積雪地表微波發(fā)射率模擬與分析

1、    積雪地表微波發(fā)射率模擬與分析    段宇飛摘 要：海拉爾機(jī)場冬季主要以降雪為主。積雪微波地表發(fā)射率影響因素與積雪深度，積雪地表溫度等參數(shù)有關(guān)。本文通過利用weng地表發(fā)射率模型分別輸入不同參數(shù)對積雪微波地表發(fā)射率的影響進(jìn)行了敏感性測試，幫助我們進(jìn)一步通過微波資料來更有效的利用衛(wèi)星資料。關(guān)鍵詞：積雪;微波;地表發(fā)射率：tp79 ：a ：1671-2064（2019）02-0244-020 引言地表發(fā)射率是用來表征地表特征的重要參數(shù)。隨著衛(wèi)星資料同化系統(tǒng)的發(fā)展，把微波地表發(fā)射率模型直接放入數(shù)字天氣預(yù)報(bào)模式中，為數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供了很好的資料來源。積雪的

2、覆蓋是影響氣候變化的最為主要的因素，尤其在冬季影響著地表發(fā)射率的變化。對于海拉爾機(jī)場而言，冬季嚴(yán)寒漫長，地面積雪時間長。所以在冬季，降雪、積雪成了本機(jī)場預(yù)報(bào)的關(guān)注重點(diǎn)。降雪天氣會導(dǎo)致機(jī)場能見度降低，影響飛機(jī)起降，若地面出現(xiàn)積雪，飛機(jī)輪胎與冰層間摩擦力減小，不易保持方向，極易沖出跑道發(fā)生危險。研究積雪微波發(fā)射率模型模擬特征和對積雪地表發(fā)射率影響參數(shù)的驗(yàn)證顯得尤為重要。衛(wèi)星探測到的地表發(fā)射率資料已經(jīng)成為提升模式預(yù)報(bào)精度和延長預(yù)報(bào)時效的十分重要的手段，同時也是發(fā)展衛(wèi)星探測技術(shù)的初衷之一。1 模擬方法簡介weng1等用了二流近似發(fā)展研究微波地表發(fā)射率模型。并將稠密介質(zhì)理論dmrt2耦合進(jìn)地表發(fā)射率模型

3、中。在該模型中，將地表假設(shè)為一個在不規(guī)則表面上的多層介質(zhì)，這里只認(rèn)為是一個三層的介質(zhì)。認(rèn)為上層和底層的介質(zhì)是有空隙、均勻的，而且具有相同的介電常數(shù)。目前該模型已經(jīng)比較成熟，并且可以廣泛運(yùn)用到全球大部分陸地表面情況的主要輻射傳輸過程中。2 積雪地表發(fā)射率變化特征分析2.1 積雪粒子大小的敏感性試驗(yàn)設(shè)衛(wèi)星天頂角為55°，積雪溫度為280k，土壤溫度為285k，土壤體水含量為0.2，積雪深度在50mm時，計(jì)算積雪粒子半徑在0.26-0.75mm范圍內(nèi)積雪地表發(fā)射率變化。具體結(jié)果如圖1所示：圖1（a）中，當(dāng)f=89ghz時，在積雪覆蓋的地表情況下，地表發(fā)射率對積雪粒子大小比較敏感。而且在此變

4、量影響下，垂直極化發(fā)射率3也是要高于水平極化發(fā)射率。隨著積雪粒子半徑在0.26mm到0.75mm的增加，水平極化發(fā)射率和垂直極化發(fā)射率變化趨勢一樣，地表發(fā)射率都在大幅度減小。圖1（b）表示在f=18.7ghz，f=36.5ghz兩個頻率下的水平極化發(fā)射率隨積雪粒徑的變化。從圖中可以看出，頻率為36.5ghz時的地表發(fā)射率率下降的趨勢更明顯。因?yàn)殡S著積雪粒子半徑的增大，粒子的半徑與36.5ghz的微波波長越接近，所產(chǎn)生散射的效應(yīng)會更強(qiáng)。因此其發(fā)射率下降更迅速。2.2 積雪深度的敏感性試驗(yàn)設(shè)衛(wèi)星天頂角為55°，積雪溫度為280k，土壤溫度為285k，土壤體水含量為0.2，計(jì)算積雪深度在1

5、0-100mm的范圍內(nèi)積雪地表發(fā)射率變化。具體結(jié)果如圖2所示，在圖2（a）中，當(dāng)f=89ghz時，在積雪覆蓋的地表情況下，積雪深度的變化對地表發(fā)射率影響較大。而且垂直極化發(fā)射率要高于水平極化發(fā)射率。隨著積雪深度在10mm到100mm的增加，水平極化發(fā)射率和垂直極化發(fā)射率變化趨勢一樣，都隨之減少，圖2（b）所表示的是f=18.7ghz，f=36.5ghz兩個頻率下的水平極化發(fā)射率隨積雪深度的變化。積雪深度從10mm到100mm變化過程，兩種極化方式下，頻率為18.7ghz和36.5ghz的地表發(fā)射率都不斷減小。其中，18.7ghz頻率的發(fā)射率隨著深度增加呈現(xiàn)出近似線性下降趨勢，較頻率為36.5g

