冻土遥感研究进展_被动微波遥感

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1、地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCE第24卷第10期2009年10月Vol.24No.10Oct.,2009文章编号:100128166(2009)1021073211冻土遥感研究进展:被动微波遥感3张廷军1,2,晋锐3,高峰4(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州730000;2.美国雪冰数据中心,科罗拉多大学环境科学合作研究所,博尔德市,8030920449,美国;3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000;730000)4

2、.中国科学院国家科学图书馆兰州分馆,甘肃兰州摘要:多年冻土和季节冻土分别占北半球裸露地表的24%和55%。近地表土壤冻融的范围、冻结起始日期、持续时间及冻融深度对寒季/寒区植物生长、大气与土壤间能量、水分及温室气体交换都具有极其重要的影响。自20世纪70年代以来,应用卫星遥感结合地面观测资料研究局地到区域尺度的季节冻土和多年冻土已取得诸多成果,而遥感在冻土研究中的最直接应用是利用微波探测近地表土壤冻融状态。相对于主动SAR,星载被动微波传感器具有多通道观测且重访周期较高,空间分辨率很低的特点。重点评

3、述了近几十年来被动微波辐射计在冻土研究中的算法发展及其应用前景,主要包括双指标算法、时间序列变化检测算法及判别树算法3类,其核心均是基于冻土的低温特征和“体散射变暗”效应。发展可靠实用的微波遥感土壤冻融状态判别算法,提供区域和全球尺度上的土壤冻融状态信息,对水文学、气象学以及农业科学、工程地质研究与应用都具有重要意义。关键词:冻融循环;被动微波遥感;冻土;卫星遥感中图分类号:P931.8;TP79文献标志码:A重视,其中最直接最有效的方式即利用微波遥感监测地表冻融循环。微波受大气影响相对较小,可全天

4、候、全天时工作,且对地表具有一定穿透深度,能够获得地下一定深度范围内的信息;而且微波对土壤中的水分含量及其状态非常敏感,因此根据冻/融土壤间显著的介电特性差异导致的微波辐射/散射特征变化,可获取浅层地表的土壤水分冻融1引言据统计,北半球陆地表层土壤约有50×106km2的范围每年都要历经冻融转换这一过程[1]。地表土壤的冻结/融化状态对地气能量交换、地表径流、作物生长和碳循环等均具有重要的影响[2～5]。地表冻融作为环境温度背景下形成的土壤状态,对温度变化非常敏感,因此地表冻结/融化的范围、起始日期

5、及持续时间均可作为气候变化的灵敏指示器[3～5]。遥感为探测区域尺度冻土状况提供了可行的技术手段,地球观测系统(EarthObservingSystem,EOS)科学计划中也把冻土遥感列为其重要目标之一[2],使得遥感在冻土研究中的应用潜力日益受到[5,6]状态。近地表土壤冻融循环的被动微波遥感研究虽然已历经30年,但由于算法实用化的难度,它至今仍是一个十分活跃的研究领域。特别是近年来,随着EOS卫星上所携带的新一代被动微波辐射计相继升空,以及冰冻圈与气候变化关系研究对长序列冻融数据集的需求,土壤冻

6、融的被动微波遥感再次成为3收稿日期:2009205227;修回日期:2009208210.3基金项目:公益性行业(气象)科研专项经费项目“中国冰冻圈卫星监测关键技术研究及系统开发”(编号:GYHY(QX)200726218),美国航空航天局(U.S.NASA项目NAG5213721及NNXØ6AE65G);美国阿拉斯加大学极地研究中心(U.S.NSF项目OPP20328664)联合资助.作者简介:张廷军(19572),男,甘肃庆阳人,主要从事冻土与环境及其与气侯变化的相互作用等方面的研究.E2mai

7、l:tzhang@nsidc.org括后继的SSM/I(SpecialSensorMicrowave/Imager)和AMSR2E(AdvancedMicrowaveScanningRadiome2ter2EOS)已有30年时间序列的数据积累,可为研究气候变化背景下冻土的时空变化特征提供时间连续的观测数据。各传感器详细参数见表1。研究者所关注的热点。2被动微波监测地表冻融状态的原理及常用传感器利用被动微波辐射计亮温观测数据判断近地表(<10cm)土壤冻融状况已取得一些成功。被动微波技术的有效性在于不

8、同物理温度、组成成分和物理结构的介质其微波辐射能量不同。水和冰的介电特性差异显著(图1),使得利用微波观测推断冻融状态成为可能。接近液态水的德拜驰豫频率时,亮温对表层土壤中液态水和冻土中体散射“变暗”效应尤其敏感。表1几种星载被动微波遥感器的特征参数Table1Instrumentparameterofthewidelyusedpassiveradiometers参数SMMR(Nimbus-7)SSM/I(DMSP)AMSR-E(Aqua)6.6,10.7,18,21