论文部分内容阅读
积雪是全球陆地生态系统、水循环和能量循环的重要组成部分。积雪对地表能量、水分和气体流通有着很重要的影响,这些反馈强度也给气候预测系统带来了很大的不确定性。积雪除了在气候系统、生态系统中起着重要作用,积雪也是重要的水资源,积雪-气候的相互作用非常复杂,而且积雪对气候的作用也给生态系统带来很大的影响。雪中水资源存贮量的测量以及预测融化速率对于水资源管理和洪水控制系统都是非常有必要的。因此,如何快速获得大范围、高精度的积雪信息以满足上述领域的需求已经成为当前研究的热点问题。由于积雪在空间和时间上的多变性,许多积雪特性参数在不通过遥感技术手段的情况下,很难进行检测。卫星遥感技术的发展为大尺度检测地球表面积雪提供了新的技术手段,更是把传统的“点”测量方法扩展到了“面”观测的层面,克服了传统积雪测量的不足。由于可见光好近红外辐射信号不能穿透积雪,而且冰和积雪的光学特性相似,积雪反射率在这些波段对积雪深度、雪中水含量等信息不敏感(除了非常浅的雪)。微波对物体散射有很高的灵敏度,使其在获取雪深及雪层内部性质信息方面具有比可见光、近红外波段无可比拟的优势,为微波手段反演积雪散射特性参数提供了可能。粗分辨率的被动微波信号不能反演局地的积雪参数变化。由于高分辨率的雷达数据不仅费用较高而且时间周期长,因此大尺度的土壤水分、雪水当量等地表参数监测,主要采用主动微波散射计和被动微波辐射计。全球水循环观测卫星计划WCOM是以地球科学目标为驱动的空间地球科学探测卫星,其搭载的散射计应用于积雪参数的反演研究。本研究是针对WCOM卫星的特点以及相应的科学目标,发展主动微波散射计在湿雪判别、积雪湿度反演和雪水当量反演算法。本文的主要内容概括如下:1、由于微波对水的穿透能力很弱,当积雪中含有水时无法穿透积雪层,进而无法估算SWE信息。因此在进行SWE反演之前,需要将湿雪剔除。积雪中液态水的出现会使微波的吸收作用急剧增加,体散射作用降低。因此积雪由干到湿,会出现散射信号的骤降。前人的研究指出在C波段干湿雪的判别阈值为3d B,我们基于前向模型探究了该阈值的适用性,并利用时间序列的积雪散射信号发展了湿雪判别的新方法。2、雪水当量是雪密度和雪深度的乘积,表示融雪中的潜在含水量,在流域水量平衡和融雪径流预报以及雪灾监测与评价中起着重要作用。前人研究表明,X与Ku波段被证实是反演SWE的有最佳组合波段。故本文基于Bicontinuous-VRT模型模拟的X和Ku波段数据库发展主动微波雪水当量反演算法。首先,验证了前向模型的准确性并说明了X和Ku波段对积雪粒径的敏感性;然后,对积雪体散射信号进行参数化;构造代价函数并优化求解估算雪水当量;最后,利用实测数据对反演结果进行了验证,结果显示使用本算法估算的雪水当量值分别为在2009-2010年冬季的均方根误差(RMSE)为16.59毫米,在2010-2011年的冬季为19.70毫米。3、积雪湿度是水资源供给主要来源,也是天气预报、交接气候变化的主要指标。故对干湿雪分类之后,对湿雪湿度进行定量化反演。首先利用模拟数据库对湿雪散射信号的影响因子进行了分析;继而,从面、体散射分别研究,探究他们在频率、极化方面的关系;以这些关系为基础,发展积雪湿度的反演算法。