陳愛軍，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實驗室，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.中國氣象科學(xué)研究院，北京100081;4.國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;5.國家氣象中心，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實驗室，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.中國氣象科學(xué)研究院，北京100081;4.國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081;5.國家氣象中心，北京100081)

應(yīng)用2002—2004年青藏高原CAMP/Tibet試驗期間4個地面站點的反照率觀測結(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。對于全反演結(jié)果，黑空反照率、白空反照率與地面觀測結(jié)果的均方根差分別為0.018 7和0.016 8;對于當(dāng)量反演結(jié)果，黑空反照率、白空反照率與地面觀測結(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結(jié)果的均方根差分別為0.067 9和0.067 5。當(dāng)?shù)孛嬗^測結(jié)果與MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果均為“無雪”狀態(tài)時，黑空反照率、白空反照率與地面觀測結(jié)果的均方根差分別為0.035 2和0.036 4;當(dāng)?shù)孛嬗^測結(jié)果為“積雪”狀態(tài)，MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果為“無雪”狀態(tài)時，黑空反照率、白空反照率與地面觀測結(jié)果的均方根差分別高達(dá)0.155 6和0.154 1。

反照率;驗證;MODIS;青藏高原

0 引言

地表反照率是地表反射與入射太陽輻射通量密度之比。地表反照率對地表輻射能量收支、地—氣相互作用，以及全球氣候變化均有重要影響(Dickinson，1983;Henderson-Sellers and Wilson，1983;Sellers et al.，1995)，是氣候和陸面過程模式的重要參數(shù)之一(Dickinson et al.，1993;Sellers et al.，1996;Bonan，1998;Blackmon et al.，2001;Dai et al.，2003)。氣候和陸面過程模式對地表反照率的精度要求很高，要求其絕對精度應(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，美國采用半經(jīng)驗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)品編號為MOD43(Schaaf et al.，2002，2011)。

MOD43采用RossThick-LiSparse-R核驅(qū)動的BRDF模型反演BRDF參數(shù)并計算黑空反照率BSA(black sky albedo)和白空反照率WSA(white sky albedo)(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛軍等，2009)。在MOD43反演過程中，如果16 d期間累積的高質(zhì)量多角度晴空觀測總數(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數(shù)據(jù)最佳的BRDF參數(shù);如果3≤n＜7，或者全反演時的擬合效果不佳，就采用“當(dāng)量反演法(the magnitude inversion)”，利用多角度晴空觀測數(shù)據(jù)修正原型(archetype)BRDF參數(shù)數(shù)據(jù)庫提供的先驗(a priori)信息，得到與實際情況相符的BRDF參數(shù)(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛軍等，2009)。由于觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量有限，或者質(zhì)量欠佳，反演過程又依賴于先驗信息，當(dāng)量反演結(jié)果質(zhì)量自然也會受到影響，其精度可能會不及全反演結(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MODIS反照率產(chǎn)品的精度進(jìn)行分析和評價，例如:將反照率的地面觀測結(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反照率能夠滿足氣候和陸面過程模式對反照率的精度要求，但是，上述研究主要針對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，陳愛軍等(2012)應(yīng)用“對照反演法”對中國地區(qū)相同時空條件下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。事實上，全球陸地約一半以上的區(qū)域需要通過當(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價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。青藏高原高大的地形特征及其對太陽輻射的吸收和反射，不僅影響了該地區(qū)地—氣相互作用過程(尤其是能量與水分循環(huán)過程)，也對亞洲季風(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—氣相互作用過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)果的比例甚至超過全反演結(jié)果的比例(陳愛軍等，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氣象站近3 a的觀測結(jié)果分析了MOD43B3的精度。余予等(2010)利用2007年5月—2008年8月青藏高原納木錯站無雪期晴空條件下的觀測結(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，陳愛軍等(2012)應(yīng)用“對照反演法”定量分析了中國地區(qū)相同時空條件下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個自動氣象站的下行和上行太陽總短波輻射觀測資料，并經(jīng)處理后獲得反照率地面觀測結(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 地面觀測資料

