雪粒径对雪的高光谱偏振反射特性影响机理研究

Snow grain size is a main parameter of controlling albedo, one of the factors of affect global radiation balance, and its spatiotemporal distribution is an input parameter of snowmelt runoff models, chemical models and climate models. As a typical feature of high latitudes, the change of snow grain size, along with the sun increases incident angles, makes snow reflection characters vary more evidently, and increases polarization information included in reflected light rays, especially in forward scattering and back scattering.The project, whose research object is the snow surface consisting of snow grains of different sizes, measures hyper spectral polarization reflection information in 2πspace by means of field spectroradiometer and polarization test platform, and analyzes the influential mechanism of snow grain sizes to polarization reflection on the basis of radiative transfer theory, Fresnel reflection refraction theory and the relationship between Stokes scattering parameters and incident radiation field. It combines polarization information with BRDF models, so as to study radiative transfer process in detail, enrich the sources of snow grain size information demonstrated by remote sensing technology, and provide a reference for detaching earth's surface (snow) polarization from atmospheric retrieval.

雪粒径是控制反照率的主要参数，也是影响全球辐射平衡的因素之一，雪粒径的时空分布又是融雪径流模型、雪化学模型及气候模型的输入参数。作为高纬度地区的典型地物，伴随着较大的太阳入射角度，雪粒径的变化使雪表反射的各向异性特征变化更明显，同时也使得反射中包含的偏振信息增加，尤其是在前向散射方向和后向散射方向。本项目以不同粒径的积雪表面为研究对象，利用地物光谱仪和偏振测试平台测量雪在2π空间的高光谱偏振反射信息，并以辐射传输理论、菲涅尔反射折射理论和斯托克斯散射参数与入射辐射场之间的关系为理论依据，分析雪粒径对偏振反射的影响机理；同时将偏振信息与现有的BRDF模型结合可以详细地解雪的辐射传输过程，使得遥感技术反演雪粒径的信息来源更加丰富，也为大气反演中剥离地表(积雪)偏振影响提供参照。

本课题的研究是以不同粒径的积雪表面为研究对象，测量积雪在2π空间的高光谱偏振反射信息，将辐射传输理论、菲涅尔反射折射理论和斯托克斯散射参数与入射辐射场之间的关系为理论依据，分析了雪雪粒径对偏振反射的影响机理。在研究过程中，完全按照计划进行。第一，制作了一个多角度测量装置，以便在野外可以准确的测量地表的双向反射系数，研究雪雪粒径大小对反射及偏振信息的影响。第二，基于多角度测量装置在实验室内、外进行测量，确定了粒径大小对偏振信息的影响主要与填充密度有关。第三，研究过程中发现从干雪变成湿雪这一过程会使偏振信息增加。是由于湿雪表面水膜的存在，将相邻的雪粒粘连在一起，相当于使积雪粒径变大，但是这种影响主要体现在近红外波段。第四，通过对积雪偏振研究过程中发现，在后向散射方向出现了负偏振特性，这一现象利用几何光学是无法解释的。基于此现象结合美国NASA研究中心Mishchenko教授提出后向相干理论，最后得出高反射颗粒介质后向散射方向的负偏振特性是后向相干引起的。这也是首次通过实验数据证明了后向相干理论，为颗粒介质的辐射传输理论研究提供了科学依据。本项研究共发表学术论文7篇，其中SCI论文4篇，EI论文1篇。获得吉林省科学技术奖（自然科学）三等奖1项，吉林省自然科学学术成果奖1项。