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地表反照率是陆面过程的一个重要参数,也是气候系统和天气模式中辐射传输环节的一个重要因子。它决定了地表的短波能量收支,影响了辐射能量在地一气系统间的分配,由此来调整大气环流形势和水循环过程,同时影响着地表对光合有效辐射(PAR)的吸收,从而决定了地球生态系统的生产力。地表反照率受下垫面类型、植被覆盖率、入射太阳辐射的角度和光谱分布、大气状况和地形及地表粗糙度等众多因素的影响。随着人类活动的加剧,土地利用和土地覆盖发生了重大改变,使得全球地表反照率在时间和空间上的分布出现了较大变化。获取不同分辨率的地表反照率分布及其时空变化,对于区域气候和全球变化研究都具有非常重要的意义。因此,开展对地表反照率的细致观测研究仍是有必要的,对它的认识和模式建立还有待深入。
本文利用地表反照率地面观测资料以及Terra和AquaMODIS反演的地表反照率数据集,结合MODIS植被指数产品以及其它地面站点观测资料,对多种下垫面的反照率开展分析研究,试图揭示其变化特征和规律。主要研究结果如下:
1.利用大气物理所香河站多地表反照率观测系统资料,对2005年2月13日~27日4次降雪前后裸地、结冰水塘和枯草地的地表反照率的显著变化进行了观测。由于下垫面的性质各异,各地表面上积雪的融化过程存在明显差异。例如,降雪后草地上的反照率相对较低,因此该地表可以吸收相对多的太阳能量,从而加速积雪融化。地面有积雪时,地表与大气之间的多次散射会增多,因此到达地面的太阳散射辐射会增强。在日平均气溶胶光学厚度(550nm处)为0.112的晴空下,如果地表反照率从0.22增加到0.8,地面接收到的R平均散射辐射将增大5.8%。
2.利用中国气象局寿县国家气候观象台资料,对小麦和水稻在不同生长期的日反照率平均值进行了对比,在作物生长初期,水稻田平均反照率比小麦田反照率要低约0.02。至作物生长中期,因为水稻田的植株更为浓密,其反照率比小麦稍高。作物成熟后,水稻反照率比小麦反照率高约0.04,这主要是受太阳天顶角的影响。对于植被覆盖较为稀疏的农田,降水过后(日降水量超过2mm),日平均反照率比降水发生前小0.03。在植被较为浓密的情况下,降水前后日平均反照率差别很小,几乎可以忽略。基于9年的MODIS观测,分析淮河流域农田下垫面的黑空反照率显示,全年变化范围在0.12~0,18之间。
3.无云和阴天状况下,草地覆盖水平薄膜后日平均反照率均增加0.10以上。由于阴天时草地的反照率比晴天时小,因此阴天条件下的相对增量较大。基于MODIS在拉萨地区的观测,大面积的塑料薄膜温室的反照率比裸地的反照率高14%左右。由于使用塑料薄膜,香河地区地表获得的短波能量将减少15~22W/m2,青藏高原地区地表接收到的年太阳辐射总量将减少125MJ/m2。
4.从年平均反照率来看,香河站多类地表反照率观测系统测量到的薄膜覆盖地表的反照率最大,约为0.30,比植被的年平均反照率(约为0.25)高约0.04~0.05,比水面的年平均反照率(约为0.10)高约0.18~0.21,大约相差二倍,裸地的年平均反照率(约为0.27)比植被的稍高。
5.利用MODIS1km分辨率地表反照率产品MCD4383中的短波段黑空和白空反照率,计算得到实际大气状况下当地正午时段的反照率,与中科院青藏高原研究所纳木错站地面观测值吻合得很好,均方根偏差为0.0163,最大偏差为0.046,满足气候模式要求的0.02的精度要求。在雨季,土壤含水量增加,使得纳木错站晴空下观测到的5min平均的地表反照率线性下降,但是这一线性下降趋势受到太阳天顶角的约束,随着太阳天顶角增大,下降趋势减缓。在其它较为干旱的季节,太阳高度角是造成地表反照率日平均值出现季节变化的主要原因。青藏高原春、夏、秋、冬四季的平均黑空反照率分别为0.22,0.17,0.19和0.22。青藏高原夏季平均黑空反照率,以每年0.0013的幅度逐步下降。