积雪被动微波遥感研究

积雪被动微波遥感研究

摘要：全球积雪覆盖范围广，在气象、水文、生产、生活、自然灾害等方面均有重大的影响作用,因此，对积雪的研究均受到科学界多领域的广泛重视。传统观测消耗大量的人力、物力，所得数据具有不确定性，并且在一些地区很难实施，光学遥感主要用于积雪覆盖范围的观测，并受天气影响显著，因此，微波在积雪研究中拥有显著的优越性。本文对微波遥感在积雪研究中的意义、发展历史、原理、存在的问题和前景展望进行了阐述，并利用实例予以说明。

关键词：积雪深度，微波遥感，传感器，算法。

一、研究意义

积雪是地表最活跃的自然因素之一，地球上陆地有四分之三的淡水资源以冰雪形式存在。欧亚大陆和北美洲地区在冬季至少有80%的范围是被积雪所覆盖。

积雪是气象学和水文学中的一个非常重要的参数。积雪的多寡不仅是影响气候变化的重要因子，季节性雪盖和冰川是全球水循环中的重要成分，监测季节性雪覆盖的范围以及冰川的堆积和消融地带对于理解全球水循环是十分必要的。在中高纬度地区，它是河流与地下水的主要补给来源之一，是干旱、半干旱地区生态系统的重要水源，被用于灌溉、生活和发电。积雪覆盖面积的动态变化对水体和能量循环以及社会经济和生态环境均具有重大的影响。

雪也会造成许多自然灾害，如牧区雪

灾和不期而遇的雪崩等都会给生命财产

带来重大损失。积雪不仅会掩埋牧草，造

成畜牧草料供应不足，而且在没有饲草储

备或储备不足的牧区，造成大批家畜因冻

饿而死亡的情况，从而发生“雪灾”。如

青海草原辽阔，草原面积3647x104he，其

中可利用草地面积3161x104ha，是我国六

大牧区之一。雪灾是青海牧区冬春季节的

主要自然灾害，每年10月至次年4月这

一时段，青海牧区玉树、果洛、黄南南部、

海南南部、祁连山等地区极易出现局地或区域的强降雪天气过程，加之气温较低，积雪难以融化，时常造成大雪封山、冻死、饿死牲畜，使牧区人民生命财产遭受巨大损失。

另外，雪的反照率在地表各种自然物质中,几乎是最高的,新雪的反照率高达0·9以上,陈雪的反照率也在0·4以上,因此积雪会反射大量到达地表的太阳短波入射辐射,深刻影响着地球表面的能量平衡.雪是热的不良导体,它显著减小了地表和大气之间的热量交换,可保护雪盖下植物的生长,并影响冻土的发育等地表自然过程。

因此，多年来对积雪的研究一直引起地理学、气象气候学及水文学等学科科技工作者的广泛关注与重视。

二、微波遥感观测的必要性

地面常规观测是积雪监测的一种最直接有效的途径,

遍布世界各地的气象、水文观测站进行常规积雪观测。

但地面观测站点的分布密度十分不均匀, 大部分积雪位

于气候恶劣、人迹罕至的两极和高山地区，传统观测难

以企及，如在格林兰岛、南极洲以及欧亚、北美高纬度

的北极地区缺乏观测数据。我国多积雪地区大都是广袤

的高原、山脉、荒漠、戈壁或原始森林覆盖，多为无人

区，地面观测站点稀少。

传统的点观测的气象台站获得的数据，有一个明显

的问题是离散点的气象观测和数据的空间分布与模型的

尺度性具有很大的不确定性，而理论上的经验值往往来

自一个很小的尺度范围（NMP）或只有很低的空间尺度

（GCM），而且这种方法繁琐、耗资大。因此，传统的方

法很难大范围、高效率和全过程地对气候及水文模型

中的重要参数进行常规测量。

随着空间科学技术的进步与发展，卫星遥感监测手段逐渐成为一种有效的积雪监测手段。与传统观测手段不同，遥感把传统的“点”测量方法获取得有限代表性的信息扩展为更加符合客观世界的“面”信息（区域信息），这使我们真正地对地表参数进行定量分析成为可能。同时，由于积雪的分布和动态特性，只有用遥感方法才能达到有效监测，才能获取不同尺度、大范围、高精度的地表积雪参数，并为全球或区域尺度气候模

