2. 南京信息工程大学, 南京 210044
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
雪的堆积和融化动态耦合着水文和气候过程。积雪覆盖、雪深和雪水当量信息对于水资源管理和理解气候动力学、气候变化的复杂性极其重要[1]。它们是区域乃至全球气候变化的重要指标, 也是山区盆地的重要水源[2-4], 在草原牧区堆积过厚的雪还是冬季需要防范的主要自然灾害。所以确保积雪参数测定的准确性与及时性对于气候学研究、水文应用以及防灾减灾都非常重要[2]。
卫星遥感技术是积雪监测的重要手段。用于遥感积雪参数的卫星传感器通道位于电磁波的可见光—短波红外和微波区域。利用可见光—短波红外的光学遥感数据, 例如AVHRR/3, MVISR和MODIS等遥感数据, 能够比较可靠地获得较高空间分辨率的晴空条件下积雪覆盖区域信息, 但是利用光学遥感数据很难定量获取雪深和雪水当量信息。与光学遥感积雪参数的方法相比, 利用星载被动微波数据 (例如SMMR, SSM/I, AMSU, AMSR等) 遥感积雪参数具有很大的优越性, 它的优点在于:①全天候大范围的监测能力 (不受太阳光和云层的影响); ②穿透积雪层, 同时获取雪层和地表信息, 可以确定区域内的积雪参数, 包括积雪范围、雪深、雪水当量 (SWE)、积雪峰值、化雪情况以及降雪频率等。
SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) 是一个可获取多频、双极化微波数据的微波成像仪。搭载在美国国防气象卫星 (DMSP) 上的SSM/I自1987年首次发射到现在, 己积累了19年的资料, 为积雪研究提供了长时间序列的丰富数据。本文主要介绍改进的中国区域SSM/I积雪判识方法的研究结果。参考国外的SSM/I全球积雪判识方法, 将SSM/I数据与我国气象站观测的积雪参数匹配分析, 研究建立了更准确的适合我国及周边地区的 (17°~57°N, 65°~145°E) 积雪判识方法。改进后的方法提出了新的判识因子, 在完成积雪判识的同时还给出了雪深和积雪状态的定性信息, 这将为雪深和雪水当量定量反演提供帮助。SSM/I积雪参数的算法对于与它类似的多频双极化传感器 (AMSR-E/AQUA, MWRI/FY-3待发射) 开展积雪监测都可以借鉴。
1 研究所用资料 1.1 卫星资料SSM/I的主要参数信息见表 1。本研究采用美国国家冰雪数据中心 (NSIDC) 提供的SSM/I北半球EASE-Grid数据集, 取其中利用DMSP-F13卫星观测资料处理生成的1997年7月1日—2003年6月30日的降轨 (过境时间近似为地方时05:45) 数据, 各观测通道数据分辨率统一处理为25 km×25 km。
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表 1 SSM/I参数信息表 Table 1 Instrument information of SSM/I |
1.2 气象站观测资料
我国气象站观测的日雪深信息, 包括612个气象站2001年10月1日—2002年3月31日和2002年10月1日—2003年3月31日两个雪季的资料; 内蒙古东北部草原区的22个气象站1997年7月1日—2003年6月30日的信息。观测要素包括日最高气温、最低气温、平均气温、日平均地温、日降水、冻土深度、雪深和雪压。因为微波观测与地表面发射率有关, 为此了解冻土情况只考虑由地表向下有冻结的情况, 本研究所指冻土深度是指地表有冻结时的第一冻土层厚度 (厚度=下限深度-上限深度), 其他情况下冻土深度为零。气象站点分布见图 1。
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图 1. 地面站点分布图 Fig 1. Distribution of ground observation stations |
1.3 其他资料
为研究我国及周边地区积雪判识方法, 还参考了基于NOAA/AVHRR光学遥感数据获取的我国及周边地区积雪覆盖图。
2 SSM/I积雪判识 2.1 SSM/I积雪判识方法概述积雪可以分为干雪和湿雪两类。干雪层是空气背景和冰晶粒子组成的电介质。对于湿雪, 雪中出现了液态水, 雪层变成了冰粒子、水滴和空气组成的混合物, 水滴和空气的混合物被看作背景。雪层对微波的体积消光由冰晶粒子和背景介质共同作用。无论是干雪还是湿雪, 雪层的散射都是由冰晶粒子造成的; 而吸收由冰晶和背景介质共同作用[7-8]。在10~100 GHz频率范围的窗口频段, 干雪层中冰晶粒子 (也称为“雪粒”) 对微波的散射作用占主导地位, 且随着频率的增加, 散射消光能力增强, 显示在卫星观测结果中的现象是, 对于目标雪层, 在同一极化方式下的观测亮温将随着观测频率的增加而降低, 而降低的幅度与雪层厚度 (体现雪层冰晶粒子含量) 及两个通道观测频率的差距相关。因此, 雪层散射作用造成的不同通道的微波观测亮温梯度可用于积雪参数遥感。此外, 湿雪中液态水造成雪层的吸收作用增强, 雪层本身的发射作用也增强, 雪层中液态水含量越多则由液态水的作用造成的亮温梯度被削弱的程度越大。所以湿雪状态下积雪参数的定量遥感比较困难, 对于雪盖定性判识, 可以利用上述雪层的散射、吸收特性判识积雪, 分离干湿雪。
