbedo， ERA-Interim from 2007 to 2011

图1是2007—2011年16个气象站点的地表反照率月平均值与对应像元的MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率产品的月平均值的对比。可以看出，3种产品的地表反照率与气象站的观测结果在图1a中的变化特征基本一致，表现为冬半年高、夏半年低，其中ERA-Interim变化的幅度明显小于站点观测值和另外两种产品。从数值上看，站点观测值获得的地表反照率高于3种地表反照率产品：与MODIS平均绝对误差最高的是11月的6.31%，最低则是4月的2.70%；与GlobAlbedo平均绝对误差最高的是12月的5.45%，最低为4月的2.27%；与ERA-Interim的平均绝对误差最高的为1月的10.14%，最低为4月的0.70%。 另外，MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率产品与站点观测值的相关性表现也不错，相关系数分别为0.943、0.970、0.846。

表2为2007—2011年16个气象站与MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim 3种产品年平均地表反照率的绝对差值。可以看出，MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim 3种产品与气象站的地表反照率绝对差值均在2007年最小，分别为3.80%、3.34%和2.66%；除2009、2010年，ERA-Interim与站点平均绝对误差最小，GlobAlbedo次之，MODIS绝对误差最大。

表2 气象站与MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim年平均地表反照率绝对差值Table 2 Absolute difference of the annual mean surface albedobetween the stations and MODIS， GlobAlbedo,ERA-Interim %

综上，MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率产品与站点观测值的变化趋势基本一致、相关性较好，但是在数值上具有一定的差异。结合相关性与差异性，GlobAlbedo对气象站观测值的反演效果最好。

2.2 差异性分析

2.2.1 月尺度差异性分析

从表3可以看出：3种产品的绝对差值在月尺度下差异最小的是MODIS与GlobAlbedo，平均绝对差值为3.65%；其次是MODIS与ERA-Interim，平均绝对差值为6.17%；最大的是GlobAlbedo与ERA-Interim，平均绝对差值为6.55%。总体来看，3种产品的差异随时间的变化趋一致，表现为冬半年差异大，夏半年差异小。 1、2月3种产品的平均绝对差值均达到最大，MODIS与GlobAlbedo的平均绝对差值超过5%，ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo的平均绝对差值均超过10%。而7、8月，MODIS与GlobAlbedo的平均绝对差异则小于2%，ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo的平均绝对差异分别小于3.4%和3.2%。造成这一现象的原因为地表反照率的变化与土地覆被和积雪关系密切[30-31]，在有降雪的冬季，3种产品对积雪敏感程度的不同导致有较大的数值差异产生，而进入夏季，地表反照率整体下降，3种产品在数值上均达到低值，彼此之间的差异不再明显。

表3 2007—2011年MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率月平均绝对差值Table 3 Monthly average absolute difference in surface albedoof MODIS， GlobAlbedo and ERA-Interim from 2007 to 2011 %

2.2.2 年尺度差异性分析

图2 MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim之间地表反照率5 a年平均绝对差值的空间分布Fig.2 Spatial distribution of annual absolute difference of MODIS，GlobAlbedo and ERA-Interim surface albedo

图2a是MODIS与GlobAlbedo地表反照率5 a年平均值(2007—2011年)的绝对差值。可以看出，两者差异规律性比较明显，胡焕庸线以东地区，两者差异较小，基本低于5%，胡焕庸线以西地区，两者差异偏大，受地形影响明显，差异高值超过10%。图2b为MODIS与ERA-Interim地表反照率5 a年平均值的绝对差值，可以看出MODIS与ERA-Interim的差异显著大于与GlobAlbedo的差异，具有显著差异的地区有呼伦贝尔高原、大兴安岭西侧的内蒙古高原、松嫩平原、三江平原、阿尔泰山、准格尔盆地、天山和念青唐古拉山等地区，

表4 2007—2011年MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率年平均绝对差值Table 4 Average annual absolute difference in surface albedoof MODIS， GlobAlbedo and ERA-Interim from 2007 to 2011 %

