北半球中高纬地表反照率对积雪变化的响应研究

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地表反照率是反映地表对太阳短波辐射反射特性的关键物理参量,定义为表面总反射辐射通量与入射辐射通量之比。其中积雪参量(包括积雪覆盖度、积雪深度、雪水当量和积雪物候等)是影响北半球中高纬地表反照率时空分布的关键因素,在不同时空尺度上决定着积雪覆盖时段地表反照率的变化。在全球气候变化的背景下,北半球中高纬地区的积雪参量正在发生着显著变化,使得北半球中高纬的地表反照率发生响应变化,并通过地表反照率辐射强迫效应和反馈作用进一步增强和放大全球气候变化的影响。虽然目前在一些区域尺度和短时间序列上有一些地表反照率与积雪参量关系的分析,但是对于北半球地表反照率对积雪参量变化响应仍缺乏系统性的探索和分析。因此有必要基于长时间序列多源卫星遥感数据集,分析北半球中高纬区域地表反照率对积雪变化的响应,明确积雪变化与反照率之间的关系及其对全球气候变化的影响。本研究基于长时间序列GLASS(Global Land Surface Satellite)地表反照率产品以及多种积雪参量(积雪覆盖度、积雪深度、雪水当量和积雪物候)数据集,首先通过Theil-Sen和Mann-Kendall方法得到了北半球中高纬地表反照率和多种积雪参量的时空变化特征,然后使用多元线性回归分析和偏相关分析等方法得到了北半球中高纬地区典型积雪参量对地表反照率的解释度,以及积雪参量对地表反照率变化的影响程度,初步明确了北半球中高纬地表反照率对积雪参量变化的响应。其中本研究的主要发现为:(1)基于GLASS地表反照率数据集获得了北半球中高纬地表反照率1982-2014年的年均和季节时空变化趋势,其中地表反照率降低趋势主要出现在格陵兰岛、中国黄土高原、中西伯利亚和阿拉斯加南部等地区;而地表反照率上升趋势主要出现在加拿大北部、欧洲中部和中国东北地区。其中在冬季(DJF)和春季(MAM),北美洲南部、中亚和中国东北地区,地表反照率的年际变化与积雪参量具有较强的相关性;(2)积雪覆盖度在60°N以上除加拿大北部以外的大部分地区,大多呈现显著的下降趋势;而在45°-50°N附近如中国东北和西北部、加拿大南部,积雪覆盖度则呈现相反的上升趋势。积雪深度在60°N以上的大部分地区呈现显著的下降趋势;而在中国西北部、俄罗斯的东南部和西南部,主要呈现上升趋势。在冬春两季,雪水当量在俄罗斯中部和东北部、欧洲北部以及加拿大北部和阿拉斯加地区都呈下降趋势;而在中国东北地区、俄罗斯的东南地区以及加拿大的南部地区都呈显著的上升趋势。欧洲东部地区和加拿大巴芬岛的部分地区的雪水当量在冬季呈下降趋势,而在春季呈上升趋势。(3)基于多元线性回归方法对北半球中高纬地表反照率和典型积雪参量(积雪深度、积雪覆盖度和雪水当量)的关系分析结果表明,积雪深度、积雪覆盖度和雪水当量三因子对北半球中高纬地区地表反照率具有较高的解释度。在北半球的春季和秋季,三个积雪因子在45°N左右对反照率的解释度非常高,而三个积雪因子对反照率的解释度在春季高纬度地区要高于冬季的解释度。(4)基于偏相关分析方法对北半球中高纬地表反照率和典型积雪参量(积雪深度、积雪覆盖度和雪水当量)的关系分析结果表明,在冬季积雪覆盖度与地表反照率的相关关系在俄罗斯东南和西南部较高,而在春季积雪覆盖度与地表反照率的相关关系无显著的空间分布规律;在冬季积雪深度与地表反照率在俄罗斯东南和西南部、欧洲东部和加拿大的西部地区的相关性较高,而在春季积雪深度与地表反照率的关系无显著的空间分布规律;在冬季雪水当量与地表反照率在俄罗斯东南和西南、加拿大南部具有显著的相关性,而在春季没有显著的空间分布规律。本研究分析得到了1982-2014年北半球中高纬地区地表反照率和典型积雪参量时空变化趋势,初步明确了北半球中高纬地表反照率对典型积雪参量变化的响应规律,增强了对北半球中高纬地表反照率时空变化规律的理解,有效推动了全球气候变化背景下地表反照率对气候变化和人类活动的响应研究深入向前发展。
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