被动微波遥感反演冻土未冻水含量的机理研究

Frozen soil is one of the important component of the cryosphere, and has important implications for global climate change and hydrologic cycle. Unfrozen water, which is important to the parameterization of frozen soil processes in land surface processes reasearch is one of the most important physical parameter of frozen soil. Microwave remote sensing is sensitive to the water of land surface. This project will study on the mechanism of the microwave emission of frozen soil in order to develop a method to retrieve the unfrozen water content of frozen soil using passive microwave remote sensing. The content of this project includes: the study of the dielectric constant of frozen soil, the microwave radiation of frozen soil and the development and validation of the algorithm of retrieving the unfrozen water content of frozen soil. The innovation of this project is that it study the relationship between the microwave radiation and the unfrozen water content of frozen soil and explain the reason of the spectral gradient of microwave radiation of frozen soil changing with the physical temperature of frozen soil. The research will start with field experiment, combine model simulation and theoretical derivation to establish and validate a retrieval method of the unfrozen water content of frozen soil.

冻土是冰冻圈的重要组分之一，对全球气候变化及水循环具有重要意义。未冻水含量是冻土的一个重要的物理参数，对全球变化和陆面过程研究中的冻土过程参数化模型具有重要的意义。微波遥感对地表的水分具有较高的敏感性。本课题围绕冻土的微波辐射机理展开研究，面向发展一种利用被动微波遥感反演冻土中未冻水含量的方法。本项目的研究内容包括三部分：冻土介电常数研究、冻土微波辐射特征和机理研究以及冻土中未冻水含量的反演算法开发和验证。本课题的创新点在于定量描述未冻水含量对冻土微波辐射的影响，从机理角度弄清楚冻土微波辐射的亮温梯度随温度变化的原因。项目从实验出发，获取冻土微波辐射与未冻水含量的规律，结合模型和理论推导，建立冻土未冻水含量的反演算法，并在地面尺度和像元尺度进行验证。

冻土是冰冻圈的重要组分之一。未冻水含量是冻土的一个重要的物理参数，对全球变化和陆面过程研究中的冻土过程参数化模型具有重要的意义。微波遥感对地表的水分具有较高的敏感性。然而目前，微波遥感主要用于定性地判别地表冻融状态，尚不能定量地反演地表参数。本课题在研究冻土的微波辐射特征和机理的基础上，发展一种利用被动微波遥感反演冻土未冻水含量的方法。在本项目执行过程中，研究内容包括三部分：发展冻土和高有机质含量土壤的介电常数模型，冻土微波辐射特征和机理研究，冻土未冻水含量、相变水量反演算法以及被动微波遥感产品降尺度研究。.在介电常数研究中，我们通过冻土介电常数的实测数据发现土壤冻结后，弛豫频率可以认为是固定的，并据此可以计算出冻土中未冻水的介电常数，从而得到冻土的复介电常数模型。针对寒冷地区土壤有机质含量较高的特点，研究了正温下有机质含量对土壤介电常数的影响，并建立了含有机质土壤介电常数模型。介电常数模型的建立，为地表微波辐射机理和地表参数反演研究奠定了基础。.通过分析星载微波辐射计对冻融土的观测数据，提出Ka和K波段的亮温梯度可以反映土壤的未冻水含量变化，并且通过Qp模型，提出了改进的亮温梯度来反演地表未冻水含量的方法。同时，将Qp模型引入土壤相变水量反演算法，提出了消除粗糙度影响的相变水量反演算法。两种针对冻土的定量反演算法，能够使得被动微波遥感为陆表过程和生态水文研究提供更多的定量化信息，对被动微波遥感产品的应用有一定的推动作用。.考虑到被动微波遥感产品的空间分辨率太低，难以满足生态水文模型需求。本研究探索了通过引入光学和热红外遥感产品，对土壤水分、冻融相变水量进行降尺度到1km空间分辨率，取得了初步的结果。这项研究内容也提高了被动微波遥感产品的可用性。