本申请公开了一种森林影响全球雪水当量动态反演方法，包含以下步骤：根据针叶林微波森林透射率、阔叶林微波森林透射率、针叶林和阔叶林的占比，计算像元的微波森林透射率；反演地面气象站点积雪层指数相关长度，再根据所述地面气象站点积雪指数相关长度、地面站点雪深、卫星辐射计亮度温度梯度数据，建立拟合模型；将站点的指数相关长度进行差值，扩展到全球空间任意位置；使每一个积雪像元都有一个指数相关长度值；根据所述拟合模型、使用所述积雪像元的指数相关长度值、卫星辐射计亮度温度梯度，确定所述积雪像元的地面雪深，再得到雪水当量。本申请还包括用于实现所述方法的装置。本申请解决现有技术进行雪水当量反演时精度不高的问题。度不高的问题。度不高的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种森林影响全球雪水当量动态反演方法和装置
[0001]本申请涉及卫星遥感
，尤其涉及一种考虑森林影响的全球雪水当量动态反演方法和装置。
技术介绍
[0002]冰冻圈在全球气候系统中扮演着重要角色，是全球气候变化的指示器。积雪是冰冻圈主要的要素之一，分布范围广，欧亚大陆和北美大陆冬季至少80％的地区被积雪所覆盖，覆盖面积约为4650万平方公里，而在夏季八月份有380 万平方公里(Frei and Robinson 1999)。雪的反照率很高，新雪的反照率高达0.9 以上，陈雪的反照率也在0.4以上，因此积雪会反射大量到达地表的太阳短波入射辐射，深刻影响着地球表面的能量平衡。积雪是热的不良导体，它显著减小了地表和大气之间的热量交换，可保护雪盖下植物的生长，并影响冻土的发育等地表自然过程。积雪在水文循环中也有着突出的作用，对人类的实际生产和生活也非常重要，在许多山区，融雪径流是可依赖的稳定水源，被用于灌溉、生活；同时，牧区雪灾和不期而遇的雪崩等也会给当地人民的生命财产安全产生重大威胁。因此，获得高精度的积雪分布非常重要。被动微波遥感时间分辨率高，并且能全天时全天候工作，成为目前大尺度上积雪监测的常用遥感数据。制约被动微波遥感雪深反演精度的关键因素是森林的遮蔽衰减效应和积雪特性的时空变化。
[0003]现有的雪水当量反演算法，森林地区的反演结果出现严重的低估现象，原因主要是森林对林下积雪微波信号的衰减以及森林自身的辐射作用。植被冠层与电磁波相互作用的复杂性源于衰减和发射共存，其中冠层衰减了来自林下积雪的微波辐射，同时自身又会发射一部分能量。特别是在森林密集区，高频微波无法穿透冠层，此时辐射特征完全由森林主导，而不能体现积雪信息。针对森林的影响，目前的解决方案主要有以下三个方向：第一个研究方向是直接建立纯森林像元下18.7GHz和36.5GHz的亮度温度差和雪水当量的关系(Goita etal.2003)，这种方法无法解决非纯森林像元的问题，也没有区分阔叶林与针叶林等森林种类，不同类型的森林辐射有较大差异；第二个研究方向是通过系数校正的方式引入森林覆盖度因子，美国雪冰数据中心(NSIDC)产品以及中国西部数据(WESTDC)产品都采用了这种方法，这种方式同样没有区分阔叶林与针叶林等森林种类，同时由于系数的缩放因子不好控制，过高地估计了森林的影响，导致雪深严重高估；第三个研究方向是半经验模型，微波透过率零阶半经验τ
‑
ω模型和基于材积量的经验函数(欧空局GlobSnow产品采用该方法)，半经验的模型都需要研究区实际森林生物量进行参数校正，否则在大区域尺度上经验参数会出现较大的误差，该方法由于需要大量实地的森林生物量参数，不适合在全球尺度上应用。
[0004]积雪微观结构参数的时空异质性是影响雪水当量反演的主要因素之一。由于气象要素(温度、风速、水汽等)的改变，积雪参数会随着时间发生演化，进而积雪辐射特征会发生明显的变化。针对积雪特性参数变化的影响，目前在经验算法和基于物理模型的算法中有一定的考虑。在反演算法中，积雪结构参数的先验信息对于雪深反演至关重要，并且积雪
微结构参数会随之时间的演化逐渐变化，而目前广泛使用的各种区域线性统计经验方法将各种参数置为固定值，无法解决参数演化带来的影响。目前对于消除积雪结构参数影响的研究均存在假设上的一些问题。在AMSR2经验算法中，引入极化差指数建立时间经验函数来表征积雪参数的演化，这种方式通过验证发现，全球的适用性较差，算法存在严重的高估；戴礼云2012、车涛2016通过将野外观测的先验信息在时间上按月取固定值，但每个积雪季的时间上会存在降雪的偏移，因此年际间会有较为明显的误差，同时多层的先验信息受限于小区域，无法在全球大尺度上应用；Pulliainen 2006(GlobSnow产品)在北极地区通过同化站点雪深来计算粒径尺寸，该类同化算法对亮温观测算子的精度要求较高，否则优化的有效雪粒径包含了输入数据和模型的误差，扭曲了粒径的演化趋势，同时同化算法计算成本高。
