1980-2020年AVHRR中國積雪物候數(shù)據(jù)集

郝曉華，趙琴，紀文政，王建，李弘毅

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

2.中國科學院大學，北京 100049

引 言

積雪是冰凍圈的重要組成部分之一，也是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。全球約有98%的積雪分布于北半球，每年冬季，北半球陸地最大積雪范圍約為47×106km2，占北半球陸地面積的近50%[3-5]。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表面能量收支平衡對氣候系統(tǒng)、碳匯水平、生態(tài)環(huán)境、能量交換、人文經(jīng)濟等產(chǎn)生直接或間接的影響[6-8]。因此準確識別地表積雪信息、探究積雪物候變化對全球生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化具有重大意義[9-11]。積雪物候（SCP, Snow Cover Phenology）是表征季節(jié)性積雪隨季節(jié)周期變化趨勢和變化規(guī)律的信息，包括積雪日數(shù)（Snow cover days, SCD）、積雪初日（Start of snow cover days, SCS）、積雪終日（Melt of snow cover days，SCM）等指標[12]。我國包含三大季節(jié)性積雪區(qū)：東北內(nèi)蒙古積雪區(qū)，青藏高原積雪區(qū)和新疆北部積雪區(qū)，是中低緯度地區(qū)積雪分布最為廣泛的國家，因而獲取中國積雪物候數(shù)據(jù)集，進而探究中國積雪物候變化，具有重要的氣候，水文、生態(tài)和人文意義[13-14]。

積雪物候研究主要是需要日降雪的資料，通常通過地面臺站觀測和衛(wèi)星遙感兩種技術(shù)手段獲取。地面臺站是早年獲取氣象數(shù)據(jù)、積雪空間分布的主要途徑，很多學者使用地面站點數(shù)據(jù)進行了積雪物候相關(guān)研究[15-18]。但是氣象臺站多位于城市，代表性差，一些高海拔地區(qū)積雪分布廣泛但觀測點稀少，實測數(shù)據(jù)難以代表整個區(qū)域的積雪空間分布特征。遙感被廣泛應用在積雪各項參數(shù)的反演研究中，用于獲取積雪物候的主要遙感產(chǎn)品可以分為光學遙感產(chǎn)品和微波遙感產(chǎn)品。光學遙感產(chǎn)品時空分辨率較高，但受云的影響較大，微波雪水當量產(chǎn)品可以排除云的影響，但是空間分辨率較低，難以滿足積雪監(jiān)測[2]。目前更多的積雪產(chǎn)品主要是針對MODIS，雖然其空間分辨率較高，但時間序列較短，從2000年以后才可獲取數(shù)據(jù)。HAO等[19]基于NOAA的AVHRR CDR反射率數(shù)據(jù)，發(fā)展了一套中國1980-2020年5 km逐日無云積雪面積數(shù)據(jù)集，驗證總體精度達到85%以上，與知名的JASMES AVHRR產(chǎn)品相比，整體精度提高約15%，漏分誤差從 60.8%下降到19.7%，錯分誤差從31.9%下降到21.3%，能夠滿足積雪物候制備的需求。

因此，本文基于HAO等人的中國AVHRR逐日無云積雪面積產(chǎn)品[19]，獲取了中國水文年主要的積雪物候參數(shù)，積雪日數(shù)、積雪初日和積雪終日三個數(shù)據(jù)集，并利用地面臺站實測雪深資料對結(jié)果進行精度評估。本數(shù)據(jù)集可服務于中國積雪時空變化分析，為氣候研究，水文管理，生態(tài)環(huán)境，人文經(jīng)濟等科學研究、工程建設(shè)以及社會服務提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國1980-2020年5 km AVHRR逐日無云積雪面積產(chǎn)品[20]來自國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(www.ncdc.ac.cn)。該產(chǎn)品利用NOAA CDR AVHRR第四版本反射率數(shù)據(jù)作為輸入，通過云判別算法、雪判別算法和空缺值插補算法，最終獲取積雪面積產(chǎn)品（NIEER-CGF-AVHRR-SCE）。該數(shù)據(jù)集詳細信息如表1所示，其中1、2、3表示積雪，0表示非雪，4表示水體，255表示填充值。

