论文题目: 被动微波雪水当量研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 地图学与地理信息系统
作者: 蒋玲梅
导师: 李小文,施建成
关键词: 被动微波,致密介质理论模型,积雪,参数化,雪水当量,反演算法
文献来源: 北京师范大学
发表年度: 2005
论文摘要: 积雪是气象学和水文学中一个非常重要的参数。积雪的多寡不仅是影响气候变化的重要因子,也是影响干旱和半干旱地区农牧业发展的重要因素。季节性雪盖和冰川是全球水循环中的重要成分,监测季节性雪覆盖的范围以及冰川的堆积和消融地带,对于理解全球水循环是十分必要的。本论文的研究目的是改进当前AMSR-E传感器的雪水当量算法。我们用考虑多次散射的积雪辐射理论模型──Matrix Doubling法求解辐射传输方程,用致密介质理论模型模拟积雪发射和消光特性,用AIEM模型模拟地表辐射及作为辐射传输方程的边界条件,来模拟和分析不同积雪参数和地表参数对积雪总辐射和亮温差的影响,指出当前反演算法中存在的问题,并用地面实验数据对该模型做了验证。为了发展雪水当量(或积雪深度)算法,我们对不同散射阶模型(零阶、一阶和本论文采用的多次散射模型)做了比较,结果表明我们必须在前向理论模型和反演模型中考虑多次散射作用。利用积雪理论模型,我们建立了针对AMSR-E传感器参数设置的积雪辐射模拟数据库,包含了各种可能的自然积雪和地表特性参数。从而在模拟数据库基础上,我们发展了针对AMSR-E的参数化模型。最后,我们提出了发展雪水当量反演算法框架。本论文的研究重点和创新点表现在:(1)对现有积雪辐射理论模型与雪水当量反演模型认识上的突破:我们利用理论AIEM面辐射模型,考虑了有积雪覆盖的下垫面粗糙度、介电特性的影响,而当前的前向理论辐射模型与反演模型中都把积雪-土壤、积雪-空气界面作为平面处理。不同散射阶模型──零阶、一阶与多阶模型的比较,表明高频(频率> ku波段)多次散射作用不可忽略,因此必须在我们的雪当量反演算法中考虑多次散射作用;(2)用实验数据对包括地表介电常数和粗糙度效应,且考虑多次散射的积雪辐射模型做验证,验证结果表明我们所选用的积雪辐射模型能描述自然积雪的辐射特性;(3)建立了积雪辐射模拟数据库,该数据库包括了几乎所有的自然雪特性──积雪密度、颗粒大小,以及地表介电常数、地表粗糙度特征──冻土/非冻土、土壤湿度和粗糙度特征。通过对模拟数据库的分析,我们发展了针对AMSR-E传
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 积雪深度（雪水当量）遥感研究意义
1.2 国内外研究现状
1.3 立题依据和主要研究内容
1.3.1 立题依据
1.3.2 主要研究内容
1.4 研究思路和论文结构
第二章 积雪微波辐射散射特性与一些基本概念
2.1 积雪的物理特性
2.1.1 积雪特点
2.1.1.1 密度
2.1.1.2 颗粒形状
2.1.1.3 颗粒大小
2.1.1.4 杂质
2.1.1.5 液态水含量
2.1.2 雪水当量定义
2.2 积雪电磁波散射和辐射特性
2.3 积雪的介电特性
2.3.1 介电常数理论模型
2.3.2 介电常数半经验模型
2.3.2.1 本论文采用的干雪介电常数模型
2.3.2.2 冰的折射指数（虚部）与频率的关系模拟
2.3.2.3 冰的折射指数（虚部）与温度的关系模拟
2.3.2.4 干雪的介电常数模型验证
2.4 穿透深度（Penetration Depth）
2.4.1 定义
2.4.2 AMSR-E 的穿透深度模拟
2.5 Rayleigh 散射与Mie 散射相位函数的比较
2.5.1 Rayleigh 散射
2.5.2 球形Mie 粒子散射
2.5.3 大气研究中Rayleigh 与Mie 散射适用性的关系
2.5.4 针对AMSR-E 雪水当量研究中Rayleigh 与Mie 散射的关系
2.6 小结
