趙琴，郝曉華，王建，孫興亮，李弘毅

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

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

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

4.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)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(duì)環(huán)境變化的敏感性和快速顯著特性，被認(rèn)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(duì)大氣環(huán)流和地表能量平衡等產(chǎn)生顯著的影響；過(guò)量的積雪也會(huì)對(duì)區(qū)域農(nóng)牧業(yè)等產(chǎn)生負(fù)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(guò)表面能量收支平衡對(duì)氣候系統(tǒng)、碳匯水平、生態(tài)環(huán)境、能量交換、人文經(jīng)濟(jì)等產(chǎn)生直接或間接的影響[7-10]。因此準(zhǔn)確識(shí)別地表積雪信息、探究積雪物候變化對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化具有重大意義。我國(guó)疆域遼闊，是中低緯度地區(qū)積雪分布最為廣泛的國(guó)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(duì)中國(guó)積雪的時(shí)空分布及動(dòng)態(tài)變化研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[11]。

積雪參數(shù)獲取主要包括常規(guī)地面臺(tái)站觀測(cè)和衛(wèi)星遙感兩種技術(shù)手段[12]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)積雪范圍的方法主要依靠氣象臺(tái)站人工測(cè)量，但是地面臺(tái)站存在空間連續(xù)性差的缺點(diǎn)，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(shí)、全天候周期性觀測(cè)的特點(diǎn)彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在積雪各參數(shù)反演中，微波雪水當(dāng)量產(chǎn)品雖然覆蓋時(shí)間長(zhǎng)[14]，但是空間分辨率較低。目前可用的長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)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(guó)MODIS逐日無(wú)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(gè)百分點(diǎn)，漏分誤差（OE）從11.04%下降到8.43%，錯(cuò)分誤差（CE）從13.26%下降到9.83%；相對(duì)于更差的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品MYD10A1F，OA甚至提高了近9個(gè)百分點(diǎn)，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(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)發(fā)布的中國(guó) MODIS逐日無(wú)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(yīng)定義，制備了2000-2020年MODIS中國(guó)積雪物候數(shù)據(jù)集，并用地面臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，以期能夠?yàn)榉e雪的深入研究與準(zhǔn)確分析、動(dòng)物保護(hù)、氣候預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)水資源利用、洪水、雪災(zāi)預(yù)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(lái)自國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)的中國(guó)MODIS逐日無(wú)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(wú)云Landsat-5 TM/Landsat8 OLI影像，在中國(guó)的林區(qū)和非林區(qū)分別改進(jìn)MODIS產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的積雪提取算法，并使用隱馬爾可夫時(shí)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(guó)長(zhǎng)時(shí)間序列逐日無(wú)云積雪面積產(chǎn)品（分辨率為500 m），包含4種數(shù)據(jù)分類(lèi)，MODIS逐日無(wú)云積雪面積數(shù)據(jù)集詳細(xì)信息如表1所示。

用于驗(yàn)證的雪深數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)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(tái)站區(qū)號(hào)、經(jīng)緯度、海拔、年月日以及雪深、平均氣溫、雪壓、平均風(fēng)速以及最大風(fēng)速風(fēng)向等信息。

表1 MODIS逐日無(wú)云積雪面積產(chǎn)品詳細(xì)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(lèi)成有雪無(wú)雪二值產(chǎn)品。

積雪日數(shù)（SCD）定義為一個(gè)水文年上觀測(cè)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(gè)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(wú)雪，t= 1表示有雪；

積雪初日（SCS）定義為一個(gè)水文年中第一次出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的首日對(duì)應(yīng)日期，即像元如果滿(mǎn)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(mǎn)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(gè)水文年中最后出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的終日對(duì)應(yīng)日期[18]，即像元如果滿(mǎn)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(gè)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(mǎn)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(jì)算流程