其中呼伦贝尔高原是绝对差值超过20%面积最大的区域。图2c是GlobAlbedo与ERA-Interim地表反照率数据5 a平均值的绝对差值，其分布情况与MODIS与ERA-Interim相似，但不同的是在昆仑山、念青唐古拉山具有显著差异的区域有所增加，同时在云南、贵州、广西、广东和福建等省份，ERA-interim与GlobAlbedo的差异小于与MODIS的差异。结果表明，3种产品在年尺度上的主要差异出现在110°E以西的山地地区，其中ERA-Interim与另外两种产品还在东北50°N左右的平原地区具有显著差异。

从表4可以看出，2007—2011年每年3种产品的年平均值的绝对差值统计，MODIS与GlobAlbedo的平均绝对差值为4.49%，而ERA-Interim与另外两种产品有较大差异，与MODIS的平均绝对差值达到了5.94%，与GlobAlbedo的平均绝对差值则达到了5.67%。根据气候模式的需求，地表反照率的精度应达到2%～5%，ERA-Interim与另外两种产品的差异超过了5%，MODIS与GlobAlbedo的差则符合这一标准，说明两种产品的差异较小。

2.3 相关性分析

为直观地表现MODIS、GlobAlbedo和ERA-Interim地表反照率数据产品彼此之间的相关性，对重采样后5 km空间分辨率的3种数据产品，使用皮尔逊相关系数分别就月尺度和年尺度对3种产品之间进行相关性分析。

2.3.1 月尺度相关性分析

图3 MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim月平均地表反照率相关系数Fig.3 Monthly average surface albedo correlation coefficientof MODIS， GlobAlbedo， ERA-Interim

图3是3种地表反照率产品2007—2011年月相关系数变化。从图3a可以看出，MODIS与GlobAlbedo的相关性较高，平均相关系数为0.73，表现出冬半年相关性较高、夏半年相关性低，在2010年6月相关系数最低，为0.63，相关系数最高值出现在2010年3月，为0.83，这与此前的差值分析有出入，这是因为：冬季由于积雪的存在，地表反照率高，MODIS、GlobAlbedo产品间的差异也相应增大，但同时地表反照率随纬度、海拔高度的变化的规律性也变得显著，使两种产品之间的相关性增高；夏季积雪消融、植被生长，地表反照率低，两种产品的差异随之减小，同时地表反照率空间分布的规律性较冬季不再显著，使得两种产品的相关性降低。从图3b、c可以看出，ERA-Interim与另外两种产品相关性普遍较低，与MODIS的平均相关系数为0.44，与GlobAlbedo的平均相关系数为0.50，夏半年4—9月相关性相对较高，冬半年1—3月、11—12月相关性较低。同MODIS与GlobAlbedo之间相关性在1 a中的变化相比，ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo产品的相关性在1 a中的变化规律完全相反，有必要讨论ERA-interim与MODIS、GlobAlbedo产生差异的原因。

图4 MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率月均值相关系数的空间分布Fig.4 Spatial distribution of monthly correlation coefficients ofMODIS， GlobAlbedo and ERA-Interim surface albedo

图4为3种产品月平均值之间的相关系数空间分布。从图4a可以看出，MODIS与GlobAlbedo呈现高相关性的地区主要在35°N以北，随着纬度下降，两种产品的相关性逐步下降，相关性较弱的地区主要位于天山南麓的塔里木盆地、川藏滇交界的横断山脉、四川盆地和江苏中部。从图4b可以看出，ERA-interim与MODIS在40°N以北大部分地区相关性较高，相关系数多为0.6～0.8、0.8～1区间，在天山、昆仑山、冈底斯山北部、两湖平原、黄淮平原、江西、江苏中部等地区相关性较弱，相关系数大多低于0.4。从图4c可以看出，ERA-interim同GlobAlbedo的相关性与其和MODIS的相关性在空间分布上具有相似性，但在乌蒙山、四川盆地、陕南秦岭地区，ERA-Interim与GlobAlbedo的相关系数多为0～0.4， ERA-interim与MODIS在同一地区的相关系数则多高于0.4。而在黄淮平原，ERA-Interim与GlobAlbedo的相关系数主要为0.4～0.6，该地区ERA-Interim与MODIS的相关系数则以0～0.2为主。综上，在空间上，3种产品的相关性在40°N以北区域总体呈现较高的相关性，伴随纬度的降低，3种产品之间的相关性开始出现下降。

