积雪中的黑碳气溶胶粒子会导致积雪光谱反射率显著下降, 进而引起的气候辐射变化会推迟或提前积雪融化时间, 严重影响了干旱区地表径流特征、 区域水循环过程, 由此引起的干旱区生态水文问题也越来越受到关注。 2018年1月在新疆北疆地区开展积雪中气溶胶粒子观测实验, 借助ASD地物光谱仪、 Snow Folk积雪特性仪与HR-1024外场分光辐射度计等仪器获取原始积雪光谱数据与其他积雪参数, 应用Snow, Ice, and Aerosol Radiation model(SNICAR)模型模拟了不同雪粒径下、 不同太阳天顶角、 不同Black Carbon（BC）浓度下的积雪光谱反照率变化状况, 讨论了BC、 雪粒径在不同光谱范围内敏感性, 结果表明： 太阳天顶角对雪面光谱反照率的影响在近红外波段比其他波段表现得更明显, 在积雪光谱曲线中太阳天顶角从0°变化到80°, 可见光波段600 nm处光谱反照率升高了0.045, 近红外波段1 000, 1 200和1 300 nm处光谱反照率分别升高了0.16, 0.225和0.249； 在天顶角为60°时, 雪粒径从100 μm增大到800 μm, 对应的光谱反照率减少量最大可达到0.15, 且100~300 μm范围内的雪粒径比400~800 μm范围内的引起光谱反照率的下降量明显增大, 雪粒径的增大能使吸光性颗粒物的光吸收效应增强； 随着BC浓度的增加, 积雪反照率会显著下降, 且不同浓度的BC对积雪的反照率的差值不同, 随着BC浓度的增加, 反照率的差值量越来越小。 不同的BC浓度在近红外波段对光谱反照率影响较小, 影响较大的范围主要集中可见光波段, 在光谱800和1 100 nm处, 5 μg·g-1的BC浓度使光谱反照率减小了0.13和0.04, 5 μg·g-1的BC可使350与550 nm处的光谱反照率减小0.25与0.23； 比较不同粒径下, BC浓度对积雪光谱宽波段反照率的减少情况可发现, 在BC存在的情况下, 雪粒径的增加会增大BC的光吸收效应, 且浓度越高, 吸收增加的越多； 从光谱指数角度表明BC在可见光波段350~740 nm比较敏感, 相关系数较高； 雪粒径在近红外波段1 100~1 500 nm比较敏感, 尤其在1 000与1 300 nm左右, BC与雪粒径在积雪光谱曲线中的敏感波段相关性都较高, R2高达0.9以上； 最后将模型模拟的积雪反照率与实测数据进行验证对比, R2为0.738, 模拟效果较好, 可为干旱区积雪光谱反照率的研究奠定数据基础。

提出一种渐近辐射传输(ART)理论与离散纵标辐射传输法(DISORT)相结合的方法,用于反演雪光谱反照率。基于雪粒形状的二级科赫分形假设,利用不同卫星数据与ART理论的三种粒径反演方法反演研究区域的雪粒径,反演的雪粒径大小不同,但平均值均在50 μm左右。基于雪粒球形假设,根据反演的雪粒径,基于DISORT模型计算波段为0.3~5.0 μm的雪光谱反照率,同时基于ART理论计算波段为0.3~1.5 μm的雪的黑空与白空光谱反照率。由两种辐射传输模型计算的0.3~1.5 μm的雪光谱反照率差异较小,表明雪粒形状假设合理,利用两种辐射传输模型相结合的方法能够计算太阳光谱的雪反照率。考虑到研究区域内黑碳等吸光性杂质的影响,修正了DISORT模型计算的雪光谱反照率。研究区域靠近国境边缘的西伯利亚地区时,吸光性杂质对于雪光谱反照率影响很小;研究区域为东北工业地区时,吸光性杂质会明显降低可见光波段的雪光谱反照率。