本文關(guān)鍵詞：基于被動微波遙感的北半球近地表土壤凍融時空分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：冰凍圈與大氣圈、水圈、巖石圈以及生物圈通過彼此之間的相互作用和反饋機制,共同決定氣候系統(tǒng)的形成與發(fā)展。凍土作為冰凍圈的重要組成部分之一,其分布面積占地球陸地總面積的35%左右。據(jù)統(tǒng)計,北半球近地表土壤約有50×106 km2的范圍每年都要經(jīng)歷凍融轉(zhuǎn)換這一過程。近地表土壤在經(jīng)歷凍融循環(huán)的過程中,能夠直接或間接地影響到氣候系統(tǒng)、地表能量平衡和水平衡、植被生長機制、地氣間二氧化碳的交換以及整個生態(tài)系統(tǒng)。地表凍融過程是環(huán)境溫度發(fā)生改變情況下形成的土壤狀態(tài),因此凍融狀態(tài)對溫度變化非常敏感,地表凍融的起止時間以及持續(xù)日數(shù)均能夠反映氣候變化情況,并對區(qū)域和全球尺度下氣候的形成和變化具有重要意義。2013年,IPCC第五次評估報告指出1880-2012年全球平均溫度升高了約0.85℃(0.65-1.06℃),導(dǎo)致格陵蘭和南極冰蓋消融和冰川退縮、極端氣候事件頻率的增加、相對較薄的多年凍土的消失、高緯度多年凍土南界向北移動、山地多年凍土下界向高海拔移動、多年凍土面積減少,多年凍土年平均地溫有不同程度的升高,活動層厚度也在增加等,而季節(jié)性的凍融循環(huán)則會直接或間接地對地表植被的生長季產(chǎn)生影響。監(jiān)測季節(jié)凍土和多年凍土的方法通常可以分為4類:(1)傳統(tǒng)方法;(2)地球物理方法;(3)數(shù)值模擬方法和(4)遙感方法。遙感方法通常是通過利用可見光、紅外、近紅外以及微波等探測儀器,識別地球表面物質(zhì)的性質(zhì)及運動情況。一般情況下微波遙感比可見光、紅外技術(shù)等更有利于探測無雪覆蓋近地表土壤凍融循環(huán)。然而目前已有的近地表土壤凍融狀態(tài)的遙感監(jiān)測研究仍存在一些問題:1)數(shù)據(jù)源比較單一;2)衛(wèi)星掃描的范圍有限;3)主要的研究都集中在區(qū)域尺度,而對于半球尺度的研究相對匱乏。本研究主要針對這些問題,利用合適的凍融算法,判別北半球近地表土壤的凍融情況。應(yīng)用被動微波亮度溫度數(shù)據(jù)判別近地表土壤凍融界限的算法發(fā)展大致經(jīng)歷了3個過程:算法研制、參數(shù)調(diào)整、應(yīng)用與建立數(shù)據(jù)集,常用的算法有三種:雙指標(biāo)算法、時間序列變化檢測算法以及決策樹算法。這些算法都是依據(jù)凍土微波輻射特性提出的,即隨著溫度的降低,土壤開始凍結(jié),土壤介電常數(shù)的實部降低,導(dǎo)致反射率的減小和發(fā)射率的增大。微波數(shù)據(jù)是來自美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心的等面積網(wǎng)格(EASE-Grid)格式的SMMR、SSM/I和AMSR-E數(shù)據(jù),空間分辨率25 km;氣象數(shù)據(jù)是中國氣象局的317個氣象站點的5 cm土壤日平均溫度數(shù)據(jù),其中標(biāo)定站點157個,驗證站點160個。本研究基于對應(yīng)象元的亮溫和土壤溫度的線性擬合分析,重新標(biāo)定雙指標(biāo)算法中的37 GHz垂直極化亮溫閾值,得到分別適用于SMMR、SSM/I和AMSR-E的T37為255.0 K,261.9 K和256.8 K,從而對北半球近地表土壤狀態(tài)進(jìn)行凍融分類,獲得1979-2014年完整的地表凍融數(shù)據(jù)集。經(jīng)驗證,三種數(shù)據(jù)對地表分類結(jié)果的凍結(jié)、融化和總分類精度分別為89.5%,91.4%和89.6%;90.8%,91.0%和90.8%;90.6%,89.9%和88.0%。