中国西北山区雪面短波净辐射遥感估算研究

Remote sensing has become an important data source for estimating net surface shortwave radiation (NSSR) of snow. The downward surface shortwave radiation (DSSR) and snow albedo are the main paramerers affecting accurate estimation of snow NSSR. However, atmospheric effects, topography effects and surface directional reflectance properties lead to the large heterogeneity of snow NSSR in mountains. Combining with the satellite remote sensing, DEM and radiative transfer model is an effective means to estimate the snow NSSR in mountains areas. Comparing the snow NSSR models of home and abroad in rugged terrain, it is found that there still are some problems, such as lack of the comprehensive integration on atmospheric effects, the strong diurnal variation of snow albedo in the snow melting season, and the difficult estimation on non-clear sky atmospheric conditions. Therefore, this project will focus on: ⑴Using DEM, satellite atmospheric products, considering non-clear sky conditions, a model of DSSR considering synchronously the atmospheric and topographic effects will be proposed over complex terrain; ⑵Combined with the existing mountain BRDF model and snow spectral features, the albedo of snow surface is reconstructed after the high-resolution remote sensing image is synchronously corrected for the atmosphere and terrain; (3) The existing high-orbit, low-orbit satellite data is fully utilized to explore the snow surface net short wave radiation from the instantaneous estimate to day extension model scale.

遥感已成为雪面短波净辐射（NSSR）估算的重要数据源，太阳短波入射辐射(DSSR)与雪面反照率是影响雪面NSSR精确估算的主要参量。然而，大气效应、地形效应及地表方向反射特性导致山区雪面NSSR具有较强的空间异质性。卫星遥感、数字高程模型（DEM）与辐射传输模型结合，为复杂地形区雪面NSSR估算提供了一种有效手段。纵观国内外山区雪面NSSR估算模型，依然面临算法对大气效应、地形效应及雪面各向异性综合集成较弱、融雪季节雪面反照率日变化强烈、非晴空大气条件估算较为困难等问题。因此，重点研究：⑴利用DEM及卫星遥感大气产品，考虑非晴空条件下，建立同步考虑大气效应与地形效应的山区太阳短波入射辐射模型；⑵结合现有山区BRDF模型及雪面光谱特征，在对高分辨率遥感影像同步进行大气、地形校正后反演雪面反照率；⑶充分利用现有的高轨、低轨卫星数据，探索雪面短波净辐射从瞬时估算值到日尺度的扩展模型。

雪面短波净辐射NSSR是雪层能量平衡、区域融雪径流等模型的基本输入参数，遥感已成为地表短波净辐射估算的重要手段，多种全球尺度辐射收支产品已经免费发布。然而对于中小尺度山区积雪，除太阳-地表几何关系外，大气效应、地形效应及地表各向异性反射特性共同影响雪面短波净辐射时空分布。因此，本项目基于数字高程模型（DEM）、卫星遥感产品与山区辐射传输模型，主要研究内容包括四个方面：积雪识别，包括山区积雪识别和云及云影下积雪识别；卫星过境时刻雪面太阳短波辐射DSSR估算及其在日尺度上的扩展；山区雪面反照率（Albedo）遥感估算；基于雷达测高数据的冰川表面高程变化研究。.研究区主要分布在祁连山老虎沟流域12号冰川、八宝河流域，以及中国天山中段。研究结果主要归结为以下几点：1）山区积雪提取研究。通过考虑地形、积雪期、积雪下地表类型等因素提出了NDSI多阈值法；将时间分辨率较高的MODIS与高空间分辨率的Sentinen-2数据进行时空数据融合，提高融雪期识别积雪变化的能力；基于GEE云平台工具，研究Sentinen-2影像云及云影下积雪重建方法。总之，通过以上三方面研究，不仅能够提高山区积雪提取精度，而且有利于积雪时序变化分析。2）太阳短波辐射估算。基于高时间分辨率的静止卫星辐射产品（10 min）和高空间分辨率的极轨卫星数据（10 m），探索了两种山区高分辨率日尺度太阳短波辐射估算方法，即空间降尺度和时间扩展法；考虑北京时与UTC时差的影响，提出了一种基于静止卫星辐射产品逐像元高斯拟合的中国区域日总太阳短波辐射估算方法。3）雪/冰反照率遥感估算。通过对Sen2Cor地形标准化工具在BRDF、气溶胶、水汽、卷云等参数设置，提高冰雪条件下遥感影像地形校正质量；通过对比常用于冰雪反照率反演的三种窄波段至宽波段转换方案，探寻适合中国西北地区最佳的冰/雪albedo转换公式，获得更高精度山区雪面反照率数据。除此之外，还对星载激光雷达ICESat-2的ATL06产品高程精度及冰川表面高程变化进行研究，期望提高冰雪表面DEM数据精度。