表1 AVHRR逐日無云積雪面積產(chǎn)品詳細信息Table 1 NIEER-CGF-AVHRR-SCE dataset details

驗證數(shù)據(jù)來自中國氣象局（http://data.cma.cn）地面臺站觀測的1980-2020年每日地面氣候積雪資料數(shù)據(jù)集。具體觀測方法為當視野面積超過50%，利用米尺在北京時間8點人工測量氣象站雪深。觀測精確到1 cm，雪深小于1 cm的記錄為無雪，同時也記錄了缺測信息。最終，有積雪記錄的362個氣象站被用來對積雪物候數(shù)據(jù)集進行精度評估。

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)重分類成有雪無雪二值產(chǎn)品。

積雪日數(shù)定義為一個水文年上觀測到積雪的天數(shù)之和，公式如式（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表示無雪，t = 1表示有雪；

積雪初日定義為一個水文年中第一次出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的首日對應日期，即像元如果滿足公式（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水文年中最后出現(xiàn)連續(xù)5天是雪的終日對應日期[18]，即像元如果滿足公式（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 計算流程

積雪物候參數(shù)計算流程如下圖1所示，利用逐日無云AVHRR積雪面積產(chǎn)品作為輸入值，第一步對產(chǎn)品進行預處理，將產(chǎn)品的有雪柵格值（t）賦為1，無雪柵格值賦為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，計算每一個水文年的中國積雪日數(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

本數(shù)據(jù)集包含積雪日數(shù)、積雪初日、積雪終日3個目錄，每個目錄下包含40個逐水文年積雪物候參數(shù)文件，數(shù)據(jù)量為47.1 MB。文件命名規(guī)則示例：NIEER_AVHRR_TTT_5000m_YYYY-YYYY.tif，其中NIEER表示中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，AVHRR表示先進的超高分辨率輻射計，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），5000m表示空間分辨率，YYYY-YYYY表示水文年。積雪物候產(chǎn)品值代表的像元意義如表2所示，積雪物候參數(shù)取值范圍均為0~365或366，無效值為-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日開始第n天（nth）代表的日期。圖2-4是以1980-1981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 中國積雪物候產(chǎn)品詳細信息Table 2 Details of Chinese snow phenology dataset

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

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

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

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本數(shù)據(jù)集是基于積雪物候定義計算的遙感產(chǎn)品，為了保證結(jié)果的可靠性，使用站點實測雪深數(shù)據(jù)對積雪物候產(chǎn)品進行精度驗證，數(shù)據(jù)評估指標包括相關(guān)系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對誤差（MAE）均方根誤差。站點篩選原則為：不考慮整個雪季期間有雪天數(shù) < 20天的站點。共篩選出代表性氣象站點100個，主要分布在三大積雪區(qū)，本研究雪深> 2 cm則認為有雪，去除站點水文年存在nodata值的數(shù)據(jù)，站點雪深物候參數(shù)與本遙感數(shù)據(jù)集參數(shù)分布如圖5所示，圖5（a）所示，積雪日數(shù)的R2為0.86、RMSE為22.78天，MAE為13.26天；積雪初日和積雪終日由于定義的限制，剔除異常值，圖5（b）可以看到積雪初日的R2為0.76、RMSE為17.87天，MAE為7.51天；圖5（c）積雪終日的R2為0.94、RMSE為16.39天，MAE為7.76天，精度可靠。

圖5 積雪物候站點驗證圖Figure 5 Site verification diagram of snow phenology

4 數(shù)據(jù)價值

數(shù)據(jù)集以中國1980-2019年積雪面積5公里逐日無云產(chǎn)品為基礎(chǔ)資料，計算了逐年的積雪物候參數(shù)，地面站點驗證表明數(shù)據(jù)精度相對較高，可用于表征中國積雪時空分布及變化規(guī)律，可為中國境內(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)濟等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可從國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心（http://www.ncdc.ac.cn）下載獲取。數(shù)據(jù)文件均為GeoTIFF格式，可以通過GIS與遙感相關(guān)的軟件如ENVI、GRASS、ArcGIS等直接進行查看與應用，或者使用編程語言等相應的軟件進行編譯讀取、計算分析等。對多年數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，可以得到積雪物候區(qū)域時空分布及年際變化趨勢，可結(jié)合氣象因素、人類活動等進行區(qū)域積雪變化的驅(qū)動力分析，以期為生產(chǎn)及災害預警等提供信息服務。

致 謝

感謝國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心提供的1980-2020年積雪面積5公里逐日無云產(chǎn)品，感謝中國氣象局提供的地面氣候積雪資料日值數(shù)據(jù)集。