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冻土具有独特的物理特性,在陆表具有广泛的分布。冻土对陆表水热平衡、全球气候变化具有重要意义。因此,对冻土分布范围和地表冻融的持续时间和动态变化的监测具有重要的意义。利用被动微波遥感的手段对地表冻融进行监测,具有全天时、全天候,时间分辨率高等优势。但是目前对冻土微波辐射的特征和机理的研究仍然较少,这影响了冻土遥感监测精度的提高和冻土微波遥感由定性遥感向定量遥感的发展。在973课题“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”中第三课题“被动遥感反射、辐射机理与参数反演”,气象局公益项目“地表冻融过程及相变水量遥感监测算法研究”和自然科学基金“冻土微波辐射有效穿透深度研究”等项目的支持下,开展了冻土的微波辐射特征研究。包括对冻土介电常数的测量与模拟、利用车载微波辐射计对土壤冻融过程中的微波辐射进行的多次野外观测,以及相关的理论研究。
本研究内容和主要结论是：⑴研究了利用微波网络分析仪测量冻土介电常数的方法,设计了冻土土样夹具,解决了利用测量未冻土的介电常数时的测量方法测量冻土介电常数时遇到的问题。⑵测量了4种不同质地的土壤在不同温度和含水量下的介电常数,将实测数据与Dobson-Zhang介电常数模型的模拟结果进行了对比。从对实验数据的分析中发现,冻土中束缚水的弛豫频率是基本不变的,并确定束缚水的弛豫频率为7.7GHz,进一步通过实验数据,确定了冻土介电混合模型中经验参数的取值。该冻土介电常数模型对冻土的介电常数虚部有所改进。⑶对车载多波段微波辐射计的工作原理、定标、数据处理以及准确性的检验进行了研究和总结。研究表明,该辐射计具有很好的稳定性和准确性,经过定标后其测量的绝对误差在3K以内。⑷利用车载多波段微波辐射计在野外进行了多次土壤冻融过程的微波辐射观测,积累了大量的数据。在实验中发现了土壤冻结过程中亮温波动的现象,这种现象可以解释为正冻土的相干辐射。本研究用相干模型和非相干模型与测量结果进行了对比,发现相干模型可以定性地解释这种现象。⑸对微波对冻土的穿透深度问题进行了实验和理论研究。在铝板上覆盖不同厚度的冻土,利用微波辐射计测量,当亮温随冻土厚度的增大不再有明显上升时的冻土的厚度作为穿透深度。通过实验观测,发现K和Ka波段的穿透深度基本相同,约为1～2 cm；C和K波段的穿透深度约为3～4 cm。通过对实验数据的分析发现,频率和温度是影响微波对冻土的穿透深度的主要因素。通过模拟数据,建立了计算微波对冻土穿透深度的经验模型。⑹研究了K和Ka波段冻土微波辐射亮温梯度的特征。发现亮温梯度的变化主要受冻土中未冻水含量的影响。亮温梯度与未冻水含量之间有近似线性的关系。温度越低,冻土中未冻水含量越小,亮温梯度越小。提出了修正的亮温梯度,可以消除地表粗糙度对未冻水含量反演的影响。