2002-2016年全球地表反照率时空动态特征及影响因子分析

论文摘要

气候变暖已成为毋庸置疑的事实,全球尺度的气候变化问题日益严重,将对人类生产生活造成深远影响。地表反照率是地球表面反射与入射的太阳辐射之比,其定义了大气下边界的辐射传输,反映了地表能量的收支状况,可以敏感地记录全球气候变化的情况。因此,研究地表反照率的时空变化过程及其环境控制因素非常重要,对深入理解学习全球陆面过程和气候变化具有相当重要的意义。本文以全球范围的地表反照率为研究对象,利用2002至2016年共15年间的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS）短波反照率、归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）和积雪覆盖面积的长时间序列数据产品,从全球尺度研究地表反照率、植被覆盖以及积雪覆盖面积的变化率和变化量。而后从三者变化的全球空间分布、去季节性趋势分布以及纬度带分布三个角度探讨了地表反照率、植被覆盖和积雪覆盖面积的变化情况。接着分别对地表反照率与植被覆盖和地表反照率与积雪覆盖面积进行相关关系分析和偏相关关系分析。由此,得到全球地表反照率与两个变量的相关程度,并从偏相关系数绝对值的比较中得到二者影响地表反照率变化的主导因子。最后,讨论了地表反照率显著变化的区域,借助谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）分析地表反照率显著增加的地区,如哈萨克斯坦、美国中部、中国东北部、巴西东部、中国东南部和四川盆地地区,以及地表反照率显著降低的欧洲中部、西伯利亚北部、中国中北部、印度西北部、非洲南部、加拿大北部以及澳大利亚东南部地区。通过以上分析,本文获得如下结论。地表反照率和积雪覆盖面积从2002到2016年均出现下降趋势,二者在全球范围内平均下降了0.0004和0.97%/pixel。而季节性合成植被指数（Seasonally Integrated Normalized Difference Vegetation Index,SINDVI）在2002-2016年间则出现上升趋势,在全球范围内平均增加了0.175。从增加和减少两种不同变化趋势在全球的面积占比上看,地表反照率和SINDVI在超过一半的地区都呈现增长趋势,二者出现增加趋势的地区分别占全球面积的51.7%和69.3%。而对于积雪覆盖面积来说,约有54.1%的地区表现出减少的趋势。地表反照率在中亚地区、中国东北部以及美国的中部地区表现出显著的增长趋势;但在西伯利亚地区、加拿大的北部群岛地区、澳大利亚东南部和欧洲等地出现了明显的减少趋势。植被覆盖在全球特别是中国东南部、印度半岛、西欧和澳大利亚东南部等地改善明显,但在巴西东部、加拿大的西北部、非洲东海岸和中亚等地区,则出现显著退化趋势。积雪覆盖面积在各个纬度带上均呈现减少的趋势,但在北半球中纬度地区变化最为明显,该地区积雪覆盖面积在2016年相对于2002年减少了-1.064%/pixel。在澳大利亚的东南部、地中海沿岸、非洲南部、墨西哥湾沿岸等地区,地表反照率与SINDVI出现显著的负相关关系;在美国中部地区、欧洲中部、蒙古和青藏高原等地,地表反照率与积雪覆盖面积出现显著的正相关关系。通过偏相关系数,消除了另一因子对剩下两个变量相关性的影响。本文研究得出2002-2016年地表反照率主要受积雪覆盖面积波动影响的区域位于北半球中纬度的欧洲大陆、土耳其、青藏高原地区、中国东北部、蒙古和美国中部地区。在这些地区,积雪覆盖面积的变化剧烈,从而导致地表反照率受其影响显著。而地表反照率受植被覆盖变化影响较强烈的区域则位于阿拉斯加、加拿大、西伯利亚地区和哈萨克斯坦等地。哈萨克斯坦是地表反照率显著增加的地区,通过较高分辨率的遥感数据并结合土地利用数据,本文得到该地区2002-2016年地表反照率和积雪覆盖面积数据均呈现上升趋势,分别增加了0.048和1.99%/pixel。土地利用数据显示该地区林地虽然增加了4.41×103km2,但耕地和草地面积的减少更为明显,两者共减少了21.67×103km2。中亚地区夏季干旱,冬季低温的极端天气是哈萨克斯坦SINDVI减少和积雪覆盖面积增加的原因,二者共同作用导致地表反照率的上升。美国中部地表反照率的增加则由于该地区在2009/2010、2010/2011和2013/2014年出现的冬季极端低温现象。温度降低导致积雪覆盖面积的增加,从而使地表反照率在这一地区出现增加趋势。而中国东南部和四川盆地地区地表反照率、SINDVI均呈现上升趋势,积雪覆盖面积出现下降趋势,地表反照率与二者的相关关系与之前的认知相悖,本文将此归结为气溶胶对卫星数据的影响。由于该地区在本世纪污染日益严重,大气中气溶胶增多导致卫星晴空观察的天数不足,从而降低了数据的精度。因此,在该地区,准确反演遥感数据对研究地表反照率的变化至关重要。欧洲中部地表反照率2002-2016年约下降0.0171,地表反照率在此地区的变化主要受植被覆盖的增加所影响。以往已有大量研究分析了欧洲大陆植被的增加,本文通过对土地利用类型数据进行分析发现耕地面积在2002-2016年减少了12.35×103km2;而林地和草地的面积则有所增加,分别增加了10.69×103km2和0.22×103km2。对于澳大利亚东南部地表反照率的减少,本文通过对时间序列数据的分析,发现地表反照率在2009-2011年出现锐减,而造成这一减少的原因是2010年强厄尔尼诺现象带来的强降雨和洪涝天气,导致植被在这一时期显著增加,因此,降水和植被的增加是这一地区地表反照率减少的主要原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究意义
•   1.3 国内外研究现状
•   1.4 研究内容
•   1.5 技术路线
•   1.6 论文结构
•   1.7 本章小结
• 第2章 数据与方法
•   2.1 数据与处理
•   2.2 研究方法
•   2.3 本章小结
• 第3章 地表反照率与影响因子时空动态特征
•   3.1 蓝空反照率的计算
•   3.2 地表反照率及其影响因子年际变化分布
•   3.3 北半球中高纬度地表反照率去季节性趋势变化
•   3.4 地表反照率纬度带变化分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 地表反照率影响因子分析
•   4.1 地表反照率与植被覆盖变化相关分析
•   4.2 地表反照率与积雪覆盖面积变化相关分析
•   4.3 偏相关分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 地表反照率显著变化区域时空动态特征及影响因子分析
•   5.1 GEE数据提取
•   5.2 欧亚大陆
•   5.3 非洲
•   5.4 美洲
•   5.5 澳洲
•   5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 研究结论
•   6.2 论文创新点
•   6.3 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校内发表的论文和参与的课题

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李秋苹

导师: 马明国,汤旭光

关键词: 反照率,植被指数,积雪覆盖,气候变化,遥感

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学

单位: 西南大学

分类号: P467;P407

总页数: 79

文件大小: 3571K

下载量: 144