A land surface phenology assessment of the northern polar regions using MODIS reflectance time series

Abstract

The study of changes in phenology and, in particular, land surface phenology (LSP) provides an important approach to detecting responses to climate change in terrestrial ecosystems. LSP has been studied primarily through analysis of time series of vegetation indices retrieved from passive optical sensors, such as the series of AVHRRs on polar-orbiting satellites and the pair of MODIS sensors on the Terra and Aqua platforms that provide higher spatial, spectral, and radiometric resolution. Most broad-scale vegetation studies use normalized difference vegetation index (NDVI) data. Here, we provide an overview of the LSP of the northern polar and high-latitude regions (≥60°N) based on MODIS data at climate modeling grid (0.05°) resolution. We demonstrate the relationship between three onset-of-greening measures and snow cover and accumulated growing degree-days. We show that the Arctic Oscillation index is significantly correlated with the peak timing of the growing seasons since 2000 for a range of ecoregions, and we demonstrate that there were more than three times as many negative NDVI changes since 2000 as positive changes (25.3% versus 7.3%) based on all land area above 60°N. We reveal that these changes are predominantly driven by minimum temperature changes.

L'étude des changements de phénologie et, en particulier, de la phénologie de la surface de la terre (« land surface phenology », LSP) fournit une approche importante pour détecter les réactions au changement climatique dans les écosystèmes terrestres. LSP a été étudié principalement par l'analyse des séries temporelles des indices de végétation issues de sondes optiques passives, telles que la série d'AVHRRs sur les satellites orbitaux polaires aussi bien que les paires de sondes de MODIS sur les plates-formes Terra et Aqua qui fournissent une plus haute résolution spatiale, spectrale, et radiométrique. La plupart des études à grande échelle de vegetation emploient des données de l'indice normalisé de différence de végétation (NDVI). Ici, on fournit une vue globale de la phénologie de surface de la terre des régions de haute latitude et polaires (≥60°N) basées sur des données de MODIS à la résolution de la grille du modèle climatique (0,05°). Le rapport entre trois mesures de l'apparition de l'écologisation, de l'enneigement et des degrés-jours croissants accumulés est démontré. Il est aussi prouvé que l'indice de l'oscillation arctique est sensiblement corrélé avec les points maximaux des périodes de végétation depuis 2000 pour une gamme d'écorégions et qu'il y avait plus de trois fois plus de changements négatifs de NDVI depuis 2000 que de changements positifs (25,3 % contre 7,3 %) sur toute la région terrestre au-dessus de 60°N. Il est indiqué que ces changements sont principalement conduits par des changements de température minimaux.