利用SSM/I观测数据判识积雪都采用不同频率相同极化观测亮温差与同一频率的不同极化观测亮温差来完成对积雪信息的提取, 以及对干扰因素的剔除[9-12]。除了利用几乎不受大气影响的小于40 GHz的几个低频通道外, 还引入85 GHz通道数据用于检测浅雪层。
文献[9]采用式 (1) 直接确定各积雪判识因子的阈值来判识积雪的存在, 此方法称为“方法A”; 文献[13]总结前人的研究成果采用式 (2) 确定干雪。
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(1) |
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(2) |
式 (1) 和 (2) 中, TB指某通道观测亮温; 下标中的数字代表卫星通道中心频率, 单位:GHz; 下标中的H和V指代被动微波观测的极化方式, H为水平极化, V为垂直极化。
文献[10]认为对于冬季被动微波窗区通道观测, 对地观测目标可分为散射体和吸收体两类, 散射体主要有积雪、沙漠、冻土和降水 (包括降雨和降雪)。散射目标的微波观测特征是观测亮温随着频率的增加而减小, 采用这一特征首先分离散射体和吸收体。对于不同的散射体, 因为它们影响微波发射、散射的特征量 (发射层物理温度、散射层深度、密度和散射粒子大小、表面粗糙度等) 不同, 造成不同频率相同极化观测亮温差、同一频率不同极化观测亮温差大小以及观测亮温自身的不同, 利用这些差异再逐步分离不同的散射体, 剔除沙漠、冻土和降雨, 剩余的就是雪。文献[10-12]都采用这种决策树判识法。图 2给出了文献[12]获取全球雪盖图的具体判识过程, 此方法称为“方法B”。图中TBSCAT为 (TB22V-TB85V) 和 (TB19V-TB37V) 两者中大者。
在太阳照射条件较好的中低纬度地区, 利用相对高空间分辨率 (1 km) 的光学遥感数据判识积雪覆盖, 只要在中低纬度地区, 通过多天数据合成滤除云的影响后, 其结果优于低空间分辨率 (25 km) 的微波数据得到的结果, 所以在中低纬度地区, 可以把利用光学遥感数据判识的雪盖图作为真值用于检验利用微波数据判识的雪盖图。文献[12]指出, Basist等比较SSM/I周积雪覆盖产品和NESDIS的业务积雪产品 (采用光学遥感数据), 两个产品空间差异最大的地区在青藏高原和蒙古地区, 在这两个地区, SSM/I产品总是高估积雪覆盖。为了验证Basist等的结论, 并改进SSM/I积雪判识方法, 利用方法A和方法B获取研究区域的积雪覆盖图 (彩图 3a, 彩图 3b), 并与国家卫星气象中心业务监测的积雪覆盖图 (彩图 4a) 进行比较, 结果表明, 这两种算法在青藏高原区域都造成了雪盖面积的明显高估。
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图 3. 利用国外两种不同方法判识2002年12月22-26日雪盖图 (a) 方法A,(b) 方法B Fig 3. The snow cover maps during Dec 22-26, 2002 identified by two foreign methods (a) Method A, (b) Method B |
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图 4. 国家卫星气象中心AVHRR积雪检测图 (a) 2002年12月下旬,(b) 2003年3月下旬 Fig 4. The snow cover maps with AVHRR data made by oprational method in NSMC (a) Dec 21-31, 2002, (b) Mar 21-31, 2003 |
SSM/I全球雪盖判识方法在青藏高原等地区对雪盖面积的高估, 其直观原因在于判识因子的阈值在这些地区不适用。判识因子中不同频率相同极化观测亮温差最为重要, 它体现散射体散射作用的强弱, 其阈值设定直接影响积雪判识结果。举例来说, 就方法B, 提高沙漠和冻土的TB19V-TB37V和TB22V-TB85V的阈值可以减小青藏高原区的积雪覆盖面积高估幅度。但是, 研究中也发现如果TB19V-TB37V和TB22V-TB85V两个性质相同的判识因子同时独立使用, 很难对它们做到协调一致的阈值设定。