2.3.2 年尺度相关性分析

表5为3种产品年均值之间的相关系数，可以看出，MODIS与GlobAlbedo相关性最高，平均相关系数达到0.765 5。而ERA-Interim与另外两种产品的相关系数则较低，与MODIS的平均相关系数为0.471 3，与GlobAlbedo的平均相关系数则为0.524 3。对照前文分析可知，MODIS与GlobAlbedo产品的平均绝对差异也是3种产品之中最小的，ERA-Interim同MODIS、GlobAlbedo的平均绝对差异均较高，说明两种遥感产品之间的相关性要好于与再分析产品ERA-Interim的相关性。

表5 2007—2011年MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率年平均相关系数Table 5 Annual average correlation coefficient of surface albedoof MODIS， GlobAlbedo and ERA-Interim from 2007 to 2011

3 讨论

以6—8月为夏季，12月—次年2月为冬季，使用3种地表反照率产品在2007—2011年夏季和冬季的数据，计算得到3种产品在夏季和冬季的平均地表反照率(图5)，以此讨论ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo之间的相关关系。

从图5可以看出，与MODIS、GlobAlbedo地表反照率产品相比，ERA-Interim产品无论在夏季还是冬季，都难以反映地表反照率受地形和土地覆被的影响，在青藏高原和40°N以北地区表现地最为明显，MODIS、GlobAlbedo产品的值都会因为区域内的土地覆被和地形的变化而产生波动，ERA-Interim产品在同一区域的变化则很小。正是由于ERA-Interim地表反照率产品难以表现地形和土地覆被的影响，使其与另外两种产品在数值和空间分布上有了较大的差异，尤其在冬季时ERA-Interim产品与MODIS、GlobAlbedo产品的差值分别为5%、8%，高于夏季时ERA-Interim与MODIS、GlobAlbedo之间的差值，从而导致了相关性从夏季到冬季的下降。

因此，ERA-Interim产品与MODIS、GlobAlbedo具有较大差异和较低的相关关系的根本原因，可以解释为：ERA-Interim作为再分析数据产品是综合各种数据源进行质量控制和同化得到的数据，其数据来源除了遥感卫星还有地面观测、船舶、探空气球等，对地形和地表覆被变化的敏感程度不如MODIS、GlobAlbedo两种卫星遥感数据，而地表反照率又与地形、地表覆被息息相关[32]。

4 结论

本文对2007—2011年MODIS、GlobAlbedo和ERA-Interim 3种地表反照率产品在中国地区的表现进行了比较，通过对3种产品对气象站观测值的反演效果、绝对差值、相关性和冬季夏季平均值的对比，分析了3种产品的异同。主要结论如下：

(1)3种地表反照率产品与气象站观测值在年际变化具有相同的特征，即冬半年高、夏半年低，且相关性良好，但是数值上有一定差异，其中GlobAlbedo的反演效果最好。

(2)3种产品在年尺度和月尺度下绝对差值均表现出一定差异，MODIS与GlobAlbedo之间绝对差值最小，3种产品出现较大差异地区主要为青藏高原和西北山地地区，3种产品的绝对差值随时间的变化趋势一致，从冬半年到夏半年差值由高变低。

(3)3种产品在40°N以北地区均具有较高的相关性，年尺度和月尺度下相关性最好的是MODIS与GlobAlbedo。MODIS与GlobAlbedo相关性表现为冬半年高夏半年低，ERA-Interim同MODIS、GlobAlbedo的相关性表现则相反。

图5 MODIS、GlobAlbedo、ERA-Interim地表反照率夏季和冬季平均地表反照率的空间分布：(a)MODIS夏季；(b)MODIS冬季；(c)GlobAlbedo夏季；(d)GlobAlbedo冬季；(e)ERA-Interim夏季；(f)ERA-Interim冬季Fig.5 Spatial distribution of average summer and winter surface albedo in MODIS, GlobAlbedo, ERA-Interim surface albedo：(a)MODIS in summer；(b)MODIS in winter；(c)GlobAlbedo in summer；(d)GlobAlbedo in winter；(e)ERA-Interim in summer；(f)ERA-Interim in winter

(4)ERA-Interim作为再分析资料对地形和地表覆被的变化敏感程度低于同为遥感卫星产品的MODIS和GlobAlbedo，使其与MODIS、GlobAlbedo具有较大差异和较低相关性。