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地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究.docx
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地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究.docx
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土壤冻融过程影响的地区占地球陆地总面积的一半以上,包括多年冻土和
季节冻土,其中季节性土壤冻融转换发生在大约 51.0%的陆地上,而多年冻土
区约占北半球裸露土地面积的 23.9%
[ 1]
。在北半球,每年大约有 5.0×10
7
km
2
的范围会经历冻融转换过程
[ 2]
。由于青藏高原的特殊地理位置,高原上广泛
分布着多年冻土和季节冻土,土壤冻融过程(freeze/thaw process, F/T)可
以通过改变土壤表层及其覆盖层与大气间能量与水分交换,进而影响近地面能
量平衡,在区域气候变化中起着非常重要的作用。此外,冰和液态水在冻土中
的共存又极大地改变了土壤的水力和热力性质,从而影响了土壤介质中的水热
分布,对水文过程产生了深远的影响
[ 3]
。因此,开展青藏高原水文和气候研
究就必须掌握较为准确的土壤冻融过程信息。
在过去的研究中,季节性土壤冻融过程主要为分析研究地面单个站点的实
测数据
[ 4]
,或进行有限区域尺度的数值模式模拟
[ 5]
。由于冻土的分布范围在
大尺度上主要受到纬度地带性和垂直地带性的双重控制,但是在中小尺度上又
会受到许多局地因素的影响(如坡向、坡度、积雪、植被覆盖、土壤含水量和
地质构造等),导致其空间异质性较强
[ 6]
。相对于传统的地面站点观测研究,
卫星微波遥感技术优势显著,星载微波辐射计可以提供长时间序列、覆盖全球
的绝大部分地区、1~2 日重访周期和多通道的双极化亮温观测等监测优势。L
波段微波可以穿透覆盖度较小的植被和较薄的积雪,获取植被或积雪覆盖下的
土壤物理信息
[ 7]
。不仅如此,由于液态水和冰的相对介电常数差异在 L 波段
较为显著,最大可达 80,因此 L 波段微波辐射可以监测地表冻融过程
[ 8]
。L
波段地基微波辐射计 ELBARA-III 仪器的中心波长约为 21 cm,具有较强的穿
透能力,可以提供一定深度的土壤信息
[ 9]
。在微波辐射传输过程中,地表植
被的体散射效应很弱,影响较小
[ 10]
。由于有上述优势,L 波段主动和被动微
波遥感可以监测积雪融化和土壤冻融过程
[ 11-12 ]
。近年来也出现大量的研究使
用水瓶 座 卫星( Aquarius) 与 土壤湿 度 和海洋 盐 分卫星 ( Soil Moisture and
Ocean Salinity mission,SMOS)来监测土壤冻融过程
[ 13-15]
,并利用 Mo 等
[ 16]
提出的辐射 τ-ω 零阶辐射传输模型,可以将观测的亮温动态与土壤冻融转
换联系起来。这也证明了 L 波段被动微波测量在监测土壤冻融状态中的可行性
和优越性
[ 14]
。
如上所述,由于土壤冻融过程的空间差异较大,并且目前星载微波辐射计
的空间分辨率较低(通常为数十千米),远远不能满足土壤冻融状态监测的需
要,而地表温度对主动微波的后向散射系数影响较小。因此,可以将主动微波
遥感和被动微波遥感相结合来监测地表冻融,开展地基微波遥感监测土壤冻融
过程研究较为重要。同时,土壤冻融过程微波辐射地面观测试验也可以为从空
间探测土壤的冻融状态提供理论和依据。土壤冻结后,微波辐射计观测的亮温
梯度会降低,并且含水量越大,降低得越明显,水平极化的亮温梯度总是大于
垂直极化的亮温梯度,并发现不同极化方式的亮温与冻土中液态土壤水的相变
过程密切相关
[ 17]
。Schwank 等
[ 18]
也通过对 L 波段微波辐射法监测土壤 F/T
状态的试验研究和理论分析,发现土壤的冻融过渡对土壤的 L 波段特征有明显
的影响,当土壤表层发生冻结时,L 波段的亮温升高。
青藏高原是全球土壤冻融过程的主要发生区域之一。然而,目前对青藏高
原土壤冻融过程的主要研究还停留在地面观测数据和数值模拟结果的分析上,
现有卫星遥感土壤冻融数据产品的精度也有待提高,鲜有对地基微波辐射观测
试验的研究。为了更好地检验卫星遥感土壤冻融过程数据产品,发展卫星遥感
土壤冻融过程算法模型,非常有必要开展地基微波遥感土壤冻融过程的研究。
本文正是基于以上需求,利用在甘肃省甘南藏族自治州玛曲县境内的中国科学
院若尔盖高寒生态站陆面与遥感试验平台
