基于被動微波遙感的北半球近地表土壤凍融時空分析.pdf

1、冰凍圈與大氣圈、水圈、巖石圈以及生物圈通過彼此之間的相互作用和反饋機(jī)制，共同決定氣候系統(tǒng)的形成與發(fā)展。凍土作為冰凍圈的重要組成部分之一，其分布面積占地球陸地總面積的35％左右。據(jù)統(tǒng)計，北半球近地表土壤約有50×106 km2的范圍每年都要經(jīng)歷凍融轉(zhuǎn)換這一過程。近地表土壤在經(jīng)歷凍融循環(huán)的過程中，能夠直接或間接地影響到氣候系統(tǒng)、地表能量平衡和水平衡、植被生長機(jī)制、地氣間二氧化碳的交換以及整個生態(tài)系統(tǒng)。地表凍融過程是環(huán)境溫度發(fā)生改變情況下形成

2、的土壤狀態(tài),因此凍融狀態(tài)對溫度變化非常敏感，地表凍融的起止時間以及持續(xù)日數(shù)均能夠反映氣候變化情況，并對區(qū)域和全球尺度下氣候的形成和變化具有重要意義。2013年，IPCC第五次評估報告指出1880-2012年全球平均溫度升高了約0.85℃(0.65-1.06℃)，導(dǎo)致格陵蘭和南極冰蓋消融和冰川退縮、極端氣候事件頻率的增加、相對較薄的多年凍土的消失、高緯度多年凍土南界向北移動、山地多年凍土下界向高海拔移動、多年凍土面積減少，多年凍土年平均地

3、溫有不同程度的升高，活動層厚度也在增加等，而季節(jié)性的凍融循環(huán)則會直接或間接地對地表植被的生長季產(chǎn)生影響。監(jiān)測季節(jié)凍土和多年凍土的方法通常可以分為4類：(1)傳統(tǒng)方法；(2)地球物理方法；(3)數(shù)值模擬方法和(4)遙感方法。遙感方法通常是通過利用可見光、紅外、近紅外以及微波等探測儀器，識別地球表面物質(zhì)的性質(zhì)及運(yùn)動情況。一般情況下微波遙感比可見光、紅外技術(shù)等更有利于探測無雪覆蓋近地表土壤凍融循環(huán)。然而目前已有的近地表土壤凍融狀態(tài)的遙感監(jiān)測研

4、究仍存在一些問題：1）數(shù)據(jù)源比較單一；2）衛(wèi)星掃描的范圍有限；3）主要的研究都集中在區(qū)域尺度，而對于半球尺度的研究相對匱乏。本研究主要針對這些問題，利用合適的凍融算法，判別北半球近地表土壤的凍融情況。應(yīng)用被動微波亮度溫度數(shù)據(jù)判別近地表土壤凍融界限的算法發(fā)展大致經(jīng)歷了3個過程：算法研制、參數(shù)調(diào)整、應(yīng)用與建立數(shù)據(jù)集，常用的算法有三種：雙指標(biāo)算法、時間序列變化檢測算法以及決策樹算法。這些算法都是依據(jù)凍土微波輻射特性提出的，即隨著溫度的降低，土

5、壤開始凍結(jié)，土壤介電常數(shù)的實(shí)部降低，導(dǎo)致反射率的減小和發(fā)射率的增大。微波數(shù)據(jù)是來自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心的等面積網(wǎng)格(EASE-Grid)格式的SMMR、SSM/I和AMSR-E數(shù)據(jù)，空間分辨率25 km；氣象數(shù)據(jù)是中國氣象局的317個氣象站點(diǎn)的5 cm土壤日平均溫度數(shù)據(jù)，其中標(biāo)定站點(diǎn)157個，驗(yàn)證站點(diǎn)160個。本研究基于對應(yīng)象元的亮溫和土壤溫度的線性擬合分析，重新標(biāo)定雙指標(biāo)算法中的37 GHz垂直極化亮溫閾值，得到分別適用于SMMR、S

6、SM/I和AMSR-E的T37為255.0 K，261.9 K和256.8 K，從而對北半球近地表土壤狀態(tài)進(jìn)行凍融分類，獲得1979-2014年完整的地表凍融數(shù)據(jù)集。經(jīng)驗(yàn)證，三種數(shù)據(jù)對地表分類結(jié)果的凍結(jié)、融化和總分類精度分別為89.5%，91.4%和89.6%；90.8%，91.0%和90.8%；90.6%，89.9%和88.0%。根據(jù)地表凍融數(shù)據(jù)集的時空分布特征隨地溫的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：(1)1979-2014年，北半球近地表土

7、壤平均凍結(jié)首日在10月初，凍結(jié)末日為4月底，凍結(jié)期為217天，凍結(jié)天數(shù)為161天，平均年最大凍結(jié)面積約6.2×107 km2，占北半球陸地面積的62.5%。(2)1979-2014年，北半球近地表土壤凍結(jié)首日推遲，推遲速率1.7±1.0 d/a；凍結(jié)末日提前，提前速率為1.2±0.6 d/a；凍結(jié)期縮短，縮短速率為2.5±1.1 d/a凍結(jié)天數(shù)減少，減少速率為1.6±0.8 d/a，年最大凍結(jié)面積呈下降趨勢，每年減少5.56×104 k

8、m2，減少速率為0.056%。(3)各凍結(jié)指標(biāo)在空間分布上具有明顯的緯度地帶性和垂直地帶性。(4)2002-2010年，與SSM/I的分類結(jié)果相比，AMSR-E低估了地表凍結(jié)。(5)7月到次年6月為一個凍融循環(huán)周期，其中7月為最暖月，凍結(jié)面積最小，月平均凍結(jié)天數(shù)最??；1月為最冷月，凍結(jié)面積最大，月平均凍結(jié)天數(shù)最大。
　　最后針對本研究中用到的雙指標(biāo)算法所存在的問題進(jìn)行了討論分析，并提出了可能的解決途徑和進(jìn)一步的研究方向。在研究中，