積雪物候參數(shù)計(jì)算流程如圖1所示。首先對(duì)積雪面積產(chǎn)品重分類(lèi)為積雪、非積雪像元，參考表1中的MODIS逐日無(wú)云積雪面積產(chǎn)品詳細(xì)信息，將產(chǎn)品的有雪像元賦為1，無(wú)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(jì)算中國(guó)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(guó)積雪物候數(shù)據(jù)集。利用逐日無(wú)云MODIS積雪面積產(chǎn)品作為輸入值，第一步對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理，將產(chǎn)品的有雪柵格值（t）賦為 1，無(wú)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(jì)算每一個(gè)水文年的中國(guó)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(guó)積雪物候數(shù)據(jù)集按照不同的物候參數(shù)共分為3個(gè)目錄，分別命名為積雪日數(shù)、積雪初日和積雪終日。每個(gè)目錄下包含20個(gè)子文件，為20個(gè)水文年對(duì)應(yīng)的積雪物候參數(shù)。目錄命名規(guī)則為2000-2020年中國(guó)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(guó)科學(xué)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(guó)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(wú)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(kāi)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(guó)積雪物候產(chǎn)品詳細(xì)信息Table 2 Details of Chinese snow phenology dataset

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

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

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

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證與評(píng)估

本積雪物候參數(shù)數(shù)據(jù)集是基于積雪物候定義計(jì)算的遙感產(chǎn)品。為了保證結(jié)果的可靠性，使用站點(diǎn)實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)對(duì)積雪物候產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證。站點(diǎn)篩選原則：不考慮整個(gè)積雪期間積雪天數(shù)<20天的站點(diǎn)，共篩選出362個(gè)站點(diǎn)，主要分布在三大積雪區(qū)。通過(guò)比較站點(diǎn)雪深計(jì)算的積雪物候與相應(yīng)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(guò)部分指標(biāo)評(píng)價(jià)其精度。本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)評(píng)估指標(biāo)包括相關(guān)系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）進(jìn)行數(shù)據(jù)集驗(yàn)證與評(píng)估。站點(diǎn)雪深>2 cm則認(rèn)為有雪，去除站點(diǎn)水文年存在nodata值的數(shù)據(jù)后站點(diǎn)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?，如圖5（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(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證圖Figure 5 Site verification diagram of snow phenology

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

積雪是冰凍圈的重要組成部分，被認(rèn)為是氣候變化的指示器。近年來(lái)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(zhǎng)波發(fā)射率和高相變潛熱的特性，可能會(huì)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(bǔ)給源，因而探究積雪物候變化受到眾多學(xué)者關(guān)注。本數(shù)據(jù)集使用現(xiàn)有精度較高的中國(guó)MODIS逐日無(wú)云500 m積雪面積產(chǎn)品數(shù)據(jù)集作為基礎(chǔ)資料，計(jì)算了逐年的積雪物候參數(shù)，并使用地面站點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，精度相對(duì)較高，可用于表征中國(guó)積雪時(shí)空分布及變化規(guī)律，可為中國(guó)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(jì)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(guó)積雪物候數(shù)據(jù)集可從國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)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(guò)GIS與遙感相關(guān)軟件如ENVI、GRASS、ArcGIS等直接進(jìn)行查看與應(yīng)用，或者使用編程語(yǔ)言等相應(yīng)的軟件進(jìn)行編譯讀取、計(jì)算分析等。對(duì)多年數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，可以得到區(qū)域2000-2020年中國(guó)積雪物候區(qū)域時(shí)空分布及變化趨勢(shì)，可結(jié)合區(qū)域氣象因素、人類(lèi)活動(dòng)等進(jìn)行區(qū)域積雪變化的驅(qū)動(dòng)力分析，以期為生產(chǎn)及災(zāi)害預(yù)警等提供信息服務(wù)。

致 謝

感謝國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2000-2020年積雪面積500 m逐日無(wú)云產(chǎn)品，感謝中國(guó)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。