1、第卷，第期光谱学与光谱分析，年月， 北疆地区不同雪粒径光谱特征观测及反演研究郝晓华，王杰，王建，张璞，黄春林中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州中国科学院研究生院，北京乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆乌鲁木齐摘要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，并通过方法计算其等效粒径；最后，基于渐进式积雪辐射传输模型（）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
2、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，最佳积雪形状因子犫值为。关键词雪粒径；光谱特征；中图分类号： 文献标识码： 犇犗犐：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，），西部博士资助项目（），中国科学院西部行动计划三期项目（）和中国科学院百人计划项目（）资助作者简介：郝晓华，年生，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所助理研究员：引言积雪是冰冻圈重要的组成部分，具有较高的反照率且季节变化明显，也是影响地球能量平衡进而影响全球气候的重要因素
3、。其中雪粒径和雪污染是引起积雪反照率变化的重要参数之一，雪粒径影响积雪近红外波段的反照率特性，雪污染影响了积雪可见光波段的反照率特性。雪粒径还是许多积雪模型和气候模型的重要输入因子。此外，雪的粒径大小和气孔分布对建立溶解物迁移和浓缩变化模型至关重要。因此，目前国内外也对雪粒径开展了广泛的研究。由于受地理环境和观测仪器的限制，雪粒径直接观测较为困难，因此，遥感技术是获取雪粒径参数的最佳方式。雪粒径反演的核心是建立雪粒径与光谱之间的关系，从世纪年代开始科学家已开始对其进行研究，最早利用模型和数据评估遥感反演雪粒径能力，认为遥感具有反演雪粒径的潜力；随后科学家也利用数据反演积雪粒径，但由于受传感器的
4、波段较少且对于积雪粒径并不是很敏感，因此反演精度并不高。随着高光谱影像的出现和辐射传输模型的改进，科学家利用高光谱影像和结合离散辐射传输模型（）反演雪粒径，取得较好效果。但无论是模型还是模型都将雪粒径等效为球体，利用散射理论计算其散射特性。事实上，雪颗粒呈现不规则性，这种模拟与实际积雪场存在差异。因此发展非球形雪粒径的辐射传输模型，进而发展非球形雪粒径的反演算法是当前积雪研究的热点。针对雪层弱吸收特性，发展了考虑积雪粒径形状的简化的渐进辐射传输模型（，）。实践证明基于非球形雪粒径的反演具有较高的精度，在喜马拉雅山附近利用实测光谱对该模型发展的反演算法进行比较，但其缺少雪粒径观测资料，并没有对模
5、型模拟不同粒径的效果进行评估。因此，本研究选择我国主要季节性积雪区北疆作为观测场，利用积雪分层特性设计观测方案观测不同粒径的积雪光谱特征，并记录雪粒径大小和形状，对适用模型模拟不同粒径、不同形状的积雪光谱特征进行准确性评估，最终该研究将为遥感反演雪粒径算法的发展提供更好的依据。 实验部分该试验是积雪遥感协同观测系列第一次试验（）中的一个观测内容，简称为。 观测仪器及研究区积雪光谱利用美国公司生产的便携式野外光谱仪测量，该光谱仪可测量光谱范围从，光谱分辨率可达。研究区位于富蕴县，地处北疆阿勒泰地区，观测点位置为，海拔。地处欧亚大陆腹地，远离海洋，纬度较高，属大陆性温带寒冷气候区，年降水量。选择的
6、测量日期为年月日，属于积雪积累期。 光谱采集方案在试验中为了获取不同粒径的积雪光谱特征，采用了分层观测方案。即根据积雪积累的自然分层分别测量积雪粒径，每层的雪粒径认为是一致的。这样的雪粒径光谱方案优点是在同一研究区观测不同粒径的，避免了在不同地区取样难以保证观测时间一致，因此便于和模型结果进行对比。另外选择自然分层积雪，受温度差异变化的影响，其粒径差异较大，适合研究分析不同粒径的光谱特性。图是研究区积雪剖面图和积雪分层示意图，根据积雪剖面以雪层积累特性将其自然分为五层，观测点积雪总厚度为，五层厚度分别为，和。犉犻犵 犜犺犲狊犽犲狋犮犺狅犳狊狀狅狑狆狉狅犳犻犾犲狅狀狊狋狌犱狔犪狉犲犪犉犻犵 犜犺
7、犲犻狀狊犻狋狌犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狅犳狊狆犲犮狋狉犪犾狉犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲图是观测点光谱特征实测照片，为了降低误差，提高观测精度，选择了三个观测点测量积雪光谱，采用多次测量取平均值方式获取光谱。每个观测点大小为，间隔为。观测时按照图所示的积雪分层通过人工铲雪的方式分别测量每层积雪的光谱特性，光谱采集时刻为年月日：，总共不超过，在此测量过程中，假定太阳天顶角和方位角是不变的。除光谱特征外，同时也测量了每层积雪的雪粒径、雪密度及液态水含量等其他相关积雪参数。 雪粒径观测及等效粒径计算雪粒径形状和大小的观测是一个难点，传统的方法是利用人工观测记录或
