積雪地表微波發射率模擬與分析

段宇飛

摘 要：海拉爾機場冬季主要以降雪為主。積雪微波地表發射率影響因素與積雪深度，積雪地表溫度等參數有關。本文通過利用weng地表發射率模型分別輸入不同參數對積雪微波地表發射率的影響進行了敏感性測試，幫助我們進一步通過微波資料來更有效的利用衛星資料。

關鍵詞：積雪;微波;地表發射率

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0244-02

0 引言

地表發射率是用來表征地表特征的重要參數。隨著衛星資料同化系統的發展，把微波地表發射率模型直接放入數字天氣預報模式中，為數值預報產品提供了很好的資料來源。積雪的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射率的變化。對于海拉爾機場而言，冬季嚴寒漫長，地面積雪時間長。所以在冬季，降雪、積雪成了本機場預報的關注重點。降雪天氣會導致機場能見度降低，影響飛機起降，若地面出現積雪，飛機輪胎與冰層間摩擦力減小，不易保持方向，極易沖出跑道發生危險。研究積雪微波發射率模型模擬特征和對積雪地表發射率影響參數的驗證顯得尤為重要。衛星探測到的地表發射率資料已經成為提升模式預報精度和延長預報時效的十分重要的手段，同時也是發展衛星探測技術的初衷之一。

1 模擬方法簡介

Weng[1]等用了二流近似發展研究微波地表發射率模型。并將稠密介質理論DMRT[2]耦合進地表發射率模型中。在該模型中，將地表假設為一個在不規則表面上的多層介質，這里只認為是一個三層的介質。認為上層和底層的介質是有空隙、均勻的，而且具有相同的介電常數。目前該模型已經比較成熟，并且可以廣泛運用到全球大部分陸地表面情況的主要輻射傳輸過程中。

2 積雪地表發射率變化特征分析

2.1 積雪粒子大小的敏感性試驗

設衛星天頂角為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，計算積雪粒子半徑在0.26-0.75mm范圍內積雪地表發射率變化。具體結果如圖1所示：圖1（a）中，當f=89GHZ時，在積雪覆蓋的地表情況下，地表發射率對積雪粒子大小比較敏感。而且在此變量影響下，垂直極化發射率[3]也是要高于水平極化發射率。隨著積雪粒子半徑在0.26mm到0.75mm的增加，水平極化發射率和垂直極化發射率變化趨勢一樣，地表發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時的地表發射率率下降的趨勢更明顯。因為隨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，所產生散射的效應會更強。因此其發射率下降更迅速。

2.2 積雪深度的敏感性試驗

設衛星天頂角為55°，積雪溫度為280K，土壤溫度為285K，土壤體水含量為0.2，計算積雪深度在10-100mm的范圍內積雪地表發射率變化。具體結果如圖2所示，在圖2（a）中，當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射率影響較大。而且垂直極化發射率要高于水平極化發射率。隨著積雪深度在10mm到100mm的增加，水平極化發射率和垂直極化發射率變化趨勢一樣，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的地表發射率都不斷減小。其中，18.7GHZ頻率的發射率隨著深度增加呈現出近似線性下降趨勢，較頻率為36.5GHZ下降的平緩。頻率為36.5GHZ地表發射率的下降的幅度較大。因為較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。所以隨積雪深度的增加，即散射體[4]的數量增加。36.5GHZ發射率會迅速減小。

2.3 土壤體積含水量的敏感性試驗

設衛星天頂角為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，計算土壤體積含水量在1%-90%范圍內積雪地表發射率變化。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的發射率都降低。其中在18.7GHZ頻段地表發射率隨土壤含水量變化下降很快。因為土壤中水的介電特性會引起地表發射率在此頻段內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的發射率要高于頻率為36.5GHZ的發射率，當土壤含水量超過15%之后，頻率為18.7GHZ的發射率下降的幅度很快，所以36.5GHZ頻率的發射率就高于18.7GHZ頻率的發射率。出現這一現象的原因是隨著土壤體積含水量的增加，地表的輻射貢獻會越來越小，又因為積雪體積散射的貢獻主要與頻率有關，頻率越高，積雪的體積散射就越強。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，相對高頻（36.5GHZ）的發射率高于低頻（18.7GHZ）發射率。因此，作為積雪地表發射率的參數，土壤含水量的變化是不可忽視的，不能將該參數作為常數處理。

2.4 地表粗糙度的敏感性試驗

設積雪溫度為280K，土壤溫度為275K，衛星天頂角為55°，土壤體水含量為0.2，積雪深度為10mm，f=89GHZ，計算地表粗糙度在0-0.5cm范圍內積雪地表發射率變化。結果如圖4可知，在積雪覆蓋的地表情況下，當地表粗糙度較小時，積雪地表發射率極化差較大，而隨著地表粗糙度的增加，水平極化發射率隨地表粗糙度隨地表粗糙度增加而減小。出現這一現象的原因是由于地表粗糙度較大，散射較多，就會削弱發射率。垂直極化發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，其對積雪地表發射率的影響是比較小的。

3 結語

近年來地表發射率的研究受到越來越多的關注。本文對于積雪覆蓋的地表，利用Weng積雪發射率模型分析并研究了積雪地表發射率特性，并在此基礎上進行了敏感性測試。研究了積雪地表發射率對不同參數的敏感程度。通過上述討論與分析，一般來說，水平極化發射率都要比垂直極化發射率小。可以知道土壤溫度對積雪地表發射率的影響較小。同時從敏感性分析結果來看，土壤體積含水量對地表發射率的影響相對于土壤溫度來說要大的多，因為土壤的發射率相對于水的發射率要大得多。頻率對積雪地表發射率的影響也很大。積雪發射率的極化差隨頻率的增加而減小。在被動微波遙感中，就積雪的本身性質來說，含水量，積雪深度，粒子半徑對發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射率來說是一個重要的因素，尤其是冬季，它會影響地表發射率的變化。對積雪地表發射率的研究是至關重要的。

參考文獻

[1] Weng F，Yan B.Grody N C.A microwave land emissivity model[J].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.Geosci. Remote Sens，1988，26：850-859.

[3] 白云潔，盧玲，李新，車濤.積雪微波輻射亮溫對積雪參數的敏感性分析[J].遙感技術與應用，2009，24（5）：622-629.

[4] 蔣玲梅，施建成，張立新.積雪輻射模型驗證[J].遙感學報，2006，10（4）：515-522.