基于ERS散射計(jì)數(shù)據(jù)的青藏高原土壤水分估算方法研究.pdf

1、土壤水分在全球水資源中所占的比列很小，存儲(chǔ)在土壤空隙中的水分僅占全球水資源0.005％，但它是水文模型和氣候模型的重要邊界條件。青藏高原作為世界上平均海拔最高、面積最大、地形最為復(fù)雜的高原，其能量與水分循環(huán)過(guò)程對(duì)亞洲季風(fēng)、東亞大氣環(huán)流及全球氣候變化均有極大的影響。準(zhǔn)確持續(xù)地獲取青藏高原地表土壤濕度數(shù)據(jù)一直是科學(xué)家研究青藏高原地氣相互作用過(guò)程的努力方向之一。 本文的是基于ERS-1/2散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行青藏高原地表土壤濕度參數(shù)反演。為

2、獲得較高的反演精度，本文引入一個(gè)簡(jiǎn)化的地表散射模型，然后通過(guò)最新發(fā)展的裸露地表隨機(jī)散射理論模型對(duì)其參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)散射計(jì)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過(guò)尋找不同入射角下簡(jiǎn)單地表散射模型的參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，來(lái)減少反演模型中的未知量，得到基于ERS-1/2散射計(jì)數(shù)據(jù)的裸露地表土壤水分估算方法，然后選擇和計(jì)算植被散射水云模型的植被參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)青藏高原的土地利用信息，定量估算植被散射從而進(jìn)行植被影響校正，最后反演得到進(jìn)行青藏高原全年地表土壤水分的

3、時(shí)空分布數(shù)據(jù)。 為建立基于ERS-1/2散射計(jì)的裸露地表土壤水分反演模型，本文首先對(duì)比分析不同的裸露地表散射模型和經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行青藏高原地表散射模擬時(shí)，模擬結(jié)果與大尺度的ERS-1/2風(fēng)散射計(jì)的觀測(cè)值之間誤差；論證了在進(jìn)行大尺度地表散射模擬時(shí)，AIEM模型仍然比其他地表散射模型有更高的精度，并且地表自相關(guān)函數(shù)選擇指數(shù)相關(guān)函數(shù)時(shí)，AIEM模型的模擬值與ERS-1/2風(fēng)散射計(jì)的觀測(cè)值最為接近；通過(guò)引入一個(gè)簡(jiǎn)化的裸露地表后向散射模

4、型(SSM)，并利用AIEM模型模擬建立的地表散射特性數(shù)據(jù)對(duì)SSM進(jìn)行標(biāo)定，從而建立散射計(jì)前、中天線不同入射角下SSM模型中的參數(shù)Am和Af之間的函數(shù)關(guān)系以及參數(shù)b與入射角的關(guān)系，得到可以直接利用散射計(jì)的每次觀測(cè)(兩個(gè)不同入射角)進(jìn)行裸露地表土壤水分反演的方法；根據(jù)GAME-Tibet觀測(cè)場(chǎng)的地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用上述模型基于ERS散射計(jì)數(shù)據(jù)得到的觀測(cè)場(chǎng)的裸露地表土壤水分，結(jié)果表明，反演值能夠較好的反映土壤水分的變化特征，反演值與實(shí)測(cè)值之間

5、的相關(guān)性能夠達(dá)到0.6-0.7，標(biāo)準(zhǔn)偏差約0.04cm3/cm3。 為進(jìn)一步減少植被覆蓋下土壤水分反演時(shí)的未知參數(shù)，本文根據(jù)青藏高原降雨和凍融的特點(diǎn)，先選擇每個(gè)觀測(cè)像元內(nèi)每年四月十五日至五月二十日之間ERS散射計(jì)數(shù)據(jù)，利用裸露地表土壤水分反演算法反演得粗糙度參數(shù)A，然后建立A與入射角的關(guān)系，并以此關(guān)系作為全年A與入射角的關(guān)系。對(duì)GAME-TibetIOP98觀測(cè)場(chǎng)的土壤水分反演結(jié)果表明，基于上述方法得到的參數(shù)A進(jìn)行其他時(shí)間段的地

6、表土壤水分反演結(jié)果與直接利用兩次觀測(cè)反演得到的地表土壤水分很接近，而且前者隨時(shí)間的變化比后者更為光滑，還可以消除后者中的某些奇異值。 在進(jìn)行植被覆蓋下土壤水分的反演時(shí)，必須植被散射的影響進(jìn)行校正。本文然后根據(jù)前人的研究成果，選擇合理的單散射反照率ω，通過(guò)不同波長(zhǎng)的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)b之間的關(guān)系，計(jì)算得到C波段的不同植被類(lèi)型的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)b。根據(jù)植被含水量Wc與NDVI的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，利用AVHRR-NDVI計(jì)算得到植被含水量，從而利用水云

7、模型對(duì)植被散射進(jìn)行定量估算，達(dá)到對(duì)植被影響進(jìn)行校正的目的。 本文的最后對(duì)青藏高原1998年每月中旬的土壤水分進(jìn)行了反演。得到的結(jié)果顯示：高原外圍土壤相對(duì)較濕，中部相對(duì)較干。隨著夏季的到來(lái)，土壤高濕度地區(qū)從藏東南向西北、塔里木盆地向東北擴(kuò)展；隨著冬季的來(lái)臨，土壤高濕度地區(qū)分別向藏東南和塔里木盆地收縮。雖然由于受局部積雪、地質(zhì)、地理等因素的影響，高原淺層土壤濕度估計(jì)可能出現(xiàn)不同程度的偏差，但總體季節(jié)變化以及區(qū)域分布特點(diǎn)與高原的水分輸