黑碳对积雪反射率特性的影响及其遥感反演研究探索

Black carbon aerosol (BC) with strong light absorbing properties has been considered as a kind of the most significant climate forcing factors. The BC particles exist in the atmosphere and the cryosphere extensively, even also in the Arctic, which transported by general circulation. The light absorbing characteristics of the BC particles have significant effects on the surface energy balance and can accelerate the melting of snow and glaciers. Compared with the traditional in situ measurement, remote sensing is a more effective method to achieve long term and large-scale measurements of BC concentration in snow and ice. A controlled field experiment focusing on the quantitative relationship between BC concentration and reduction of snow reflectance will be carried out in Fuyun country and Hulugou region. Furthermore, grain size of snow and BC, and snow depth will be take account in this study.The overall objective of the project is to develop a prototype of the retrieval method for the concentration of BC in snow based on statistical analysis and discrete ordinates radiative transfer model (DISORT).

黑碳气溶胶（Black Carbon/Soot）因其强烈的吸光性而被认为是重要的气候驱动因子之一。黑碳通过环流传输已经广泛分布在大气和冰冻圈层，包括北极地区。对积雪和冰川的消融产生了很大的影响。相对于传统单点观测，遥感方法对于大范围时空连续观测雪冰黑碳具有明显优势。本项目拟选取新疆富蕴地区和祁连山葫芦沟地区为研究区，针对积雪黑碳浓度的高光谱遥感开展野外人工控制试验，定量化揭示黑碳对积雪物理性质的影响，探明黑碳浓度与积雪反射率变化的定量关系；在考虑积雪粒径、黑碳粒径及雪深对积雪光谱反射率的影响下，发展一个基于统计分析和辐射传输模型（DISORT）的积雪黑碳浓度遥感反演方法原型，并通过野外试验进行验证。

黑碳气溶胶（Black Carbon/Soot）因其强烈的吸光性而被认为是重要的气候驱动因子之一。黑碳通过环流传输已经广泛分布在大气和冰冻圈层，包括北极地区，对积雪和冰川的消融产生了很大的影响。相对于传统单点观测，遥感方法对于大范围时空连续观测雪冰黑碳具有明显优势近几年来，雪冰黑碳的遥感反演研究逐渐展开，但仍处于探索阶段，并且主要集中在北极地区，针对中纬度季节积雪的研究还未涉及。.本研究旨在通过人工控制试验探究黑碳对积雪光谱反射率的影响规律，并在此基础上构建积雪黑碳经验反演模型，进而在我国主要的季节积雪区东北和北疆地区利用Landsat 7 ETM+数据分别开展基于渐进辐射传输模型（Asymptotic Radiative Transfer Model，ART）和经验模型的积雪黑碳反演研究，利用实测数据对模型在污染浓度较高的中纬度地区的适用性进行验证，并确定适用于不同研究区的最优模型参数。具体的研究结论如下：1）黑碳和沙尘对积雪反射率的影响存在一定差异，这些差异对于遥感方法区分积雪主导污染物具有重要意义；2）积雪反射率变化与污染浓度并非线性相关，单位污染物浓度引起的反射率降低随浓度增大而减小。此外，积雪和污染物自身的物理参数如粒径、形状等均对污染物在积雪中的吸收效率有重要影响；3）ART模型用于积雪黑碳反演具有较好的精度，本研究中两个研究区最佳参数组合反演结果相对误差分别为12.54% (镜泊湖地区) 和11.67% (阿勒泰地区) 。初步认为该模型适用于中纬度季节积雪黑碳浓度的反演，但对于浓度过高或雪较薄的情况模型则不适用。此外，混合像元和地形对反演具有重要的影响；4）雪粒径、积雪形状和黑碳质量吸收截面对黑碳降低积雪反射率的程度都有扰动作用，所以对积雪黑碳浓度反演具有显著影响；5）经验模型反演结果与实测黑碳浓度仅是数量级上的吻合，基于ART模型的修正能有效提升经验模型的反演精度。本研究中，镜泊湖地区最佳参数组合对应的修正因子使经验模型反演相对误差从56.58%降低至9.65%， 阿勒泰地区则从62.40%降低至12.19%。