高寒山区雪粒径光学遥感反演的关键技术研究

Snow grain size is one of the key variables in cryosphere, since it influences the earth's surface energy budget and characterizes the hydrothermal status of snowpack. Snow grain size data at large scales can be retrieved from space-borne optical observations, which are significant to research on climate/weather modelling and hydrological processes in alpine mountainous regions. However, the currently used snow grain size retrieval model is difficult to be applied over mountainous areas without accounting for topographic relief and the corresponding heterogeneity of snowpack status. Taking the mountainous area in Manasi river catchment on the north slope of Tianshan as the study area, this study aims to 1) select parameters in retrieval model for alpine mountainous conditions; 2) develop a snow grain size retrieval model over the study area; 3) optimize retrieval parameters based on the snowpack status identified using optical remote sensing techniques; 4) control the retrieval procedure and assess the retrieval accuracy, using field experiments data. The developed model and resultant snow grain size data could benefit to retrieval theory, provide evidence for research on eco-climate change at catchment scales, and have practical meaning for regional water resource management.

雪表层粒径是影响地表能量收支和表征积雪水热状态的重要参数，利用卫星遥感手段大面积反演雪表层粒径信息，对高寒山区气象气候模拟和水文过程研究有重要意义。由于在雪粒径遥感反演过程中积雪状态的复杂性，现有的反演模型较难适应高寒山区复杂的地形条件。本项目利用国产光学遥感数据，开展高寒山区雪表层粒径信息遥感反演的关键技术研究。以天山北坡玛纳斯河流域山区为研究区，对高寒山区复杂地形条件下雪粒径反演的参数进行选择，建立研究区的雪表层粒径反演模型；在利用光学遥感识别积雪状态的基础上，对反演参数进行调整优化；最后利用实测数据对反演过程进行控制，并对反演结果进行评价。研究成果对高寒山区积雪参数的定量反演具有理论参照意义，对流域内气候、生态环境变化提供依据，对内陆河流域水资源的形成、转化规律及合理管理利用具有实际应用价值。

雪表层粒径是影响地表能量收支和表征积雪水热状态的重要参数，利用卫星遥感手段大面积反演雪表层粒径信息，对高寒山区气象气候模拟和水文过程研究有重要意义。由于在雪粒径遥感反演过程中积雪状态的复杂性，现有的反演模型较难适应高寒山区复杂的地形条件。针对这一问题，主要的研究结果如下：1）近红外通道对于雪粒径的变化敏感，反射率随雪粒径的增大差异较大，适用于雪粒径的反演；2）通过积雪累积期和消融期的实测雪面反射率与渐近式辐射传输模型的计算结果进行对比，确定雪粒径反演模型在积雪累积期使用科赫形参数，而在积雪消融期使用球形参数；3）在山区复杂地形条件下，地形校正对反验结果影响很大，通过本项目建立的山区雪粒径反演流程及反演模型，利用2011年和2015年融雪期和积雪期的地面观测数据验证反演结果，得到决定系数为0.90，均方根误差为80.42μm。研究成果对高寒山区积雪参数的定量反演具有理论参照意义，对流域内气候、生态环境变化提供依据，对内陆河流域水资源的形成、转化规律及合理管理利用具有实际应用价值。