研究所用地面觀測資料來自2001—2005年青藏高原CAMP/Tibet國際合作科學(xué)觀測試驗期間D105、Amdo、MS3478和BJ等4個站點的下行和上行太陽總短波輻射觀測資料。這4個站點依次由北向南排列(表1)，站點所處位置比較開闊，能夠代表藏北高原大范圍的地形和下墊面特征，觀測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站周圍地面覆蓋著高約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試驗前所有觀測儀器都經(jīng)過嚴(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)，確保觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

表1 地面觀測站點的基本信息Table 1 The basic information of ground-based stations

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

1.2 MODIS反照率數(shù)據(jù)

研究采用美國地質(zhì)調(diào)查局USGS(United States Geological Survey)地球資源觀測與科學(xué)EROS(Earth Resource Observation and Science)數(shù)據(jù)中心提供的L3級全球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)過驗證，適合科學(xué)研究，主要包括:1)MODIS 1—7通道和可見光(0.3～0.7 μm)、近紅外(0.7～5.0 μm)、短波(0.3～5.0 μm)3個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波段和可見光、近紅外、短波3個寬波段的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、地表類型、當(dāng)?shù)卣缣柼祉斀呛头e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h25v05區(qū)正好覆蓋CAMP/Tibet試驗區(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結(jié)果，需要對自動氣象站觀測的下行和上行太陽短波總輻射資料進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?1)根據(jù)下行太陽短波總輻射不低于上行太陽短波總輻射的原則，剔除明顯有誤的觀測數(shù)據(jù)。2)將10或30 min的采樣數(shù)據(jù)按小時平均，得到小時平均的下行和上行太陽短波總輻射數(shù)據(jù)。3)以下行太陽短波總輻射不小于600 W/m2為“晴空”標(biāo)準(zhǔn)(馬偉強(qiáng)等，2004)，以上行與下行太陽短波總輻射之比計算“晴空”條件的小時平均地表反照率;否則，記為0。4)以非0的小時平均地表反照率計算“晴空”日平均地表反照率。5)以“晴空”日的平均地表反照率計算16 d平均地表反照率。

考慮到積雪對地表反照率的影響較大，結(jié)合CAMP/Tibet試驗區(qū)的地表類型，為了與“積雪”條件下的MODIS反照率反演算法一致(Schaaf et al.，2002，2011;陳愛軍等，2009)，計算16 d平均地表反照率時，如果日平均地表反照率低于0.4，則視為“無雪”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短波總輻射資料計算的小時平均、日平均和16 d平均地表反照率?？梢钥闯?第20天的日平均地表反照率小于0.4(約為0.3)，表明當(dāng)天的反照率觀測結(jié)果為“無雪”日的反照率;第28天的小時平均反照率雖然接近0.7，但當(dāng)天的下行太陽短波總輻射均小于600 W/m2，為非“晴空”反照率觀測結(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“無雪”日，應(yīng)以11 d“無雪”日的反照率平均值作為該16 d的反照率觀測結(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)，獲得地面站點的氣溶膠光學(xué)厚度觀測數(shù)據(jù)又比較困難，故以反照率地面觀測結(jié)果與站點對應(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中的任意一個與地面觀測結(jié)果的絕對偏差超過0.05，那么，根據(jù)天空漫射光比例計算的實際地表反照率與地面觀測結(jié)果的絕對偏差也必然超過0.05。

