公里级分辨率星载Ku波段散射计雪水当量遥感与产品生产

Snow is crucial for the climate, hydrology and ecology process in the norhern hemisphere, and large amount of fresh water is stored in snow. Before new generation snow monitoring satellite become spaceborne, the snow water equivalent (SWE) mapping still rely on other spaceborne sensors. Despite SWE mapping from spaceborne microwave radiometry has been studied for decades, the SWE estimation in mountainous region is still not reliable. Spaceborne Ku band scatterometer measurement is very sensitive to snow properties. Only the simple statistical relationship between the km-level resolution backscattering measurement from spaceborne scatterometer and snow mass has been studied in the previous studies, there is no study about the quantitative physical principle between km-level resolution polarimetric Ku band backscatering and SWE, topography, vegetation cover and frozen soil, and there was no effective method to estimate the snow structure parameters and its temporal and spatial distribution. This has limited its application in SWE mapping. In this study, over 10 years of conically scanning spaceborne Ku band scatterometer data will be used for SWE mapping in mountainous and non-mountaouns regions. Multi-source data and models will be used for parameter determination in the retrieval algorithm. SWE product in high mountain asia and western US and Canada will be produced. This study can be also serve as basic study for SWE mapping of future high resolution Ku band radars.

积雪在北半球的气候、水文、生态过程中扮演着重要的角色，同时积雪存储着大量淡水资源。在新一代雪水当量监测卫星计划实现之前的雪水当量空间分布信息的获取主要依赖于其他星载传感器。尽管被动微波遥感用于积雪研究已经开展多年，但是许多研究表明在山区的应用还存在许多问题。星载Ku波段散射计观测对积雪特性很敏感，以往研究均简单利用卫星数据和地面或者同化数据之间的统计关系，没有探究在公里级分辨率下圆锥扫描体制Ku波段散射计观测与雪水当量、地形、植被、冻土等关系的定量化物理机制，也没有估算积雪结构参数的有效方案，这限制了其定量化估算和推广到区域上的可靠性。本研究将重点研究利用圆锥扫描体制固定入射角的星载Ku波段散射计积累的十多年观测数据，结合其它数据和模型进行复杂地形山区和非山区雪水当量反演的机理和方法，并生产高亚洲地区雪水当量产品，同时为未来高分辨率Ku波段散射计雪水当量反演提供支撑。

本项目主要针对Ku波段散射计开展雪深和雪水当量遥感研究。由于Ku波段雷达散射对积雪有较高敏感性，同时保持了足够的穿透深度，Ku波段雷达提供了一种潜在的全球雪深和雪水当量监测手段。本项目主要内容为Ku波段积雪覆盖地表雷达后向散射机制和模型研究、星载Ku波段散射计雪深和雪水当量反演算法研究、Ku波段散射计在深雪地区的雪深和雪水当量反演性能研究和相关的雪深、雪水当量产品生产。通过本项目的研究，我们实现了对Ku波段积雪覆盖地表雷达散射机制的深入理解，并成功开展散射建模及其实验验证。基于微波辐射计的雪深和雪水当量具有较长时间的历史，以往研究常聚焦于利用微波辐射计开展大尺度的雪深和雪水当量遥感。被动微波雪深和雪水当量遥感通常在山区或厚雪地区存在较明显的饱和现象，即反演结果在厚雪地区存在明显的低估现象。通过本项目，我们构建了基于星载Ku波段散射计观测的雪深和雪水当量反演算法， 通过站点观测雪深和雪水当量验证表明，基于固定粒径参数的Ku波段散射计的雪深反演即使在山区较厚情况下能达到相关性0.69、平均绝对误差30厘米的验证结果；基于站点估算最优化粒径空间插值的Ku波段散射计的雪水当量反演能达到相关性0.68、平均绝对误差29毫米的验证结果。我们利用上述反演算法生产了基于QuikSCAT和海洋二号星载Ku波段散射计的雪深和雪水当量产品，是对目前基于微波辐射计的雪深和雪水当量产品的有益补充，特别是对于深雪和山区雪深和雪水当量的反演具有优势。该产品对相关的水文水资源和气候变化研究具有一定意义。我们的研究结果表明，Ku波段雷达对深雪具有较好的敏感性、抗饱和性，特别是对于山区厚雪。目前只有粗分辨率的Ku波段散射计在轨，较粗的分辨率限制了Ku波段散射计进行雪深和雪水当量反演的精度，因此，本研究结果建议高分辨率的Ku波段SAR对于山区积雪深度和雪水当量遥感具有重要意义，是值得进一步发展的山区积雪监测卫星计划传感器配置的可选项。