所以, 有必要改进或研究新的SSM/I雪盖判识方法, 使其适用于我国及周边地区。
2.2 SSM/I积雪判识改进方法参考上述几种方法, 经过采用气象站结果匹配SSM/I数据, 并结合光学遥感判识方法的积雪覆盖图综合分析, 确定如下5种判识因子建立改进的我国及周边地区积雪判识方法 (具体判识方法见图 5), 此方法称为方法C。判识因子1: TB19V-TB37V; 判识因子2: TB22V-TB85V; 判识因子3: (TB22V-TB85V)-(TB19V-TB37V); 判识因子4: (TB19V-TB19H), 判识因子5: TB22V。
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图 5. 利用SSM/I数据建立的我国及其周边地区积雪判识方法 (方法C) Fig 5. The improved snow cover identifying method with SSM/I data in China and its adjacent areas (Method C) |
方法C借鉴了文献[12]有关散射体判识和降雨剔除的方法; 此外利用新提出的判识因子3分离积雪与沙漠、冻土; 同时初步判识出深雪和浅雪、干雪和湿雪。判识因子的提出与阈值的确定根据卫星观测数据结合气象站观测数据的散点图聚类分析确定。对于沙漠和冻土来说, 判识因子3的值较小, 且值域区间小, 统计分析 (图 6) 得出:对于沙漠, 判识因子3的值一般在0 K附近; 对于冻土在5 K附近。而对于积雪来说, 判识因子3的值受雪中含水量影响明显, 统计分析得出:对于干雪, 其判识因子3的值绝大部分大于8 K, 并随雪深增加而增大, 对于湿雪, 则一般小于8 K, 并随雪中含水量增加而急剧减小, 对于较深且很湿的雪, 判识因子3的值小于-5 K。判识因子3在改进的方法中起到关键作用, 它统一了TB19V-TB37V和TB22V-TB85V在积雪与沙漠、冻土分离时的阈值设定。
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图 6. 内蒙古东北部草原地区1997年10月—2003年3月间积雪 (a)、降雨 (b)、冻土 (c) 样本以及塔克拉玛干沙漠区样本 (d) 的判识因子3散点图 Fig 6. The scattering maps of identifying parameter calculated with the samples of snow (a), rain (b), frozen soil (c) collected in grassland of north-east Inner Mongolia Auto nomous Region, and the samples collected in Takelamagan Desert (d) |
由图 6还可以看出, 对于降雨, 判识因子3的峰值也在0 K附近, 与沙漠近似。所以, 图 5中的流程设计, 除采用TB22V≤260 K剔除降雨外, 在此后采用判识因子3分离积雪与沙漠、冻土的过程中, 还实现了对降雨的第二次检测剔除。
3 改进的我国及周边地区SSM/I积雪判识方法与其他判识方法的比较 3.1 积雪判识效率比较参考降水预报检验中预报效率的计算公式定义积雪判识效率 (见式 (3), 参数说明见表 2), 并用它来检验积雪判识方法的效果, 其中以地面站观测结果为真值。上述2001—2003年两个雪季期间3种判识方法的积雪判识效率计算结果见彩图 7和彩图 8。
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表 2 式 (3) 中的参数说明 Table 2 The statement of parameters in formula (3) |
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图 7. 积雪判识效率EH的时间序列图 Fig 7. Temporal sequence map of snow cover identifying efficiency EH |
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图 8. 积雪判识效率EH空间分布图 Fig 8. Spacial distribution map of snow cover identifying efficiency EH |
