基于微波辐射计观测和分层辐射传输模型的地表冻融循环遥感监测算法研究

This project is proposed to develop remote sensing algorithms to identify the freeze/thaw status of land surface (including snow, soil), and to estimate the frost penetration velocity, frost depth and phase transition water content, by comprehensive analysis of ground-based radiometer observation and simulation from multi-layer microwave radiative transfer forward model. The multi-frequency (1.4GHz-36.5GHz) radiometer will be deployed to continuously capture the radiative characteristics responding to the surface freeze/thaw cycle process. The GRMDM (Generalized Refractive Mixing Dielectric Model) will be introduced to improve the complex dielectric constant calculation by separating the water in the frozen soil as bound water, transient bound water and moistened ice water. The surface freeze/thaw status classification will realize the distinguishment between snow and bare frozen soil, and identify the freeze/thaw status of soil below snow cover. Furthermore, the statistical regression relationship will also be developed to quantificationally estimate the frozen soil-related parameters by using L-band brightness temperatures.

本申请书以"地面观测试验-正向模拟-定量分析-算法发展"为主线，试图综合利用L波段低频亮温和其他中高频亮温对地表冻融状态及土壤冻融过程的响应特征，发展能够定性监测地表（积雪/土壤）冻融状态及定量估计土壤冻融循环核心变量（冻结速率、冻结深度、相变水含量）的微波遥感算法。首先利用多频率多角度双极化地基微波辐射计（1.4GHz-36.5GHz）对地表冻融循环开展亮温连续观测试验；引入通用折射指数混合模型考虑土壤温度对未冻水的影响，从而改进多层介质（空气-积雪-冻土-背景层）的微波辐射传输模型，实现对各种地表特征的亮温正向模拟及其贡献来源分析，从而确定不同频率亮温及其谱特征对地表冻融的响应；综合地基辐射计观测、土壤水分/温度廓线观测及模拟结果，分析微波亮温对土壤冻结速率、冻结深度和冻结相变水的敏感性，发展相应的定量遥感算法。

地表冻融循环强烈影响着地气能水交换及碳循环、气象、水文和生态过程。微波遥感，凭借其穿透性及对物质介电常数的敏感性，成为长期监测全球和区域尺度地表冻融循环的有效手段。本项目以“地面观测试验-正向模拟-定量分析-算法发展”为主线，利用多频率地基微波辐射计和散射计对地表冻融循环开展亮温和后散的连续观测试验，为积雪和下伏土壤的微波辐射/散射传输模型、积雪和冻土的区分、以及微波信号估算冻结深度和冻结速率提供了一套完备的高质量数据集；通过引入通用折射指数混合模型考虑土壤温度对未冻水的影响，从而改进了由空气层-积雪层-冻结土壤层-背景层构成的多层介质的微波辐射传输模型，实现对各种地表特征的亮温和后散系数的正向模拟；利用高分辨率主动ASAR数据，发展了流域尺度地表冻融循环的边缘检测算法，分析了黑河流域冻融循环的时空特征，证明了主动微波数据在地表冻融遥感产品方面的应用潜力；系统评价了三套中国地表冻融循环遥感产品的一致性，以及冻融分类精度的空间分布特征以及在不同地表类型和气候区域的表现，为提高产品的可用性和精度提高提供了依据和参考；更新了中国地表冻融循环数据集，并分析了地表冻融循环和植被返青期的变化趋势、相互关系及对青藏高原气候变化的响应特征，证实两者具有显著的相关关系。高原的春季地表0 cm土壤温度呈持续上升的趋势，而植被返青期和地表融化首日并未持续提前，这可能与植被适应气候变化的自身调节能力有关；最后探究了L波段SMAP亮温在地表冻融循环监测方面的应用潜力，根据气温场再分析资料实现了逐网格标定地表冻融判别阈值，并比较分析了误差分析法和拟合法的精度表现。