北半球积雪深度反演算法及其时空变化特征研究

摘要

积雪是冰冻圈重要组成要素之一，对天气和气候响应最为敏感的自然要素。它影响着局部或区域的水资源和能量平衡、水文过程、生态系统功能等。被动微波遥感可以穿透云层和大气层，具有全天候、全天时地工作的特点，这就使得使用被动微波遥感数据估算积雪深度、雪水当量等积雪参数时具有较大的优势。近些年来利用被动微波遥感反演积雪深度和雪水当量的研究已经有了很大的发展。本研究开展了运用被动微波遥感数据和地面实测数据进行积雪深度的反演研究工作，尝试建立一种较为简单的积雪深度估算方法。并运用该方法反演北半球积雪深度，生成近25年北半球逐日积雪深度数据集，最后分析近25年北半球积雪的时空变化特征。 本文首先在前辈们积雪深度反演算法的研究基础上，考虑了积雪属性的演变，以及积雪属性在时空尺度上的异质性等特点，提出了一种新的积雪深度反演算法。本算法充分考虑了下垫面植被类型对积雪属性的影响，站点的位置信息，以及积雪的时间信息。最终建立了一个基于支持向量回归的积雪深度反演算法，首先用本算法反演了欧亚大陆地区的积雪深度，随后与其他现有的四种积雪深度反演算法对比积雪深度估算能力，四种算法包括：Chang 算法，光谱梯度（Spectral Polarization Difference，SPD）算法，神经网络算法（Artificial Neural Networks，ANN）和线性回归(Linear Regression)算法。在此获得了以下的结论： 1）与其他四种现有的积雪深度反演算法相比，本研究所提出的积雪深度反演算法表现最好，积雪深度的估算结果精度高，且积雪深度估算结果与实测值有较高的相关系数，相对最小的MARE，MAE和RMSE。在三种线性算法中（Chang算法，SPD算法和线性回归算法），线性回归算法在深雪部分可以生成较高精度的积雪深度估计值。总体来讲，非线性算法（ANN算法和SVR算法）的雪深估算能力会优于线性算法。本研究所提出的基于支持向量回归的积雪深度反演算法可以改善积雪饱和效应（通常积雪的饱和效应的阈值为60cm，在本研究中积雪饱和效应的阈值提高到了150cm左右）。 2）下垫面为森林和灌木时的积雪深度估算结果误差相对下垫面为裸地和草原时偏高，这主要是因为植被衰减了来自积雪的微波散射信号，导致低估 了积雪深度。此外，积雪ii期（积雪稳定期，12月-2月）时，基于四种地表覆盖类型的雪深反演模型的MARE均小于其他两个积雪期（积雪积累期（i，9月-11月），积雪融化期（iii，3-6月））。此外，每种下垫面下的MAE和RMSE均会随着时间的变化（从积雪i期至iii期），在基于四种地表类型建立的积雪深度反演模型在积雪i期时，会产生相对积雪iii期更小的误差。 随后将本文对提出的积雪深度反演算法做了部分修订，并将其应用于反演北半球从1992-2016年期间逐日积雪深度。进一步对比分析了该积雪深度数据集与现有的两种积雪产品（GlobSnow-2积雪产品和ERA-Interim/Land积雪产品）的积雪深度估算精度；接着使用该研究所生成的积雪深度数据集分析了1992-2016年北半球积雪时空变化特征，得出了如下结论： 1）结合12-2月地面气象台站的逐日积雪深度实测资料，选取两种积雪产品（GlobSnow-2雪水当量产品，ERA-Interim/Land积雪产品）与本研究所生成的积雪深度产品进行对比分析，发现GlobSnow-2积雪深度的估算结果的精度最高，其次是SVR积雪深度产品（即本研究所生成的积雪深度产品），最后是ERA-Interim/Land积雪深度产品。 2）分析北半球近25年的积雪水储量的变化趋势，发现在1992-2016年期间年总积雪水储量呈现显著减少趋势，以约5500 km3/年的速率在减少。分析积雪水储量的年内变化时发现 1 月积雪水储量的减少速率最快，为1065.72km3/年，其次是11月份积雪水储量的减少速率1060.10km3/年，4月减少速率最慢，速率为128.04km3/年。又分析了秋、冬、春、夏季积雪水储量的年际变化趋势，发现冬季（12，1和2月）三个月份的积雪水储量年际变化减少速率明显高于其他七个月份，减少速率分别是 979.71 km3/年,1065.72 km3/年,738.79 km3/年，而春夏季节的积雪水储量的变化速率相对最小。 3）多年平均积雪天数呈现出很强的纬度地带性，较短的积雪天数主要位于北纬25°-45°的中纬度地区，如中国的华东、华中、华北地区和塔里木盆地地区，蒙古高原，西欧区域，以及美国大部分地区。长积雪天数主要位于极地地区，如阿拉斯加和加拿大北部，俄罗斯的北部地区；以及青藏高原地区。 4）从北半球多年平均积雪深度的分布图中可以看出，北半球的积雪深度具有明显的纬度地带性，积雪深度会随着纬度的北移而加深。针对中国多年平均积雪深度大于零的地区主要位于我国的三大积雪区：青藏高原、新疆北部和东北积雪区。从 1992-2016 年北半球年平均积雪深度变化率的空 间分布图可以看出，北半球的年平均积雪深度大部分面积的程序增加趋势，增加速率为 0-1cm/年不等；而积雪深度减少的区域也占据了北半球面积的绝大部分，积雪深度减少的速率为 0-1cm/年不等；积雪深度增加最快的速率大于1cm/年，而其主要位于阿拉斯加西部地区。

目录

第一个书签之前