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。

雪粒径的形状因素对积雪的反射光谱曲线影响较大, 如何有效地刻画雪粒径的形状参数成为研究的热点。 渐进辐射传输模型被广泛地应用于雪粒径反演, 其对雪粒径形状的描述只采用了2个值(3.62对应于片状雪粒径, 4.53为球形雪粒径), 较难描述积雪的形状参数, 同时为了反演积雪的雪粒径, 这两个形状参数必须被提前固定, 这大大降低了雪粒径的反演精度, 为此提出了一种基于光谱库的雪粒径及形状参数反演算法(LUTMA)。 首先利用渐进辐射传输模型建立不同粒径, 不同形状参数的光谱库, 然后采用光谱角指标进行匹配, 最终获取积雪的粒径与形状参数。 实验表明, 基于光谱库的雪粒径及形状参数反演新方法与实测数据较为吻合。

雪粒径反演是冰冻圈遥感的重要研究内容之一。 本研究通过设计不同雪粒径观测方案, 在我国北疆地区利用SVC HR-1024野外便携式光谱仪观测了不同雪粒径的光谱特征; 同时利用可拍照显微镜测量了雪粒径的大小和形状, 并通过DSPP方法计算其等效粒径; 最后, 基于渐进式积雪辐射传输模型（ART）对反演波段和积雪形状因子进行优化, 反演并验证雪粒径。 研究表明DSPP方法获取积雪等效粒径是可行的, 但由于同层积雪中样本选择存在较大差异, 在样本选择方面需要进一步改进; 近红外波段还是区分雪粒径的有效波段, 在研究区积雪是干雪的条件下, 基于ART优化反演波段和积雪形状因子优化方法反演雪粒径是可行的, 根据试验获取在该地区雪粒径反演最佳波段为1.20 μm, 最佳积雪形状因子b值为3.62。

雪粒径是影响全球/局地能量收支和表征积雪水热状态的重要参数, 大面积监测和估算雪粒径的分布及大小对于全球/局地气候变化和水资源管理具有重要意义。 目前遥感技术已成为大面积监测和估算雪粒径的重要手段。 针对雪粒径的遥感监测与估算, 该研究采用辐射传输模型模拟雪面可见光-近红外波段的光谱曲线, 经过分析光谱曲线并结合一阶微分和累计差异值选取对雪粒径敏感的波段和积雪指数, 建立单变量雪粒径高光谱遥感估算模型, 并用地面实测数据进行验证, 结果表明, 单波长1 030 nm, 1 260 nm和归一化差值积雪指数（460和1 030 nm）构建的估算模型预测精度较高, 雪粒径估算值与实测值的相关斜率分别为1.37, 0.61和0.62 , R2分别为0.82, 0.86和0.93, RMSE分别为55.65, 50.83和35.91 μm, 可用于雪粒径的估算研究。 研究成果为雪粒径的高光谱遥感反演提供科学依据。