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利用遥感监测积雪覆盖范围,并进一步获取雪深、雪水当量等信息对于水文应用和全球气候变化监测等都具有重要意义。利用卫星遥感数据,可以获取大量重复观测数据,特别的微波遥感不受云盖的影响并能穿透积雪层获取积雪层内部的信息。为了充分地利用微波遥感获取的信息,就必须深入地研究积雪的电磁波特性,理解极化电磁波与积雪层内部及其覆盖下的地表相互作用机制,给出定量的数值特征。
在本研究中,积雪层的单散射体模型通过Mie散射理论实现,采用致密介质理论解决积雪层的相干散射问题,随后将获取的相关参数带入矢量辐射传输方程,并利用AIEM模型改进了已有模型中关于随机粗糙面描述的部分,发展了多层积雪主被动辐射传输模型。通过美国NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)CLPX(ClodLandProcessExperiments)实验数据和黑龙江省漠河县Radarsat-2同步观测实验数据对模型进行了验证,在此基础上,我们还对模型的敏感性进行了分析。本文主要的研究内容有:
1、通过Mie散射理论对积雪中单个冰晶粒子的散射进行建模,并分析频率、粒径、温度和湿度等参数变化对单个冰晶粒子散射和消光的影响。
2、利用致密介质理论研究了积雪层的相干散射特性。主要通过对典型积雪参数的数值模拟,研究了频率、雪粒径和粘度、密度、温度以及湿度等参数的变化对散射系数和消光系数影响与作用机制。
3、针对自然积雪垂直分层的特性,基于致密介质理论和离散坐标特征分析方法发展了多层积雪被动微波辐射传输模型,并利用18.7GHz和36.5GHz的地基辐射计数据和实测的积雪状态参数对模型进行了验证。
4、引入MatrixDoubling方法发展了多层积雪主动微波辐射传输模型,并利用Ku波段地基散射计数据和C波段的Radarsat-2实测数据对模型进行了验证。
5、利用本文发展的多层积雪主被动辐射传输模型模拟分析,研究了积雪层参数的敏感性,并对这些参数的作用机制进行了分析。
本研究的创新性成果主要包含以下几个方面:
1、比较了Rayleigh散射和Mie散射在微波遥感积雪中的适用范围,并系统地分析了冰晶粒子的散射特性和影响因素；
2、通过数值模拟,对积雪体相干散射特性进行了分析,比较了QCA-Mie和IBA在散射、吸收特性上存在的差异,从物理机制上指出了OCA-Mie应用于积雪遥感可能存在的问题。
3、联合QCA-Mie理论和IEM/AIEM,改进了现有的单层积雪模型,发展了多层积雪主被动辐射传输模型。
4、系统分析了湿度对单散射体,体散射以及亮温和后向散射系数的影响和作用机制。