圖2為BJ站2003年22個16 d(每年第23個16 d的實際天數(shù)不足16 d，不予考慮)的反照率地面觀測結(jié)果和MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA。可以看出:1)第1天開始的16 d，反照率地面觀測結(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，與地面觀測結(jié)果非常接近。2)第17天開始的16 d，反照率地面觀測結(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，與地面觀測結(jié)果的差異十分顯著。這可能與觀測站點附近的局地積雪有關(guān):第1個16 d期間，站點周邊大范圍積雪，MODIS能夠較好地探測到地面積雪信息，反照率反演結(jié)果能夠較好地反映地表狀態(tài)，與地面站點觀測結(jié)果的差異較小;第2個16 d期間，地面積雪逐漸消融，雖然站點(甚至只是觀測儀器)附近存在局部積雪，反照率地面觀測結(jié)果較大，但MODIS已無法探測到局地積雪信息，反照率反演結(jié)果自然偏低，與地面觀測結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。3)在22個16 d中，只有5個16 d的MODIS反照率是全反演結(jié)果，即第33、273、289、305、321天開始的16 d;第97天開始的16 d沒有MODIS反照率反演結(jié)果;通過當(dāng)量反演獲得MODIS反照率的16 d多達(dá)16個。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個高質(zhì)量多角度晴空觀測數(shù)據(jù)并通過全反演成功獲得BRDF參數(shù)(Chen et al.，2007a，2007b;陳愛軍等，2007;陳愛軍等，2009)。此外，也與冬春季地面積雪的影響有關(guān)。

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

圖2 2003年BJ站反照率地面觀測結(jié)果與Terra MODIS反照率的比較(實心點表示全反演結(jié)果;空心點表示當(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天開始的16 d之外，其余4個通過全反演獲得MODIS反照率的16 d中，MODIS黑空反照率BSA、白空反照率WSA與地面觀測結(jié)果的絕對偏差都小于0.05;16個通過當(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與地面觀測結(jié)果的絕對偏差均小于0.05。也就是說，在獲得MODIS反照率反演結(jié)果的21個16 d中，有20個與反照率地面觀測結(jié)果的絕對偏差小于0.05，滿足絕對精度不超過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結(jié)果對應(yīng)，且站點對應(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)果與地面觀測結(jié)果的均方根差分別為0.018 7和0.016 8，可以滿足絕對精度不低于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)果與地面觀測結(jié)果的均方根差則高達(dá)0.076 6和0.076 1，無法滿足絕對精度不低于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與地面觀測結(jié)果的均方根差為0.067 9和0.067 5，仍然無法滿足絕對精度不低于0.05的最低要求(表2)?？傊?，MODIS反照率全反演結(jié)果的精度較高，完全可以滿足氣候和陸面過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，無法滿足目前氣候和陸面過程模式的反照率精度要求。

分析反照率地面觀測結(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天開始的16 d和D105站2004年第17天開始的16 d。此外，地面觀測結(jié)果

圖3 2003年BJ站反照率地面觀測結(jié)果與Terra MODIS黑空反照率、白空反照率的絕對偏差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“無雪”狀態(tài)的現(xiàn)象比較常見，沒有出現(xiàn)地面觀測結(jié)果為“無雪”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結(jié)果的積雪狀態(tài)，將其分為“無雪”組和“積雪”組，“無雪”組地面觀測結(jié)果與對應(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“無雪”組的當(dāng)量反演結(jié)果，則地面觀測結(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，一方面說明地面觀測站點附近的局地積雪對反照率地面觀測結(jié)果有影響，不利于正確分析和評價MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度，另一方面也說明在大范圍長期無雪區(qū)，MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果精度較高，可以滿足地表反照率的絕對精度要求。當(dāng)然，如何應(yīng)用地面觀測數(shù)據(jù)正確地分析和評價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重要參數(shù)，而且氣候和陸面過程模式對其精度要求很高。本文應(yīng)用青藏高原CAMP/Tibet試驗期間D105、Amdo、MS3478和BJ等4個站點的自動氣象站觀測的下行和上行太陽總短波輻射資料，經(jīng)過處理后得到16 d平均的反照率地面觀測結(jié)果，與美國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)果能夠滿足絕對精度不低于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，無法滿足絕對精度不低于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與地面觀測結(jié)果的均方根差分別為0.067 9和0.067 5，無法滿足絕對精度不低于0.05的要求。