[ 19]
,通过分析 L 波段地基微波辐射
计观测数据,开展监测土壤冻融过程的研究,分析 L 波段微波对土壤季节性冻
融周期的敏感性,为完善卫星遥感土壤冻融过程提供理论基础。
1 数据与方法
本文研究区域位于青藏高原东北部的黄河源区,甘肃省甘南藏族自治州玛
曲 县 内 的 中 国 科 学 院 若 尔 盖 高 寒 生 态 站 陆 面 与 遥 感 试 验 平 台 观 测 场
(33˚55′N、102˚09′E,以下简称玛曲观测场)。玛曲观测场的下垫面类型以
高寒草原、高寒草甸为主,整个生长季植被的高度介于 5~15 cm,每年 6—7
月,观测场内的植被高度通过人工控制,土壤以砂质壤土为主,粉砂壤土比例
较大。玛曲观测场海拔为 3 432 m,其所属地区气候属于典型的高原大陆性高
寒湿润型,受青藏高原和东亚季风性大陆气候的影响,冬季寒冷干燥,夏季多
雨,多年平均气温仅 2 ℃,多年平均地表气压在 640 hPa 左右,多年平均降
水为 505 mm
[ 20]
。
本研究所使用的地基微波辐射计(ELBARA-III)由瑞士 GAMMA 遥感公
司设计,双极化(p=H 时水平极化,p=V 时垂直极化)仰角扫描 L 波段 (1.4
GHz)Dicke 类型天线长度为 2.7 m,直径 1.4 m 波束宽度为 12°,信号强度
为-3 dB 的辐射计
[ 21]
。微波辐射计(ELBARA III)被安装在陆面与遥感实验
平台观测场处一个 5 m 高的塔式观测台上,旋转天线(大致在天线波束的相同
位置)距离地面 6.5 m。观测场地理位置和仪器设备见图1。
图 1
图 1 微波遥感土壤冻融过程观测试验场地理位置(a)和 ELBARA-III 辐射计
(b)
Fig.1 Geographical location of the experiment site for the observation of
the soil freeze/thaw process by microwave remote sensing (a) and the
ELBARA-III radiometer (b)
在标准观测模式下,ELBARA-III 以 30 min 的时间间隔和 5°角度步长开展
从 40°~70°观测角的地面扫描观察。仪器每日测量数据包括:仰角扫描序列观
测数据、固定仰角观测数据、天顶(天空)观测数据。每天 23:55 进行天空
测量,开展一次天空背景辐射观测,观测角度为 155°,用以标定仪器自身的
冷源。仪器设备主要属性列于表 1。为观测信号不被其他辐射源干扰和减少观
测误差,ELBARA-III 使用了两个同步信道(1.400~1.418 GHz,1.409~1.427
GHz)来增强频带内的噪声信号识别,减轻和检测潜在的无线频率干扰 RFI
(radio frequency interference, FRI)。ELBARA-III 的亮温观测的绝对精度
优于 1 K,可记录敏感响应大于 0.1 K 的微波亮温变化
[ 22]
。
表 1 本研究所用微波辐射计(ELBARA-III)的主要属性
Table 1 Main attributes of the microwave radiometer(ELBARA-III) used
in the study
参数
对应值
极化类型
垂直极化、水平极化
通道中心频率
1.4075 GHz, 1.4195 GHz
带宽
22.0 MHz(2×11.0 MHz)
入射角范围
40°≤ α ≤ 70°
绝对精确度
±0.5 K
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本文还用到其他地面观测数据,来源于中国科学院西北生态环境资源研究
院玛曲土壤温湿度观测网和中国科学院若尔盖高寒生态站陆面与遥感试验平
台观测场。土壤温湿度观测网总共有 20 个站点,分布于平缓山坡和平坦地表,
每个站点埋设由美国 Decagon 设备公司生产的 ECH20/EC-TM 土壤湿度感应
探头和 ECH-EM50 数据自动记录盒
[ 23]
。本文选取观测网中 NST-14 点的观测
数据,包括 2.5 cm 和 5.0 cm 深度的土壤温度/土壤湿度,采样频率为 15 分钟,
由于设备故障,2018 年 7 月部分数据缺失。近地面气温采样频率为 30 分钟。
为减少误差,对于数据缺测值,本文选用平均日变化法处理,即某一时刻的缺
失数据用相邻数日同一时刻没有缺失的数据的平均值代替
[ 24]
。
2 土壤冻融过程的监测方法
2.1 地 面 观 测 数 据监测 冻 融 过 程
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