基于卫星的反照率数据

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什么是地面反照率

地面反照率是地球表面反射的太阳辐照度所占的比例，计算方式为反射水平辐照度（RHI）除以全球水平辐照度（GHI）。反照率无量纲，取值范围为 0（完全吸收）至 1（完全反射）。大多数天然陆地表面的反照率介于 0.15 至 0.35 之间；水体较低（约 0.05），而新雪或洁净冰面可超过 0.85。

反照率决定了有多少反射太阳辐射能够到达光伏阵列，因此它是计算倾斜面总辐照度（GTI）的关键参数——参见 Solargis 卫星模型——对双面光伏系统尤为重要，因为反照率直接影响到达组件背面的反射太阳辐射。随着双面光伏（PV）技术的出现，传统上将地表反照率视为恒定值的假设日益受到挑战；该技术高度依赖准确的反照率数据，以最大化利用反射的太阳能。

地面反照率计测量通常更能代表当地的地表状况，但一般只能覆盖有限的时段。卫星推导的反照率估计值（例如通过 MODIS 与 VIIRS 数据产品获得的估计值）提供了可靠的替代方案，具有长期历史记录和全球覆盖。此外，来自数值天气预报（NWP）模型的再分析数据集可提供无数据缺口的反照率输入，进一步提升数据可靠性。

Solargis 以两种格式提供地面反照率：覆盖 2000 年 2 月至今的每日反照率时间序列，更适合尽职调查阶段；以及 2006 年至 2015 年无数据缺口的长期月均反照率，通常建议用于预可行性阶段。

图 1：美国某示例站点基于卫星的反照率空间表示。

Solargis 如何从卫星数据推导反照率

反照率是基于卫星平台上的仪器所获取的地表反射率数据估算得出的。其中一种仪器是中分辨率成像光谱仪（MODIS），搭载于 Terra 与 Aqua 卫星上。这两颗卫星分布在互补轨道上：Terra 在上午自北向南穿越赤道，而 Aqua 在下午自南向北穿越。两者配合，可每 1 至 2 天实现对地球表面的近全球覆盖。

自 2012 年起，MODIS 记录由可见光红外成像辐射仪套件（VIIRS）加以延伸和补充，该仪器搭载于 Suomi-NPP、NOAA-20（JPSS-1）与 NOAA-21（JPSS-2）平台。VIIRS 采用与 MODIS 相同的基于 BRDF 的反演方法，同时提供白空反照率（WSA）与黑空反照率（BSA）。多个平台并行运行，可增加每日可用的有效观测数量，并在个别卫星任务达到使用寿命时保障反照率记录的连续性。

即使使用 MODIS 或 VIIRS 数据，反照率通常也不会作为独立的卫星产品直接提供。它由两个不同的分量推导得出：黑空反照率（BSA）与白空反照率（WSA），二者分别代表入射太阳辐射完全为直射和完全为漫射条件下的地表反射率（参见 Surface albedo and reflectance: Review of definitions, angular and spectral effects）：

在计算有效反照率值时，采用来自 Solargis 辐照度数据库的漫射比（D2G）数据，将黑空反照率与白空反照率结合——关于 Solargis 如何将总辐照度分解为直射与漫射分量，参见太阳辐照度分量。这种结合方式可在不同太阳辐射条件下更准确地表示反照率。

每日反照率时间序列

Solargis 反照率时间序列提供自 2000 年 2 月至今的每日反照率值，空间分辨率为 0.5 公里，由 MODIS 与 VIIRS 卫星产品推导而来。该数据集存在数据缺口。关于 Solargis 时间序列与 TMY 数据集的总体结构，参见时间序列和 TMY 数据。

每日反照率时间序列的数据来源

对于 Solargis 反照率时间序列，仅采用具有长期历史记录且时间分辨率至少为日值的数据源。Solargis 目前结合 MODIS 与 VIIRS 卫星产品推导每日反照率时间序列：

• MODIS（MCD43A3）提供自 2000 年 2 月起的历史记录。

• VIIRS 自 2012 年 1 月至今通过三个平台延伸并补充该记录：Suomi-NPP（VNP43MA3）、NOAA-20（VJ143MA3）与 NOAA-21（VJ243MA3）。

所使用的 VIIRS 产品均为空间分辨率 1 公里的中分辨率（M 波段）反照率产品，提供白空反照率（WSA）与黑空反照率（BSA）。但这些产品存在数据缺失（数据缺口），主要由持续性云覆盖造成。

重要提示：自 2025 年起，MODIS MCD43A3 产品在部分地点已报告存在数据质量问题。Suomi-NPP VNP43MA3 产品计划于 2026 年 11 月停止提供；NOAA-20（VJ143MA3）与 NOAA-21（VJ243MA3）产品将保障此后 Solargis 反照率时间序列的连续性。