6、hz下降的平緩。頻率為36.5ghz地表發(fā)射率的下降的幅度較大。因?yàn)檩^大的頻率微波波長短，與積雪粒子直徑較接近，所以散射作用更強(qiáng)。所以隨積雪深度的增加，即散射體4的數(shù)量增加。36.5ghz發(fā)射率會迅速減小。2.3 土壤體積含水量的敏感性試驗(yàn)設(shè)衛(wèi)星天頂角為55°，積雪溫度為280k，土壤溫度為285k，土壤體水含量為0.2，積雪深度為30mm，計(jì)算土壤體積含水量在1%-90%范圍內(nèi)積雪地表發(fā)射率變化。從圖3中可以看出，隨土壤含水量的增加，頻率為18.7ghz和36.5ghz的發(fā)射率都降低。其中在18.7ghz頻段地表發(fā)射率隨土壤含水量變化下降很快。因?yàn)橥寥乐兴慕殡娞匦詴鸬乇戆l(fā)射率

7、在此頻段內(nèi)普遍隨著頻率升高而增大。這說明了土壤含水量的多少對低頻段18.7ghz的影響較大。說明土壤含水量的變化對低頻比較敏感。從圖中可以看出，土壤含水量在15%之前，18.7ghz的發(fā)射率要高于頻率為36.5ghz的發(fā)射率，當(dāng)土壤含水量超過15%之后，頻率為18.7ghz的發(fā)射率下降的幅度很快，所以36.5ghz頻率的發(fā)射率就高于18.7ghz頻率的發(fā)射率。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是隨著土壤體積含水量的增加，地表的輻射貢獻(xiàn)會越來越小，又因?yàn)榉e雪體積散射的貢獻(xiàn)主要與頻率有關(guān)，頻率越高，積雪的體積散射就越強(qiáng)。所以頻率在36.5ghz的體散射比頻率在18.7ghz時的大，故在土壤含水量很大的情況下，相對

8、高頻（36.5ghz）的發(fā)射率高于低頻（18.7ghz）發(fā)射率。因此，作為積雪地表發(fā)射率的參數(shù)，土壤含水量的變化是不可忽視的，不能將該參數(shù)作為常數(shù)處理。2.4 地表粗糙度的敏感性試驗(yàn)設(shè)積雪溫度為280k，土壤溫度為275k，衛(wèi)星天頂角為55°，土壤體水含量為0.2，積雪深度為10mm，f=89ghz，計(jì)算地表粗糙度在0-0.5cm范圍內(nèi)積雪地表發(fā)射率變化。結(jié)果如圖4可知，在積雪覆蓋的地表情況下，當(dāng)?shù)乇泶植诙容^小時，積雪地表發(fā)射率極化差較大，而隨著地表粗糙度的增加，水平極化發(fā)射率隨地表粗糙度隨地表粗糙度增加而減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于地表粗糙度較大，散射較多，就會削弱發(fā)射率。垂直極

9、化發(fā)射率隨地表粗糙度的增加而減小，兩者變化幅度都逐漸趨于平緩，發(fā)射率的極化差趨于飽和。但相對于積雪深度，土壤體積含水量來說，其對積雪地表發(fā)射率的影響是比較小的。3 結(jié)語近年來地表發(fā)射率的研究受到越來越多的關(guān)注。本文對于積雪覆蓋的地表，利用weng積雪發(fā)射率模型分析并研究了積雪地表發(fā)射率特性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了敏感性測試。研究了積雪地表發(fā)射率對不同參數(shù)的敏感程度。通過上述討論與分析，一般來說，水平極化發(fā)射率都要比垂直極化發(fā)射率小?？梢灾劳寥罍囟葘Ψe雪地表發(fā)射率的影響較小。同時從敏感性分析結(jié)果來看，土壤體積含水量對地表發(fā)射率的影響相對于土壤溫度來說要大的多，因?yàn)橥寥赖陌l(fā)射率相對于水的發(fā)射率要大得

10、多。頻率對積雪地表發(fā)射率的影響也很大。積雪發(fā)射率的極化差隨頻率的增加而減小。在被動微波遙感中，就積雪的本身性質(zhì)來說，含水量，積雪深度，粒子半徑對發(fā)射率模型的敏感程度都比較大。所以說積雪的覆蓋對地表發(fā)射率來說是一個重要的因素，尤其是冬季，它會影響地表發(fā)射率的變化。對積雪地表發(fā)射率的研究是至關(guān)重要的。參考文獻(xiàn)1 weng f，yan b.grody n c.a microwave land emissivity modelj.journal of geophysical research，2001，106（17）：20115-20123.2 choudhury b.j.and a.t.c.chang.two-stream theory of reflectance of snow.ieee trans