2)地面觀測站點附近的局地積雪會影響反照率地面觀測結(jié)果，不利于正確分析和評價MODIS反照率當(dāng)量反演結(jié)果的精度。如果地面觀測結(jié)果為“無雪”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，能夠滿足氣候和陸面過程模式對地表反照率絕對精度的要求。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(如長期大范圍無雪)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試驗地面輻射觀測數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院青藏高原研究所馬耀明研究員提供，深表感謝!

陳愛軍，卞林根，劉玉潔，等.2007.MODIS反演多云地區(qū)地表反照率的一種新方法及其反演試驗［J］.大氣科學(xué)，31(5):855-862.

陳愛軍，卞林根，劉玉潔，等.2009.應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)反演青藏高原地區(qū)地表反照率［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，32(2):222-229.

陳愛軍，劉玉潔，卞林根，等.2012.中國地區(qū)MODIS反照率兩種反演結(jié)果的比較［J］.氣象學(xué)報，70(5):1119-1127.

陳學(xué)龍，馬耀明，李茂善，等.2008.藏北地區(qū)近地層大氣和土壤特征量分析［J］.高原氣象，27(5):941-948.

方宗義，劉玉潔，林曼蕓.1996.青藏高原地表反照率計算研究［J］.氣象學(xué)報，54(5):580-589.

焦子銻，王錦地，謝里歐，等.2005.地面和機(jī)載多角度觀測數(shù)據(jù)的反照率反演及對MODIS反照率產(chǎn)品的初步驗證［J］.遙感學(xué)報，9(1):64-72.

李英，胡澤勇.2006.藏北高原地表反照率的初步研究［J］.高原氣象，25(6):1034-1041.

馬偉強(qiáng)，馬耀明，王介民，等.2004.藏北高原地面輻射收支的初步分析［J］.高原氣象，23(3):348-352.

馬耀明，姚檀棟，王介民.2006.青藏高原能量和水循環(huán)試驗研究——GAME/Tibet與CAMP/Tibet研究進(jìn)展［J］.高原氣象，25(2):344-351.

葉篤正，高由禧.1979.青藏高原氣象學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社:7-9.

余予，陳洪濱，夏祥鰲，等.2010.青藏高原納木錯站地表反照率觀測與MODIS資料的對比分析［J］.高原氣象，29(2):260-267.

章基嘉，朱抱真，朱?？?，等.1988.青藏高原氣象學(xué)進(jìn)展［M］.北京:科學(xué)出版社:14-89.

祝昌漢，朱?？?，劉玉潔.1990.青藏高原晴空行星反照率與地表反照率的研究［J］.科學(xué)通報，35(20):1563-1565.

Blackmon M，Boville B，Bryan F，et al.2001.The Community Climate System Model［J］.Bull Amer Meteor Soc，82(11):2357-2376.

Bonan G B.1998.The land surface climatology of the NCAR land sur-face model(LSM 1.0)coupled to the NCAR Community Climate Model(CCM3)［J］.J Climate，11:1307-1326.

Brest C L，Goward S N.1987.Deriving surface albedo measurements from narrow band satellite data［J］.Int J Remote Sens，8(3):351-367.

Chen Aijun，Bian Lingen，Liu Yujie，et al.2007a.Retrieving summer albedo over the Tibetan plateau with MODIS data［C］//Proceedings of SPIE，MIPPR 2007:Remote Sensing and GIS Data Processing and Applications;and Innovative Multispectral Technology and Applications.Wuhan，China.

Chen Aijun，Bian Lingen，Liu Yujie.2007b.Deriving albedo over cloudy areas with composite inversion［C］//Proceedings of SPIE，Geoinformatics 2007，Geospatial Information Science.Nanjing，China.

