东北地区季节性积雪层中雪粒径的谱分布特征与微波（散射、辐射）特性研究

雪盖内部的雪粒径尺寸分布是影响积雪微波（辐射、散射）特性的重要因素，雪粒径分布的不一致性也是影响被动微波反演积雪深度和雪水当量精度的重要因子。目前，野外观测中对雪粒径的测量还缺乏有效的技术手段和客观性。.本研究以东北季节性积雪为研究对象，精心设计野外试验方案，通过雪粒子的图像采集和图像处理技术获取不同下垫面和不同雪层的雪粒子谱分布特征，并通过可靠的、可控制的、可重复的微波辐射计观测，以及微波物理模型模拟，探索非均匀情况下具有不同谱分布的雪粒子的微波（辐射和散射）特性。最终建立一套雪粒子采集、处理和微波辐射模拟为主线的技术流程，为积雪的微波辐射传输模型和被动微波遥感反演模型以及结果验证提供准确的参数输入和理论基础。

雪粒径是微波辐射模型中的重要输入参数之一，也是影响积雪参数遥感反演精度的最主要因素之一。本项目的实施过程中，我们尝试了多种雪粒径的实测方法，其中图像处理方法能够获得客观的雪粒径谱分布特征，但获得图像的过程比较复杂，实验的可重复性比较差，我们在项目实施的过程中仅采集到了很少量的图像，进一步的快速、准确，并适用于野外大范围采样的雪粒径谱分布测量方法应该作为研究重点。针对雪粒径谱分布的野外测量以及不同的雪粒径分布对应的微波辐射特性，我们提出了雪粒径分布的三维优化方法，该方法将二维提取的分布参数作为初始输入，通过雪粒子的三维计算机模拟以及迭代优化方法获得三维模粒径（粒度分布为最大值的粒径），优化得到的结果可与电磁模型整合。与二维尺度分布方法相比，计算得到的消光系数具有很大差别，我们的方法更加精确；为了给卫星遥感反演算法提供大范围相对准确的雪粒径谱分布参数，我们开发了积雪粒径谱分布地基遥感反演软件，利用矢量辐射传输方程（VRT）进行积雪辐射亮温的模拟，并将其与实测的亮温之差作为适应度，利用遗传算法进行参数优化。该方法将地基和卫星遥感通过积雪粒径参数联系起来，为雪深业务化反演算法的验证和改进提供了一种新的手段。.本研究通过多次的野外实验研究了不同下垫面条件下积雪的微波辐射特性，并验证了基于国产卫星FY-3B MWRI的雪深业务化反演算法在东北地区的精度，提出了进一步的改进方案。同时，我们也精心设计了地基定点观测遥感实验，对积雪的微波辐射特征进行时间序列的观测，利用观测数据对通用的MEMLS模型进行了验证和初步的改进。野外实验和定位实验均表明，积雪的微波辐射特性不仅受下垫面地物类型的影响，也随时间序列不断变化。根据实验数据以及气象站点的测量数据，我们提出了积雪反演的时空分析分析方法，弥补了之前研究的单一时间节点评价的不足，从时间分析上确定了由于积雪物理性质演变，特别是雪粒径演变，带来的雪深反演的误差；空间分析上确定了雪深反演精度的主要影响因素是地物类型的变化，尤其是森林区雪深反演精度亟待进一步提高。误差源的确定有利于雪深反演业务化算法的改进和进一步拓展我国国产卫星在雪参数反演中应用。