积雪和植被被动微波遥感矢量辐射传输的累加-倍加法

The fast and accurate solutions to vector radiative transfer equations of snowpack and vegetation canopy are very important for either radiative transfer theory or remote sensing. The average dielectric constants of snowpack and vegetation are calculated by modified Debye formula and Polder-Van/de Loor mixture one, respectively. For discrete scatterer media of thin layer snowpack, thermal radiative transfer is approximated to zero order, while the diffuse reflection and transmission coefficients to first order, i.e. single scattering approximations for thin media layer. At same time, for continuoue random media of vegetation, it should be focused to the thermal emission, reflection, transmission coefficients matrix when horizontally polarized extinction coefficient is not equal to the vertically polarized one, which just is the case of continuous random media of vegetation. The main purpose is to build the adding-doubling method (ADM) of vector radiative transfer equation for multilayered inhomogeneous random media (e.g. snowpack and vegetation canopy), especially to obtain the ADM in full matrix style. Based on this ADM, the quantitative relationship between brightness temperatures and the physical parameters （dielectric properties,effective radius,water equivalent,temperature）of random media is concisely explained. In this way it can serve as a numerical computation platform, and is very important for remote sensing and new method building in random media.

积雪和植被被动微波矢量辐射传输方程快速、准确的数值解无论对微波遥感理论建模还是对遥感应用都是非常重要的。利用调整的Debye公式和Polder-Van/de Loor 多相混合公式计算积雪与植被层的平均介电常数；对于离散粒子介质，建立薄层积雪热辐射的零阶近似，漫射反射与漫射透射的一阶近似；重点探讨水平与垂直极化消光系数不相等时，连续随机植被介质的热辐射、反射与透射矩阵的近似形式；由此构建多分层、非均匀离散粒子介质被动微波遥感的累加―倍加辐射传输方法；发展、建立连续随机介质被动微波遥感的完全矩阵形式的累加―倍加法矢量辐射传输模式，初步阐明积雪、植被亮度温度与介质的介电特性、粒子等效半径、含水量和温度等参数的定量关系，进而为遥感数据的分析和应用，参数的反演等提供可靠的理论计算平台，对进一步发展遥感新方法、新手段，也具有一定的科学指导意义。

微波辐射与遥感对象和环境的相互作用为人们提供了被动和主动遥感的丰富信息，要充分理解这些信息，必须深入研究电磁波与遥感对象和环境的相互作用机理，发展定量的理论模式和数值计算方法。因此，建立被动微波矢量辐射传输方程的快速、准确的数值解法对遥感应用是非常重要的。目前被广泛使用的被动微波辐射模式是矩阵倍加法，但该模式不仅形式复杂，且难以用于非均匀介质。本项目依赖于相互作用原理推导出包含微波热发射的累加―倍加法，把传统标量波累加―倍加法拓展到矢量波中来，可以计算微波垂直和水平极化亮温；增加了热发射项，于是可以讨论热发射多次散射问题，此方法形式简单、计算方便。 .利用Debye公式和Polder-Van/deLoor多相混合公式分别计算了积雪与植被的介电常数；对于冻土有效介电常数，开发了适用于微波波段冻土介电混合模型，该模型考虑了土壤温度、频率、质地及未冻水含量的影响。引入双电层理论计算未冻水的介电常数，引入Maxwell-Garnett介电常数混合理论、介电容积混合公式构建冻结土壤介电模型，该模型结果与实测资料较好吻合；对于未冻水，依据双电层理论，推演出未冻水含量理论公式，此公式清晰地描述了冻土颗粒表面未冻水的结构特征及成因，定量分析了土壤类型、含盐度、温度对未冻水含量的影响；得出了含盐度对未冻水含量的影响，土壤类型通过比表面积影响着未冻水含量，在同等温度下，土壤中粘土颗粒越多，比表面积越大，未冻水含量越多；对于离散粒子积雪介质，建立了薄层积雪热辐射的零阶近似，漫射反射与漫射透射的一阶近似，最终获得土壤－积雪－大气三层介质的累加辐射传输方法，进行了模式计算检验；对连续随机植被介质，重点探讨水平与垂直极化消光系数不相等时植被的热辐射、反射与透射矩阵近似形式,建立了均匀植被介质的完全矩阵形式的倍加法。少量计算初步阐明了积雪、植被亮度温度与介质的介电特性、粒子等效半径、含水量和温度等参数的定量关系，对进一步发展遥感新方法、新手段具有一定的科学指导意义。