式与水循环提供有效积雪参数。

因此,卫星遥感从诞生之日起,就和积雪研究结下了不解之缘，从可见光到微波的一系列传感器都在观测各种积雪参数中发挥了不可替代的作用，各种日趋成熟的积雪参数遥感方法被发展了起来。国际冰川学会先后组织过4次冰冻圈遥感国际研讨会，并出版冰冻圈遥感的专辑，其中积雪遥感的文章最为集中。在先后问世的3部冰雪遥感专著中，积雪遥感被重点介绍。在地球观测系统(EOS)及气候与冰冻圈(CliC)等一系列国际研究计划中，积雪遥感都被赋予重要的位置。欧空局近期更是将发射专门用于积雪遥感的Ku波段雷达卫星提上了日程。

积雪遥感中最为常用的波段是可见光、近红外和微波，其中，可见光和近红外主要用于提取积雪覆盖范围，它们最大的弱点是不能用于反演雪深和雪水当量。可见光和近红外遥感受天气、云层影响明显，不利于光学遥感观测。如我国2008年南方雪灾，由于南方持续阴雨，云层持续不散，光学产品在冰雪灾害即将结束的2月初，当地出现晴空后,才逐渐捕捉到了部分地面积雪分布信息。

微在积雪遥感中处于不可缺少的位置，它不仅能够全天全天候地观测积雪，也能够穿透大部分积雪层从而探测到雪深和雪水当量的信息。由于被动微波遥感具有很高的时间分辨率，能够迅速覆盖全球，因此，它在监测全球和大陆尺度的积雪时空变化中，作用尤为突出。自20世纪70年代以来，几代微波辐射计已经获取了全球积雪深度的较为可信的资料，各种成熟的积雪遥感数据产品也已经被应用于气候和水文研究以及灾害评估等领域。

被动微波获取的积雪产品可用于（Rott等，1994）：

1）大尺度气候模型（模型输入和验证）；

2）数值天气预报（NWP）；

3）天气预报尺度与中尺度模型；

3）水文应用：监测与模型融雪径流等；

4）农业：霜冻灾害；

5）气候监控与变化监测；

6）冰盖（Melt/Dry）：融化地区判据；

7）地球物理：地球震荡（Wobble）研究；

8）湖面冰盖冻结与融化，作为气候变化的判据。

三、发展历史

1978年携载多通道扫描微波辐射计SMMR的雨云-7卫星发射升空,揭开了积雪微波遥感监测的新纪元。1987年，美国国防气象卫星(DMSP:Defense Meteorological Satellites Program)携载专用微波辐射计成像仪SSM/I上天，进一步促进了被动微波遥感积雪的研究和应用。随着积雪反演算法的进一步改进以及更高空间分辨率的AMSR-E和我国FY3的MWRI数据的应用，被动微波遥感必将成为积雪遥感业务监测的重要手段，为气象气候模型与水文模型提供关键的输入参数。

微波辐射理论的研究从1901年Max Planck提出普朗克辐射定律到现在已有100多年历史了，其应用领域也日益广泛。在积雪监测中最早利用微波数据的是Chang等在辐射传输理论和米氏散射理论的基础上，在假设雪密度为0. 3 g/cm3且雪粒径为0.35 mm的前提下，结合地面观测雪深资料，通过回归分析，得出利用SMMR被动微波亮温数据反演雪深的算法，成为利用SMMR和SSM/ I数据反演雪深的基本算法，如（1）。