Dai Y，Zeng X，Dickinson R E，et al.2003.The common land model［J］.Bull Amer Meteor Soc，84(8):1013-1023.

Dickinson R E.1983.Land surface processes and climate:Surface albedos and energy balance［J］.Adv Geophys，25:305-353.

Dickinson R E，Henderson-Sellers A，Kennedy P J.1993.Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme(BATS)Version 1e as coupled to the NCAR community model［R］//NCAR Tech Note NCAR/TN-387+STR，National Center for Atmosphere Research，Boulder，Colorado.

Govaerts Y M，Wagner S，Lattanzio A，et al.2010.Joint retrieval of surface reflectance and aerosol optical depth from MSG/SEVIRI observations with an optimal estimation approach:1.Theory［J］.J Geophys Res，115，D02203.doi:10.1029/2009JD011779.

Henderson-Sellers A，Wilson M F.1983.Surface albedo data for climatic modeling［J］.Rev Geophys，21:1743-1778.

Jin Yufang，Schaaf C B，Woodcock C E，et al.2003a.Consistency of MODIS surface bidirectional reflectance distribution function and albedo retrievals:1.Algorithm performance［J］.J Geophys Res，108(D5)，4158.doi:10.1029/2002JD002803.

Jin Yufang，Schaaf C B，Woodcock C E，et al.2003b.Consistency of MODIS surface bidirectional reflectance distribution function and albedo retrievals:2.Validation［J］.J Geophys Res，108(D5)，4159.doi:10.1029/2002JD002804.

Knobelspiesse K D，Cairns B，Roman M，et al.2008.Surface BRDF estimation from an aircraft compared to MODIS and ground estimates at the Southern Great Plains site［J］.J Geophys Res，113，D20105.doi:10.1029/2008JD010062.

Lawrence P J，Chase T N.2007.Representing a new MODIS consistent land surface in the Community Land Model(CLM3.0)［J］.J Geophys Res，112，G01023.doi:10.1029/2006JG000168.

Li Zhanqing，Garand L.1994.Estimation of surface albedo from space:A parameterization for global application［J］.J Geophys Res，99(D4):8335-8350.

Liang S，F(xiàn)ang H，Chen J，et al.2002.Validating MODIS land surface reflectance and albedo products:Methods and preliminary results［J］.Remote Sens Environ，83(1):149-162.doi:10.1016/S0034-4257(02)00092-5.

Liu J，Schaaf C，Strahler A，et al.2009.Validation of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)albedo retrieval algorithms:Dependence of albedo on solar zenith angle［J］.J Geophys Res，114，D01106.doi:10.1029/2008JD009969.

Morcrette J-L，Barker H W，Cole J N S，et al.2008.Impact of a New Radiation Package，McRad，in the ECMWF integrated forecasting system［J］.MonWeaRev，136:4773-4798.doi:10.1175/2008MWR2363.1.

Myhre G，Kvalevag M M，Schaaf C B.2005.Radiative forcing due to anthropogenic vegetation change based on MODIS surface albedo dataset［J］.GeophysResLett，32，L21410.doi:10.1029/2005GL024004.

Pinty B，Roveda F，Verstraete M M，et al.2000a.Surface albedo retrieval from Meteosat，1，Theory［J］.J Geophys Res，105(D14):18099-18112.

Pinty B，Roveda F，Verstraete M M，et al.2000b.Surface albedo retrieval from Meteosat，2，Applications［J］.J Geophys Res，105(D14):18113-18134.

Roesch A，Schaaf C B，Gao F.2004.Use of Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer bidirectional reflectance distribution function products to enhance simulated surface albedo［J］.J Geophys Res，109，D12105.doi:10.1029/2004JD004552.