根據(jù)地表凍融數(shù)據(jù)集的時空分布特征隨地溫的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:(1)1979-2014年,北半球近地表土壤平均凍結(jié)首日在10月初,凍結(jié)末日為4月底,凍結(jié)期為217天,凍結(jié)天數(shù)為161天,平均年最大凍結(jié)面積約6.2×107 km2,占北半球陸地面積的62.5%。(2)1979-2014年,北半球近地表土壤凍結(jié)首日推遲,推遲速率1.7±1.0 d/a;凍結(jié)末日提前,提前速率為1.2±0.6 d/a;凍結(jié)期縮短,縮短速率為2.5±1.1 d/a凍結(jié)天數(shù)減少,減少速率為1.6±0.8 d/a,年最大凍結(jié)面積呈下降趨勢,每年減少5.56×104 km2,減少速率為0.056%。(3)各凍結(jié)指標(biāo)在空間分布上具有明顯的緯度地帶性和垂直地帶性。(4)2002-2010年,與SSM/I的分類結(jié)果相比,AMSR-E低估了地表凍結(jié)。(5)7月到次年6月為一個凍融循環(huán)周期,其中7月為最暖月,凍結(jié)面積最小,月平均凍結(jié)天數(shù)最小;1月為最冷月,凍結(jié)面積最大,月平均凍結(jié)天數(shù)最大。最后針對本研究中用到的雙指標(biāo)算法所存在的問題進(jìn)行了討論分析,并提出了可能的解決途徑和進(jìn)一步的研究方向。在研究中,忽視了不同的地表利用類型,輻射特征也存在一定差異,尤其是沙漠和湖泊地區(qū),分類結(jié)果較差;缺少了真實的地表凍融狀態(tài),沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來定性地判定三種數(shù)據(jù)對近地表土壤凍融狀態(tài)的識別能力。
【關(guān)鍵詞】：北半球 近地表土壤凍融狀態(tài) SMMR SSM/I AMSR-E 被動微波遙感
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P642.14
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 選題背景與研究意義10-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3 研究內(nèi)容15-18
• 第二章 基本遙感原理與數(shù)據(jù)18-26
• 2.1 被動微波遙感監(jiān)測地表土壤凍融狀態(tài)原理18-19
• 2.2 被動微波遙感數(shù)據(jù)介紹19-24
• 2.2.1 SMMR20
• 2.2.2 SSM/I20
• 2.2.3 AMSR-E20-24
• 2.3 中國氣象臺站數(shù)據(jù)24-26
• 第三章 被動微波遙感監(jiān)測地表凍融循環(huán)26-35
• 3.1 雙指標(biāo)算法26-27
• 3.2 閾值標(biāo)定及精度驗證27-35
• 3.2.1 SMMR28-30
• 3.2.2 SSM/I30-32
• 3.2.3 AMSR-E32-35
• 第四章 北半球地表凍融循環(huán)監(jiān)測結(jié)果分析35-49
• 4.1 SMMR和AMSR-E與SSM/I分類結(jié)果的對比分析35-42
• 4.1.1 凍結(jié)首日36-37
• 4.1.2 凍結(jié)末日37-38
• 4.1.3 凍結(jié)期38-39
• 4.1.4 凍結(jié)天數(shù)39-40
• 4.1.5 最大凍結(jié)面積40-42
• 4.2 北半球近地表土壤凍融狀態(tài)時空分布特征42-45
• 4.3 月最大凍結(jié)面積與月平均凍結(jié)天數(shù)時空分布45-49
• 第五章 結(jié)論、討論及展望49-55
• 5.1 結(jié)論49-50
• 5.2 論文創(chuàng)新點50
• 5.3 討論及展望50-55
• 參考文獻(xiàn)55-60
• 在學(xué)期間研究成果60-61
• 致謝61

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