何时使用每日反照率时间序列

相比长期月均反照率，以下情形更适合使用每日反照率时间序列：

• 需要将卫星推导的反照率与地面反照率测量进行比较。

• 月均数据可能不足以反映个别随机事件（如短时积雪），此类事件仅以平均效应体现。

• 项目所在地的土地覆盖可能随时间发生变化，2006 年至 2015 年的平均值可能无法代表当前状况。

• 项目所在地的土地覆盖相当不均一，基于 MODIS 的时间序列具有更高的原生分辨率（0.5 公里），比 1 公里的长期月均数据集更具代表性。

每日反照率时间序列的技术规格

图 2：西班牙阿尔梅里亚某站点的反照率每日时间序列表示。

长期月均反照率

Solargis 长期月均反照率提供无数据缺口的全球数据集，包含 12 个月均值和 1 个年均值，空间分辨率为 1 公里，覆盖 2006 年至 2015 年这一 10 年期。

无缺口月度数据集的构建方式

卫星推导的反照率数据中出现缺口不可避免，通常由持续性云覆盖或误判造成，这些缺口会反映在历史时间序列数据集中。因此，时间和空间上的缺口在源自 MODIS 与 VIIRS 的时间序列数据中较为常见。缺口的大小受数据集空间分辨率影响，其持续时间则取决于云天条件的持续程度。

尽管存在这些挑战，仍可通过计算月均值来构建无数据缺口的数据集。具体做法是将经过预处理的 MODIS 产品与气象再分析数据库（例如 ECMWF ERA-5 和 NASA MERRA-2 项目）中的额外数据集相结合。

基于再分析的反照率计算的主要优势在于，能够为任何地表提供一致且无缺口的全球数据。其代价是空间分辨率低于其他方法。

在计算反照率月均值时，以经过缺口填补的无雪 MODIS 产品 MCD43GF 作为主要数据来源。但由于该 MODIS 产品不包含短时积雪的反照率值，因此结合了其他 MODIS 产品与 ERA-5 再分析数据，以构建适用于各类陆地表面（包括短时积雪）的无缺口高分辨率数据集。最后，利用美国国家冰雪数据中心（NSIDC）的额外信息补充海冰反照率。为纠正 MODIS 陆海掩膜精度不足所导致的缺陷和误差，我们还使用了 Solargis 数据库中的额外图层。

由此得到的数据集提供无数据缺口的反照率信息，具有高空间分辨率和全球覆盖，适用于太阳能与环境建模的多种应用。

何时使用长期月均反照率

长期月均反照率通常建议用于预可行性阶段，可提供站点反照率状况的总体概览。以下情形同样适用：

• 需要无数据缺口的数据集。与每日反照率时间序列不同，长期月均反照率不含缺失值。

• 所在位置包含每日 MODIS 与 VIIRS 陆地产品未覆盖的地表，例如海冰——月度数据集通过 NSIDC 数据涵盖了这类地表。

长期月均反照率的技术规格

图 3：西班牙阿尔梅里亚某站点的反照率月均值表示。

与地面测量的验证对比

Solargis 的最终反照率产品已通过现有的反照率计地面测量数据完成验证。反照率计由两个反向安装、与水平面平行的总辐射表组成，可同时测量全球水平辐照度（GHI）与反射水平辐照度（RHI）。关于各站点的验证统计量（包括偏差、MAD、RMSD、STD 和相关系数），参见环境因素的验证。

为提高卫星推导地面反照率数据的准确性，对于反照率显著影响预期发电量的项目，通常会开展专门的地面测量活动。此类活动可提供局地化的高精度数据，作为卫星估算值的补充。

然而，由于反照率本身具有时间变异性，测量活动可能产生离散度很大的结果，具体受观测周期长度影响。仅持续数天的短期测量活动，其误差往往大于卫星数据的误差，这凸显了延长测量时长对可靠验证的重要性。

在具备足够质量和长度的地面测量数据时，可对卫星推导的反照率时间序列进行局地校正，使其更好地代表现场状况——参见反照率数据的场地适配。

延伸阅读

• “Surface albedo and reflectance: Review of definitions, angular and spectral effects, and intercomparison of major data sources in support of advanced solar irradiance modeling over the Americas”。C. Gueymard、V. Lara-Fanego、M. Sengupta、Y. Xie，2019，《Solar Energy》，第 182 卷，2019 年 4 月，第 194–212 页

• “如何使用反照率进行更准确的双面光伏估算”。白皮书。Solargis 网站，2022 年。

• “前景图层”

• “Solargis 术语表”