第三章 积雪辐射理论模型
3.1 辐射传输理论和概念描述
3.1.1 强度（Intensity）
3.1.2 标量辐射传输方程
3.1.3 修正的Stokes 参数―把强度（或能量）与场量相联系的参数
3.1.4 散射相位矩阵
3.1.5 非均匀介质的相位矩阵
3.1.6 矢量辐射传输方程
3.2 辐射传输方程求解
3.2.1 双矩阵模型（Matrix Doubling Method）
3.2.1.1 Matrix Doubling 方法基本思路和概念
3.2.1.2 散射层的相位矩阵
3.2.1.3 不规则边界的有效反射和透射矩阵
3.2.1.4 无边界的非均匀介质层的发射
3.2.1.5 有边界的非均匀介质层的发射
3.2.1.6 多层非均匀介质的辐射过程
3.3 积雪的近场效应
3.4 密集分布离散粒子的辐射传输
3.4.1 有效场近似（Effective Field Approximation）
3.4.2 准晶（QCA）近似
3.4.3 相关位（Coherent Potential）
3.4.4 对分布函数（Pair Distribution Function）
3.4.4.1 单一粒子的对分布函数
3.4.4.2 多粒子的对分布函数
3.4.4.3 粘性粒子的对分布函数
3.4.5 密集分布粒子的有效传播常数解
3.4.6 独立散射与近场效应的比较
3.5 积雪辐射模型
3.6 小结
第四章 随机地表面散射和辐射模型
4.1 面散射特性
4.2 传统的随机粗糙面散射和辐射模型
4.2.1 几何光学模型（GOM）
4.2.2 物理光学模型（POM）
4.2.3 小波绕模型（SPM 模型）
4.2.4 传统模型适用范围的总结
4.3 积分方程模型（IEM）
4.3.1 IEM 模型的对传统模型的改进
4.3.2 IEM 模型具体表达式
4.4 AIEM（Advanced IEM）模型
4.4.1 IEM 模型中存在的问题
4.4.2 改进的IEM 模型──AIEM 模型
4.4.3 对AIEM 理论模型适用范围的验证
4.4.3.1 AIEM 模型与小波绕模型（SPM）的比较
4.4.3.2 AIEM 模型与基尔霍夫模型（KA）、几何光学模型（GO）的比较
4.4.3.3 AIEM 模型与老IEM 模型模拟AMSR-E 频率能力的比较
4.4.3.4 实验数据对AIEM 模型在大角度和高频频段模拟能力的验证
4.5 本章小结
第五章 积雪辐射特征模拟与模型验证
5.1 概述
5.2 积雪辐射模型模拟
5.2.1 地表土壤湿度对积雪覆盖地表辐射响应的影响
5.2.2 地表粗糙度对积雪覆盖地表辐射响应的影响
5.2.3 积雪颗粒对积雪覆盖地表辐射响应的影响
5.2.4 积雪密度对高频积雪辐射响应的影响
5.3 模型验证
5.3.1 试验区介绍
5.3.2 验证结果
5.4 小结
第六章 对积雪辐射理论模型的参数化
6.1 概述
6.2 零阶、一阶与多阶散射模型比较
6.2.1 热辐射和辐射亮度温度
6.2.2 零阶解与一阶解模型描述与模拟
6.2.2.1 零阶解
6.2.2.2 一阶解
6.2.2.3 一阶散射解模型的模拟和分析
6.2.3 不同散射阶模型的比较
6.2.3.1 散射反照率与不同散射阶模型的关系
6.2.3.2 光学厚度与不同散射阶模型的关系
6.3 模拟数据库建立
6.3.1 AMSR-E 传感器参数
6.3.2 输入参数的范围的确定
6.3.2.1 土壤参数、积雪参数及范围
6.3.2.2 输入参数数据构造
6.4 参数化模型
6.5 纯雪像元雪水当量反演算法框架初步建立
6.6 本章小结
第七章 结论和讨论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表论文
发布时间: 2006-09-13
参考文献
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