[0005]现有技术没有考虑森林种类(针叶林、阔叶林)的影响。森林对雪水当量的遮蔽效应会导致反演结果出现明显的低估现象。被动微波雪深和雪水当量反演利用的是18.7GHz和36.5GHz的亮度温度差，但森林对两个频率的衰减作用不同，并且森林自身的辐射在这两个频率也有较大的差异。
[0006]现有技术没有考虑指数相关长度和雪深的关系。积雪微观结构参数(指数相关长度)的演化会导致雪水当量的反演结果出现雪季前期高估和雪季后期低估的现象。
技术实现思路
[0007]本申请提出一种森林影响全球雪水当量动态反演方法和装置，解决现有技术进行雪水当量反演时精度不高的技术问题。
[0008]本申请实施例提供一种森林影响全球雪水当量动态反演方法，包含以下步骤：
[0009]根据针叶林微波森林透射率、阔叶林微波森林透射率、针叶林和阔叶林的占比，计算像元的微波森林透射率；优选地，针叶林和阔叶林以外的森林区域，微波森林透射率使用针叶林微波森林透射率和阔叶林微波森林透射率的平均值；
[0010]反演地面气象站点积雪层指数相关长度，再根据所述地面气象站点积雪指数相关长度、地面站点雪深、卫星辐射计亮度温度梯度数据，建立积雪层指数相关长度、地面站点雪深、卫星辐射计亮度温度梯度之间的拟合模型；
[0011]将站点的指数相关长度进行差值，扩展到全球空间任意位置；使每一个积雪像元都有一个指数相关长度值；
[0012]根据所述拟合模型、使用所述积雪像元的指数相关长度值、所述积雪像元的卫星辐射计亮度温度梯度，确定所述积雪像元的地面站点雪深；
[0013]根据积雪密度和雪深值计算得到雪水当量。
[0014]优选地，运用积雪辐射传输模型反演针叶林微波森林透射率或阔叶林微波森林透射率，具体包含以下步骤：使用积雪野外观测数据提供的积雪剖面信息、雪面观测亮温、卫星观测的大气可降水量数据、地表覆被数据，在设定的频率，微波森林透射率分别从0变化到1，按照设定步长进行遍历，正向模拟到达传感器的积雪剖面点的模拟的卫星亮度温度；从卫星传感器上提取对应于所述野外观测数据的卫星观测亮度温度，进而得到模拟的卫星亮度温度与卫星观测亮度温度误差最小时的微波森林透射率。
[0015]优选地，运用积雪辐射传输模型反演地面气象站点积雪层指数相关长度，具体包
含以下步骤：使用所述地面气象站点的雪深数据、地表覆被数据，在设定的频率，积雪层指数相关长度在设定范围内、按照设定步长进行遍历，正向模拟到达传感器的所述地面气象站点的模拟的卫星亮度温度；从卫星传感器上提取对应于所述气象站点位置的卫星观测亮度温度，进而得到模拟的卫星亮度温度与卫星观测亮度温度误差最小时的积雪层指数相关长度。
[0016]优选地，通过积雪辐射传输模型反演得到与积雪野外观测数据提供的积雪剖面信息相对应的18.7GHz和36.5GHz微波森林透射率。
[0017]优选地，通过积雪辐射传输模型反演得到与所述地面气象站点雪本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种森林影响全球雪水当量动态反演方法，其特征在于，包含以下步骤：根据针叶林微波森林透射率、阔叶林微波森林透射率、针叶林和阔叶林的占比，计算像元的微波森林透射率；优选地，针叶林和阔叶林以外的森林区域，微波森林透射率使用针叶林微波森林透射率和阔叶林微波森林透射率的平均值；反演地面气象站点积雪层指数相关长度，再根据所述地面气象站点积雪指数相关长度、地面站点雪深、卫星辐射计亮度温度梯度数据，建立积雪层指数相关长度、地面站点雪深、卫星辐射计亮度温度梯度之间的拟合模型；将站点的指数相关长度进行差值，扩展到全球空间任意位置；使每一个积雪像元都有一个指数相关长度值；根据所述拟合模型、使用所述积雪像元的指数相关长度值、所述积雪像元的卫星辐射计亮度温度梯度，确定所述积雪像元的地面雪深；根据积雪密度和雪深值计算得到雪水当量。2.如权利要求1所述森林影响全球雪水当量动态反演方法，其特征在于，运用积雪辐射传输模型反演针叶林微波森林透射率或阔叶林微波森林透射率，具体包含以下步骤：使用积雪野外观测数据提供的积雪剖面信息、雪面观测亮温、卫星观测的大气可降水量数据、地表覆被数据，在设定的频率，微波森林透射率分别从0变化到1，按照设定步长进行遍历，正向模拟到达传感器的积雪剖面点的模拟的卫星亮度温度；从卫星传感器上提取对应于所述野外观测数据的卫星观测亮度温度，进而得到模拟的卫星亮度温度与卫星观测亮度温度误差最小时的微波森林透射率。3.如权利要求1所述森林影响全球雪水当量动态反演方法，其特征在于，运用积雪辐射传输模型反演地面气象站点积雪层指数相关长度，具体包含以下步骤：使用所述地面气象站点的雪深数据、地表覆被数据，在设定的频率，积雪层指数相关长度在设定范围内、按照设定步长进行遍历，正向模拟到达传感器的所述地面气象站点的模拟的卫星亮度温度；从卫星传感器...
【专利技术属性】
技术研发人员：高硕，李震，张平，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。