反照率 · aiwiki.page

反照率是表面或物体反射的电磁辐射占入射电磁辐射的比例，通常指对太阳光的反射。它是一个无量纲量，通常用介于 0 和 1 之间的数值或百分比表示：反照率为 0.30，表示入射辐射的 30% 被反射。反照率有助于确定陆地、海洋和行星吸收了多少太阳能量，因此在气候科学、遥感和天文学中十分重要。这个词源于拉丁语中表示“白色程度”的词，但反照率并不只是衡量可见颜色的指标。(usgs.gov)

定义与物理意义

对于接收辐射的表面，反照率可写为

\alpha=\frac{F_{\mathrm{reflected}}}{F_{\mathrm{incident}}},

其中，两种通量的测量须涵盖相同的波长范围，并采用相容的角度范围。地表反照率通常涵盖反射到表面上方整个半球的辐射，而不只是朝某一观测者方向反射的辐射。对于无源表面，反射能量不能超过入射能量，因此通常以能量比例定义的反照率介于 0 和 1 之间。下文介绍的天文学中的几何反照率采用不同的归一化方式。(www-cdn.eumetsat.int)

对于不透明表面，吸收比例为 $1-\alpha$ ，因此吸收的太阳辐射通量为

F_{\mathrm{absorbed}}=(1-\alpha)F_{\mathrm{incident}}.

当辐射能够穿透材料时，不能直接将这一补数视为吸收比例，还必须计入透射能量。反照率涉及入射辐射的反射（光学）和散射，而不是表面受热后发出的热辐射。因此，太阳反射率与热发射率是不同的性质。(user.eumetsat.int)

光谱反照率与宽波段反照率

光谱反照率描述特定波长下的反射率。宽波段反照率将一定波长范围内的反照率按入射光谱加权汇总：

\alpha_{\mathrm{band}}= \frac{\int_{\lambda_1}^{\lambda_2} \alpha(\lambda)E_{\mathrm{incident}}(\lambda)\,d\lambda} {\int_{\lambda_1}^{\lambda_2} E_{\mathrm{incident}}(\lambda)\,d\lambda}.

其中， $E_{\mathrm{incident}}(\lambda)$ 为光谱辐照度。因此，宽波段反照率通常不是各光谱值的无权重平均值。同一种材料在可见光、近红外和整个短波范围内的反照率可能不同；即使是同一表面，在不同照明光谱下也可能具有不同的宽波段反照率。仅凭可见亮度不足以确定太阳反照率。(www-cdn.eumetsat.int)

方向依赖性

反照率既取决于材料性质，也取决于照明的几何条件。真实表面未必会向各个方向均匀散射辐射。其角度特性由双向反射分布函数（BRDF）描述，该函数将反射辐亮度与照明方向和观测方向联系起来。因此，卫星测得某一方向上的亮度，本身并不等同于测得半球反照率。(user.eumetsat.int)

地表数据产品通常区分以下三个量：

黑空反照率指仅有直射照明、没有漫射分量时的半球反射率。它取决于太阳天顶角。
白空反照率指照明完全来自上方半球、且为各向同性漫射辐射时的反射率。
蓝空反照率，也称实际反照率，适用于实际环境条件下直射辐射与漫射辐射混合的情况。(data.nasa.gov)

若将漫射照明近似视为各向同性，就可以根据入射辐射中直射和漫射分量所占的比例，对黑空反照率与白空反照率加权，从而估算实际反照率。因此，在将地表测量结果与标准化卫星产品进行比较时，必须考虑大气条件。(ntrs.nasa.gov)

地表反照率与行星反照率

地表反照率衡量地面、植被、积雪或水面的反射。行星反照率衡量整个行星（包括其大气层）将入射太阳光反射回太空的比例。二者不能互换：行星的反射既包括下方地表的贡献，也包括云和大气颗粒的贡献。(science.nasa.gov)

地球将入射太阳光的约 30% 反射回太空，因此全球行星反照率约为 0.30。这是一个在空间和时间上取平均的量，并非每个地点都具有的固定性质。云量、冰雪覆盖情况以及空气中的颗粒都会使其发生变化。(science.nasa.gov)

以下地表反照率示例体现了开阔水面与冰面的差异：

表面	近似反照率
典型条件下的开阔[[ocean	海洋]]水面
裸露海冰	0.50–0.70
积雪覆盖的厚海冰	最高约为 0.90

这些数值具有代表性，但并不普遍适用。融池会降低积雪覆盖海冰的反射率；随着融池扩大、加深，反照率还会进一步降低。(nsidc.org)

表面的外观也取决于观测方向。平滑的水面可能将反射的光导向远离卫星的方向，使海洋显得暗淡；云中的大量水滴则会将光散射到更广泛的方向。这一区别说明，不能将影像亮度直接等同于反射的总能量。(eros.usgs.gov)

在气候与能量平衡中的作用

反照率控制着地球能量收支中的短波部分。在其他条件不变时，行星反照率升高会减少吸收的太阳能量，反照率降低则会增加吸收的太阳能量。由此引起的温度响应还取决于热辐射发射、大气过程和能量输送。(science.nasa.gov)

对于一个邦德反照率为 $A_{\mathrm B}$ 、热辐射发射均匀、热发射率为 1 且没有内部热源的理想化行星，辐射平衡给出

\frac{S(1-A_{\mathrm B})}{4}=\sigma T_{\mathrm{eq}}^4,

或

T_{\mathrm{eq}}= \left[\frac{S(1-A_{\mathrm B})}{4\sigma}\right]^{1/4}.

