非球形积雪颗粒光谱反照率的模拟、验证与应用

积雪光谱反照率是地球辐射平衡的关键因子，也是融水径流模型与气候模型的重要输入因子。积雪光谱反照率取决于积雪粒度与形状、积雪年龄、杂质含量、近表层液态水含量、积雪深度、表面粗糙度以及太阳高度角等。本项目以祁连冰沟地区、北疆富蕴地区为研究区，围绕非球形积雪颗粒光谱反照率模型的建立、模拟结果的实地观测验证与模拟结果的遥感应用而展开，包括：1)积雪基本物理参数的野外测量，获取地面真实数据，建立模拟与反演验证的基础数据库；2)高光谱遥感影像（Hyperion）的图像处理及其积雪光谱反照率与有效积雪粒径的反演；3)发展一套非球形积雪颗粒光谱反照率的原型算法，建立以蒙特卡罗随机模拟方法为技术手段的估算模型；4)模型模拟结果的验证与遥感应用，改善光谱反照率的模拟精度，提高积雪光谱反照率模型参数输入的环境适应性与操作性，减少野外人工实地测量的困难，替代实地观测光谱反照率在遥感影像处理与反演验证上的应用。

积雪是气候的产物。积雪的高反射特性是气候系统反馈机制中的关键，是水热变化的综合指标与指示器。所以本项目研究非球形雪晶的光谱反照率的工作显得尤其重要。项目以北疆富蕴地区为研究区，从雪晶物理层面出发，开展了以下工作内容并取得了相应的进展：第一，通过多次野外观测试验分析了各物理特性尤其积雪粒度与形状、杂质含量、近表层液态水含量、积雪深度、积雪温度等对光谱反照率的影响。我们发现，(1) 积雪反射率随黑碳浓度、太阳高度角、液态含水量、积雪粒径的增大而下降，随坡度、可穿透雪深的增加而增加；(2)基于波长490nm处的积雪反射率的黑碳浓度反演经验模型得以表达：C=((R-h)⁄a)^(1⁄f)；(3) 积雪反射率的BRDF特征明显，积雪镜面反射特征明显。第二，开展了高光谱遥感影像的积雪光谱反照率的反演与验证工作。我们发现，该反演的积雪反射率影像与点/样方尺度同步实测的积雪反射率相比较，可见光波段实测值要略高于反演值，而近红外波段尤其1260nm后，实测值要略低于反演值。虽然经辐射传输模型有效的大气订正，二者之间仍然存在0.3%-10%的偏差。30m空间分辨率像元的反演与单点实测的尺度差异也是造成偏差的主要原因之一，从而提出了点/样方尺度与像元尺度之间地表异质性与多尺度转换的重要性。第三，结合WW模型，构建了以蒙特卡罗方法为核心的随机模型模拟非球形雪晶在近场效应作用下的各向异性的积雪光谱反照率。其随机模拟通过对大量的光子在积雪介质中的行为跟踪并统计就可得具体散射角的散射通量，其统计结果由WinBUGS来完成。蒙特卡罗方法在模拟雪晶散射通量的变化峰值时与WW模型相比其误差可达10%。今后的研究工作中将要结合WW模型与MC模型各自的优点，进一步完善MC方法在模拟随机场雪晶光谱反照率等方面的应用。