积雪地表微波发射率模拟与分析

段宇飞

摘 要：海拉尔机场冬季主要以降雪为主。积雪微波地表发射率影响因素与积雪深度，积雪地表温度等参数有关。本文通过利用weng地表发射率模型分别输入不同参数对积雪微波地表发射率的影响进行了敏感性测试，帮助我们进一步通过微波资料来更有效的利用卫星资料。

关键词：积雪;微波;地表发射率

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0244-02

0 引言

地表发射率是用来表征地表特征的重要参数。随着卫星资料同化系统的发展，把微波地表发射率模型直接放入数字天气预报模式中，为数值预报产品提供了很好的资料来源。积雪的覆盖是影响气候变化的最为主要的因素，尤其在冬季影响着地表发射率的变化。对于海拉尔机场而言，冬季严寒漫长，地面积雪时间长。所以在冬季，降雪、积雪成了本机场预报的关注重点。降雪天气会导致机场能见度降低，影响飞机起降，若地面出现积雪，飞机轮胎与冰层间摩擦力减小，不易保持方向，极易冲出跑道发生危险。研究积雪微波发射率模型模拟特征和对积雪地表发射率影响参数的验证显得尤为重要。卫星探测到的地表发射率资料已经成为提升模式预报精度和延长预报时效的十分重要的手段，同时也是发展卫星探测技术的初衷之一。

1 模拟方法简介

Weng[1]等用了二流近似发展研究微波地表发射率模型。并将稠密介质理论DMRT[2]耦合进地表发射率模型中。在该模型中，将地表假设为一个在不规则表面上的多层介质，这里只认为是一个三层的介质。认为上层和底层的介质是有空隙、均匀的，而且具有相同的介电常数。目前该模型已经比较成熟，并且可以广泛运用到全球大部分陆地表面情况的主要辐射传输过程中。

2 积雪地表发射率变化特征分析

2.1 积雪粒子大小的敏感性试验

设卫星天顶角为55°，积雪温度为280K，土壤温度为285K，土壤体水含量为0.2，积雪深度在50mm时，计算积雪粒子半径在0.26-0.75mm范围内积雪地表发射率变化。具体结果如图1所示：图1（a）中，当f=89GHZ时，在积雪覆盖的地表情况下，地表发射率对积雪粒子大小比较敏感。而且在此变量影响下，垂直极化发射率[3]也是要高于水平极化发射率。随着积雪粒子半径在0.26mm到0.75mm的增加，水平极化发射率和垂直极化发射率变化趋势一样，地表发射率都在大幅度减小。图1（b）表示在f=18.7GHZ，f=36.5GHZ两个频率下的水平极化发射率随积雪粒径的变化。从图中可以看出，频率为36.5GHZ时的地表发射率率下降的趋势更明显。因为随着积雪粒子半径的增大，粒子的半径与36.5GHZ的微波波长越接近，所产生散射的效应会更强。因此其发射率下降更迅速。

2.2 积雪深度的敏感性试验

设卫星天顶角为55°，积雪温度为280K，土壤温度为285K，土壤体水含量为0.2，计算积雪深度在10-100mm的范围内积雪地表发射率变化。具体结果如图2所示，在图2（a）中，当f=89GHZ时，在积雪覆盖的地表情况下，积雪深度的变化对地表发射率影响较大。而且垂直极化发射率要高于水平极化发射率。随着积雪深度在10mm到100mm的增加，水平极化发射率和垂直极化发射率变化趋势一样，都随之减少，图2（b）所表示的是f=18.7GHZ，f=36.5GHZ两个频率下的水平极化发射率随积雪深度的变化。积雪深度从10mm到100mm变化过程，两种极化方式下，频率为18.7GHZ和36.5GHZ的地表发射率都不断减小。其中，18.7GHZ频率的发射率随着深度增加呈现出近似线性下降趋势，较频率为36.5GHZ下降的平缓。频率为36.5GHZ地表发射率的下降的幅度较大。因为较大的频率微波波长短，与积雪粒子直径较接近，所以散射作用更强。所以随积雪深度的增加，即散射体[4]的数量增加。36.5GHZ发射率会迅速减小。

