积雪被动微波遥感的研究进展与前景展望

中国科学院兰州冰川冻土研究所的研究人员通过国际合作引进了被动微波积雪研究方法和SMMR数据，并且较系统地比较了我国西部气象台站的雪深资料和SMMR反演结果，评价了雪深和雪水当量算法的精度和适应性。曹梅盛等在早期的工作中利用数字地形模型数据，在地理信息系统支持下，将中国西部分成5个地貌单元(盆地、高原、丘陵、低山和高山)，对Chang的公式进行修正，得出利用SMMR被动微波亮温数据反演雪深的修正算法；李培基在我国西部地区利用可见光积雪数据（OL S)与SMMR反演的积雪深度数据进行了订正；柏延臣等对青藏高原雪深进行反演，并结合地面观测雪深资料对其结果进行了评价；高峰等根据曹梅盛和李培基的研究结果.结合实际应用，对Chang的半理论、半经验算法进行了修正，并模拟分析了青藏高原逐日积雪深度分布图。车涛等以Chang算法为基础，考虑了地面台站雪深观测误差、雪层中液态水含量和地表水体对分析结果的可能负面影响，剔除了部分有明显偏差的台站观测数据，对水平极化亮温差数据和气象站雪深观测数据进行线性回归，建立了雪深反演模型。反演结果发现，在利用被动微波遥感SSM／I数据进行积雪深度反演之前。建立合理阈值的积雪分类决策树，剔除降雨、寒漠和冻土等非积雪像元后，能使积雪总体反演精度有比较明显的提高；青海省气象科研所结合EOS／MODIS(Earth 0bserving Satellites／Moderate Resolution Imaging Spectral radiometer)图像，对2002年l-3月的几次大的降雪过程进行了实时业务监测，效果也比较好；孙知文等利用2004年1月新疆地区AMSR-E亮温数据，建立了新疆地区基于AMSR-E数据的雪深反演模型。

2、被动微波遥感监测积雪原理

2.1、积雪被动微波遥感原理及其反演产品s的应用范围

微波遥感的波长一般从l cm～1m，可以穿透有云、雾、沙尘等的大气层。这些优点使得被动微波遥感可以在几乎所有天气条件下监测地表的微波发射特征，并通过不同类型地表对微波信号的散射和吸收特征分析，来确定地表类型和相关定量化参数反演。例如，积雪、地表温度、土壤水分和植被等。被动微波遥感的另一个特点是具有较长时间序列的数据积累且重访周期短，能够动态监测积雪深度及其空间分布状况，对准确地评价不同地区的受灾程度，快速提供救灾对策，减少灾区经济损失.具有重要的意义。

雪盖的微波辐射包括2个部分，一是雪盖本身的辐射，另一个是其下地表的辐射。雪的电磁辐射特性随雪盖厚度、结构以及液态水含量的变化而变化，这是被动微波遥感探测积雪信息的物理基础。理论和试验研究均表明：雪盖的微波亮度温度随积雪深度的增加而减小。除此之外，雪粒大小和液态水含量也对微波亮度温度产生较大的影响。大量的研究发展了积雪深度的微波遥感反演算法，积雪深度和被动微波亮度温度的关系可以用下式公式来描述：

SD=A×(Tb19H—Tb37H)+B   (1)

式中：SD表示积雪深度(cm)，Tb19H和Tb37H是SMM／I的19和37GHz的水平极化亮温数据。A、B为系数，取值和研究区域有关，全球的雪深反演算法中A—1.59，B—O。

2.2、积雪反演产品的应用范围

目前，被动微波遥感资料反演而获取的积雪产品主要应用于：1)大尺度气候模型(模型输入和验证)；2)数值天气预报(NWP)；3)天气预报大尺度与中尺度模型；4)水文应用：监测与模型融雪径流等；5)农业：霜冻灾害；6)气候监控与变化监测；7)冰盖：融化地区判识；8)地球物理：地球震荡(Wobble)研究；9)湖面冰盖冻结与融化，作为气候变化的判据。

3、几种微波数据的技术指标比较

近年来应用于积雪研究的被动微波遥感数据有SMMR、SSM／I、AMSR-E。这3种传感器的参数特征比较见表1。

表l 常见被动微波传感器特征参数比较

其中，SMMR搭载于1978年l0月发射的雨云Nimbus一7太阳同步极轨卫星上，是一台可以测量地表辐射的5个频率l0通道的双极化微波辐射计，在正午12：00(升轨)与午夜24：00(降轨)通过赤道。SMMR时间分辨率为每日，但是每隔5～6 d才重访同一地表1次。SSM／I首次由美国国防气象卫星计划(DMSP)中的卫星于1987年载人空间执行探测使命。它由设置在4个频率处的7个通道组成，可以同时测量来自地球和大气系统的微波辐射。除22.24 GHz频率外，其它频率均同时具有水平和垂直2种极化方式。地球观测系统的改进型微波辐射扫描仪AMSR-E是2002年5月升空，搭载在Aqua卫星上，用于观察陆地、海洋和大气的水和能量循环变化的仪器，它有12个通道，分别测量6个不同频率的水平和垂直极化的地面亮温。FY一3 MWRI其主要技术指标如表l所示。

SSM／I的优点在于