Roman M O，Schaaf C B，Woodcock C E，et al.2009.The MODIS(Collection V005)BRDF/albedo product:Assessment of spatial representativeness over forested landscapes［J］.Remote Sens Environ，113:2476-2498.

Salomon J G，Schaaf C B，Strahler A H，et al.2006.Validation of the MODIS bidirectional reflectance distribution function and albedo retrievals using combined observations from the Aqua and Terra platforms［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，44:1555-1565.doi:10.1109/TGRS.2006.871564.

Samain O，Kergoat L，Hiernaux P，et al.2008.Analysis of the in-situ and MODIS albedo variability at multiple time scales in the Sahel［J］.J Geophys Res，113，D14119.doi:10.1029/2007JD009174.

Schaaf，C B，Gao F，Strahler A H，et al.2002.First operational BRDF，albedo and nadir reflectance products from MODIS［J］.Remote Sens Environ，83(1):135-148.

Schaaf C B，Liu Jicheng，Gao F，et al.2011.MODIS albedo and reflectance anisotropy products from Aqua and Terra［C］//Ramachandran B，Justice C，Abrams M.Land remote sensing and global environmental change:NASA’s earth observing system and the science of ASTER and MODIS，remote sensing and digital image processing series，11，Springer-Cerlag:873.

Sellers P J，Meeson B W，Hall F G，et al.1995.Remote sensing of the land surface for studies of global change:Models—algorithms—experiments［J］.Remote Sens Environ，51(1):3-26.

Sellers P J，Randall D A，Collatz G J，et al.1996.A revised land surface parameterization(SiB2)for atmospheric GCMs，part I，Model formulation［J］.J Climate，9(4):676-705.

Stroeve J，Box J E，Gao Feng，et al.2005.Accuracy assessment of the MODIS 16-day albedo product for snow:Comparisons with Greenland in situ measurements［J］.Remote Sens Environ，94(1):46-60.

Susaki J，Yasuoka Y，Kajiwara K，et al.2007.Validation of MODIS albedo products of paddy fields in Japan［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，45(1):206-217.doi:10.1109/TGRS.2006.882266.

Tian Y，Dickinson R E，Zhou L，et al.2004.Land boundary conditions from MODIS data and consequences for the albedo of a climate model［J］.GeophysResLett，31，L05504.doi:10.1029/2003GL019104.

Wagner S C，Govaerts Y M，Lattanzio A.2010.Joint retrieval of surface reflectance and aerosol optical depth from MSG/SEVIRI observations with an optimal estimation approach:2.Implementation and evaluation［J］.JGeophysRes，115，D02204.doi:10.1029/2009JD011780.

Wang K，Liu J，Zhou X，et al.2004.Validation of the MODIS global land surface albedo product using ground measurements in a semidesert region on the Tibetan Plateau［J］.J Geophys Res，109，D05107.doi:10.1029/2003JD004229.

Wydick J E，Davis P A，Gruber A.1987.Estimation of broadband planetary albedo from operational narrowband satellite measurements［R］//NOAA Technical Report NESDIS 27.US Department of Commerce，National Oceanic and Atmospheric Administration and National Environmental Satellite，Data＆Information Administration.

Zhou L，Dickinson R E，Tian Y，et al.2003.Comparison of seasonal and spatial variations of albedos from Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)and Common Land Model［J］.J Geophys Res，108(D15)，4488.doi:10.1029/2002JD003326.

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

國家自然科學(xué)基金資助項目(40875015);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

陳愛軍(1972—)，男，湖北荊門人，博士，副教授，研究方向為氣象衛(wèi)星資料分析與應(yīng)用，chenaijun@nuist.edu.cn.

陳愛軍，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，35(6):664-672.

Chen Ai-jun，Liang Xue-wei，Bian Lingen，et al.2012.Assessment on the accuracy of MODIS albedos over the Tibetan Plateau［J］.Trans Atmos Sci，35(6):664-672.(in Chinese)

(責(zé)任編輯:倪東鴻)