2.3 土壤体积含水量的敏感性试验

设卫星天顶角为55°，积雪温度为280K，土壤温度为285K，土壤体水含量为0.2，积雪深度为30mm，计算土壤体积含水量在1%-90%范围内积雪地表发射率变化。从图3中可以看出，随土壤含水量的增加，频率为18.7GHZ和36.5GHZ的发射率都降低。其中在18.7GHZ频段地表发射率随土壤含水量变化下降很快。因为土壤中水的介电特性会引起地表发射率在此频段内普遍随着频率升高而增大。这说明了土壤含水量的多少对低频段18.7GHZ的影响较大。说明土壤含水量的变化对低频比较敏感。从图中可以看出，土壤含水量在15%之前，18.7GHZ的发射率要高于频率为36.5GHZ的发射率，当土壤含水量超过15%之后，频率为18.7GHZ的发射率下降的幅度很快，所以36.5GHZ频率的发射率就高于18.7GHZ频率的发射率。出现这一现象的原因是随着土壤体积含水量的增加，地表的辐射贡献会越来越小，又因为积雪体积散射的贡献主要与频率有关，频率越高，积雪的体积散射就越强。所以频率在36.5GHZ的体散射比频率在18.7GHZ时的大，故在土壤含水量很大的情况下，相对高频（36.5GHZ）的发射率高于低频（18.7GHZ）发射率。因此，作为积雪地表发射率的参数，土壤含水量的变化是不可忽视的，不能将该参数作为常数处理。

2.4 地表粗糙度的敏感性试验

设积雪温度为280K，土壤温度为275K，卫星天顶角为55°，土壤体水含量为0.2，积雪深度为10mm，f=89GHZ，计算地表粗糙度在0-0.5cm范围内积雪地表发射率变化。结果如图4可知，在积雪覆盖的地表情况下，当地表粗糙度较小时，积雪地表发射率极化差较大，而随着地表粗糙度的增加，水平极化发射率随地表粗糙度随地表粗糙度增加而减小。出现这一现象的原因是由于地表粗糙度较大，散射较多，就会削弱发射率。垂直极化发射率随地表粗糙度的增加而减小，两者变化幅度都逐渐趋于平缓，发射率的极化差趋于饱和。但相对于积雪深度，土壤体积含水量来说，其对积雪地表发射率的影响是比较小的。

3 結语

近年来地表发射率的研究受到越来越多的关注。本文对于积雪覆盖的地表，利用Weng积雪发射率模型分析并研究了积雪地表发射率特性，并在此基础上进行了敏感性测试。研究了积雪地表发射率对不同参数的敏感程度。通过上述讨论与分析，一般来说，水平极化发射率都要比垂直极化发射率小。可以知道土壤温度对积雪地表发射率的影响较小。同时从敏感性分析结果来看，土壤体积含水量对地表发射率的影响相对于土壤温度来说要大的多，因为土壤的发射率相对于水的发射率要大得多。频率对积雪地表发射率的影响也很大。积雪发射率的极化差随频率的增加而减小。在被动微波遥感中，就积雪的本身性质来说，含水量，积雪深度，粒子半径对发射率模型的敏感程度都比较大。所以说积雪的覆盖对地表发射率来说是一个重要的因素，尤其是冬季，它会影响地表发射率的变化。对积雪地表发射率的研究是至关重要的。

参考文献

[1] Weng F，Yan B.Grody N C.A microwave land emissivity model[J].Journal of Geophysical Research，2001，106（17）：20115-20123.

[2] Choudhury B.J.and A.T.C.Chang.Two-stream theory of reflectance of snow.IEEE Trans.Geosci. Remote Sens，1988，26：850-859.

[3] 白云洁，卢玲，李新，车涛.积雪微波辐射亮温对积雪参数的敏感性分析[J].遥感技术与应用，2009，24（5）：622-629.

[4] 蒋玲梅，施建成，张立新.积雪辐射模型验证[J].遥感学报，2006，10（4）：515-522.