判识效率:
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(3) |
彩图 7给出了2001—2003年两个雪季期间, 以每天612个气象站为检验样本, 计算得出的积雪判识效率的时间序列。结果指出:雪季中期的判识效率最低, 3种方法的EH最低值方法A为0.58, 方法B为0.48, 而本研究给出的方法C为0.7, 方法C优于其他两种方法; EH的动态范围方法A为0.42, 方法B为0.51, 方法C为0.32, 表明方法C判识效率动态范围最小, 它的季节适应性较其他两种方法好; 3种方法的EH序列平均值方法A为0.86119, 方法B为0.80683, 方法C为0.89074, 其中方法C的判识效率平均值最高。综合上述分析, 本研究改进方法 (方法C) 的积雪判识效率明显优于其他两种方法, 提高了在中国地区的积雪判识能力。
彩图 8给出的是两个雪季期间, 分别以各气象台站所有观测日为判识样本, 计算得出的各站积雪判识效率的空间分布。结果表明:青藏高原东南部, 即位于 (30°N, 97.5°E) 周边地区判识效率较低。由空间分布来看方法C的判识效率在3种方法中依然最高。
3.2 积雪覆盖图比较以国家卫星气象中心采用光学遥感数据得到的业务积雪监测图 (彩图 4a) 为准确值, 讨论方法A、方法B和方法C的优劣 (3种方法积雪覆盖图分别见图彩3a, 彩图 3b和彩图 9a)。
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图 9. 采用方法C判识的雪盖图 (a)2002年12月22-26日, (b)2003年3月21-27日 (0: 背景;1: 厚干雪;2: 厚湿雪;3: 浅干雪;4: 浅湿雪或森林覆盖下的浅雪;5: 厚的很湿雪) Fig 9. The snow cover maps identified by Method C (0: background; 1: thick dry snow; 2: thick wet snow; 3: shallow dry snow; 4: shallow wet snow or shallow snow under forest; 5: thick very wet sonw) |
积雪覆盖图的比较指出, 方法C的判识结果接近利用AVHRR光学遥感数据的判识结果, 判识效果较好。方法C与方法A和方法B判识结果的最大差别在于青藏高原地区的判识差异。对整个雪季雪盖图的对比分析发现, 方法A和方法B常把青藏高原冻土误判为积雪, 因此造成这一地区雪盖面积的偏高估计。此外, 方法A在雪季中后期对青藏高原地区积雪覆盖高估较多; 方法B在整个雪季对我国积雪覆盖有明显的偏高估计。比较而言, 方法C获取的雪盖图相对其他两种算法则较为准确, 大大提高了冻土与积雪的分离度, 提高了积雪判识的准确率。
4 结论鉴于SSM/I全球算法对我国及周边地区雪盖面积的偏高估计, 总结过去SSM/I雪盖判识方法及其判识因子, 分析它们的误差来源, 本研究建立了适于本地特性的判识方法, 并获取了较为准确的积雪覆盖图。
1) 全球算法在我国及周边地区的误差源主要是将冻土误判为积雪而造成的高估, 由于冻土的微波散射特性与浅雪层相似, 易于造成积雪的偏高估计, 这种现象在我国青藏高原这一深厚冻土区尤为明显。
2) 在认真分析研究已有全球算法的基础上, 建立了适于我国及周边地区的SSM/I积雪判识方法 (方法C)。我国及周边地区改进方法引入新的判识因子 (TB22V-TB85V)-(TB19V-TB37V), 采用分类判识思路, 判识结果提高了我国及周边地区积雪判识准确率。
3) 新的判识因子 (TB22V-TB85V)-(TB19V-TB37V), 是区分沙漠与积雪、冻土与积雪的有效参数, 特别是分离冻土与积雪非常有效, 它使得冻土对我国及其周边地区积雪判识的影响明显减小。
致谢 本文使用的SSM/I数据来自美国冰雪数据中心 (NSIDC), 部分数据由NSIDC直接提供, 部分数据由北京大学蒋尚城教授提供, 部分数据由国家卫星气象中心杨虎博士帮助获取, 在此致谢。[1] | Saraf A K, Foster J L, Singh P, et al. Passive microwave data for snow-depth and snow-extent estimations in the Himalayan mountains. Int J Remote Sensing, 1999, 20, (1): 83–95. DOI:10.1080/014311699213613 |
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