其中， $S$ 为行星所在位置的恒星辐照度， $\sigma$ 为斯特藩—玻尔兹曼常数。因子 4 来自球体总表面积与其投影圆盘面积的比值。这一平衡温度不一定等于实际地表温度：温室效应和不均匀受热都会改变二者之间的关系。(ntrs.nasa.gov)

冰—反照率反馈

冰—反照率反馈是气候系统中一种重要的正反馈。变暖可能减少积雪和海冰覆盖，露出能够吸收更多太阳光的较暗表面。吸收增加又会促进进一步变暖和融化。反过来，反射性较强的积雪或冰层扩大，也可能加强冷却。这里的“正”表示这一过程会放大最初的变化，而不是说其影响有益。(nsidc.org)

人类活动也可以通过毁林、农业和城市化改变反照率。反照率变化只是由此引发的环境响应的一部分；单凭这一变化，无法描述碳储存、水分交换或完整的局地能量平衡如何变化。(usgs.gov)

天文学中的定义

邦德反照率

**邦德反照率**是天体散射回太空的辐射功率占入射总辐射功率的比例，需要对出射方向积分；对于全波段形式，还需对入射光谱积分。在计算行星吸收的恒星辐射功率和辐射能量平衡时，应使用这一反照率。(ntrs.nasa.gov)

几何反照率

**几何反照率**将天体在相位角为零时（即受光面朝向观测者时）的亮度，与一个投影面积相同、理想且完全反射的漫反射平面圆盘的亮度进行比较。它描述的是相对于参照物的视亮度，而不是向所有方向反射的总能量比例。因此，几何反照率与邦德反照率不能相互替代。(psg.gsfc.nasa.gov)

在指定波长下，二者的关系为

A_{\mathrm{sph}}(\lambda)=p(\lambda)q(\lambda),

其中， $p$ 为几何反照率， $q$ 为相位积分：

q(\lambda)=2\int_0^\pi \Phi(\lambda,\theta)\sin\theta\,d\theta.

归一化相位函数 $\Phi$ 描述亮度如何随恒星—天体—观测者之间的相位角 $\theta$ 变化，并满足 $\Phi(\lambda,0)=1$ 。将由此得到的球面反照率按入射恒星光谱积分，即可得到全波段邦德反照率。因此，仅在一个波长或很窄的相位角范围内进行观测，并不能直接确定完整的能量反射比例。(ntrs.nasa.gov)

测量与应用

在地面，可以使用配对的辐射传感器，分别记录入射和反射的短波通量，从而测量反照率。卫星反演在将观测到的辐亮度转换为反照率之前，必须考虑大气效应、观测几何条件和地表的方向反射特性。反演还可能需要将窄光谱波段的测量值转换为宽波段量。(www-cdn.eumetsat.int)

反照率数据集用于气候模型、天气预报和陆地表面能量交换研究。重复观测有助于识别植被、土壤湿度、侵蚀和土地覆盖的变化，不过，反射率变化的原因仍须结合其他信息来确定。(lsa-saf.eumetsat.int)

在建筑设计中，高反照率屋面能够减少太阳光的吸收，有助于限制屋顶温度升高并减轻城市热岛效应。其性能还取决于热发射率：高反射率材料与能够高效地将所吸收热量辐射出去的材料，具有不同而互补的辐射性质。(epa.gov)

解读与局限性

如果不说明波长范围、照明条件、角度定义以及空间和时间平均方式，一个反照率数值所提供的信息就是不完整的。地表测量与大气顶层测量回答的是不同问题，而几何反照率与邦德反照率采用不同定义。在比较时，必须保留这些区别。(user.eumetsat.int)

当地面传感器采样的区域具有非均一性、无法代表整个卫星像元时，验证工作就会变得复杂。在检测微小变化时，仪器校准、大气校正和测量不确定度也很重要。时间较短的记录可能使自然变率与持续趋势混淆；可靠的解读需要一致的测量方法和适当的观测时段。(lpvs.gsfc.nasa.gov)

参考来源

Landsat Science Team's Crystal Schaaf Discusses Albedo, Its Importance, and How It Can Affect Climateusgs.gov
Earth’s Albedo in Declinescience.nasa.gov
Climate and Earth’s Energy Budgetscience.nasa.gov
Measuring Earth’s Albedoscience.nasa.gov
Planetary Spectrum Generator Handbookpsg.gsfc.nasa.gov
NASA Technical Memorandum 78558ntrs.nasa.gov
PDS: Data Set Informationpds.nasa.gov
Meteosat Surface Albedo Retrieval: Algorithm Theoretical Basis Documentuser.eumetsat.int
EUMETSAT Symposium 2008: Manninen et al.www-cdn.eumetsat.int
METimage Science Planuser.eumetsat.int
Approach — UMass Bostonumb.edu
MODIS/Terra+Aqua BRDF/Albedo White Sky Albedo Band7 Daily L3 Global 30ArcSec CMG V061data.nasa.gov