8、样品实验室立体分析，前者对于定量遥感验证来说精度偏低，后者虽然准确，但需要实验室条件，不适合野外快速获取。本研究发展了一种带刻度显微镜摄影测量方法，通过影像记录并分析雪粒径形状和大小。图是雪粒径测量仪器和实测照片，利用倍带刻度显微镜观测积雪粒径，并通过数码相机拍照，为降低观测误差，观测时采用多样本多次测量的方式。犉犻犵 犜犺犲犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狅犳狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲犫狔犪犺犪狀犱犾狅狌狆犲犉犻犵 犘犪狉狋狅犳狋犺犲狆犺狅狋狅犳狉狅犿犿犲犪狊狌狉犲犱狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲狊犪犿狆犾犲狅狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狀狅狑犾犪狔犲狉将获取的雪粒径照片利用图像处理软件进行分析，以获取雪粒径形
9、状，并结合影照片上刻度获取雪粒径大小。图展示了五层雪粒径的部分拍摄照片，可以看到，即便是在同一层中，雪粒径形状也各异，要准确获取雪粒径需要雪粒径立体照片，利用该方法仅仅获取了平面图，并不能获取立体照片。因此采用了发展的利用平面求等效粒径的方法，该方法利用平面照片将雪粒径等效为椭球体，最终计算积雪等效粒径。如图所示，方法假设雪粒径椭球体的高度等效为椭球体短轴的长度，因此根据椭球体体积计算式（）和表面积式（）获取其体积和表面积，该方法经在瑞典地区积雪观测验证，准确度较高。根据等效粒径的定义，等效粒径为与粒子体积和表面积比相同的球体的半第期光谱学与光谱分析径，因此根据式（）可计算等效粒径，公式如下犞
10、犪犫（）犛犫狆（犪狆犫狆）（）狆，狆（）犱犞犛（）式中犞是椭球体体积，犞是椭球体表面积，犪是长半轴，犫是短半轴，犱为等效粒径（直径）。每一层测量了个雪粒径样本，根据等效粒径计算方法求各个雪层的等效粒径，然后将平均值作为该层雪粒径。表显示了各个雪层的积雪特性及样本等效粒径和平均等效粒径，并统计了观测样本的标准差，可以看到每层积雪样本中样本存在较大差异，特别是对于雪粒径较大的时候，样本标准差接近。表可以看到随着雪层的逐渐下降，雪粒径也逐渐增大，雪密犉犻犵 犐狀犲狇狌犻犾犪狋犲狉犪犾犲犾犾犻狆狊狅犻犱犪狊狊狌犿狆狋犻狅狀狅犳狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犪犿狆犾犲狊犪，犫，度也存在一定程度变化，这是由于雪层温
11、度差及积雪压力引起的积雪粒径形变。犜犪犫犾犲 犜犺犲犲狇狌犻狏犪犾犲狀狋狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲狅犳犲狏犲狉狔狊狀狅狑犾犪狔犲狉雪层密度（）体积液态水含量（）样本等效粒径平均等效粒径标准差一二三四五 积雪粒径反演 渐进辐射传输模型（犃犚犜）在以往反演雪粒径中，用到较多的辐射传输模型是和模型，这两个模型都将积雪视平面平行的分层球形粒子，利用散射理论获取单个粒子光学特性，再利用辐射传输模型模拟积雪光谱特性。实践证明积雪光学特性不仅与粒径大小有关，而且与粒径形状也有关，因此基于非球形雪粒径的反演具有更高的精度。渐进辐射传输模型（）就是将雪粒子认为是不规则粒子，针对微弱吸收的雪层由和发展的简化辐射传
12、输模型，该模型采用了几何光学方程计算单个粒子的光学特性，并通过简化的渐进辐射传输理论来计算积雪的光学特性。其主要公式如下犚（，）犚（，）狉犳（，）狊（）式中，犚（，）是半无限空间的雪反射率，（），（），和分别是太阳天顶角，观测天顶角，相对方位角。狉狊根据如下的公式获取狉狊（狊槡）与狊犵槡（）其中狉狊是球形雪反照率，是单次散射反照率，犵是不对称因子，犳（，）按照如下公式计算犳（，）狌（）狌（）犚（，）（）函数狌（）在辐射传输模型中被称作逃逸函数，其决定了光线从半无限空间非吸收物质逃逸的角分布，渐进辐射传输模型按照如下经验公式进行求解狌（）（）（）式（）中，犚是假定单次反照率等于下的半无限雪层反射
13、率函数，在中它被近似地表达为犚（，）犃犅（）犆犘（）（）（）其中犃，犅，犆，犘（）（）（），同样被定义为：犪（狊狊），狊（），狊（）。以上即为理论公式，根据该方法和同时提出了单波段的雪粒径反演算法犱犪犫犳犚犚（）（）式中犱是积雪等效粒径，（）是积雪的吸收系数，（）积雪的复折射指数的虚部，为波长，同式（），犚同（）式，参数犫是依赖于雪粒径形状与不对称因子，称其为积雪形状因子，其取值范围大约在之间，对于非球形雪粒径犫最小值为，对于球形雪粒径犫为，是实测积雪光谱反射率。 积雪粒径反演方法和提出的单波段雪粒径反演算法，可以根据积雪光谱反演雪粒径，因此积雪光谱模拟的过程就是式（）的逆过程，所获取的积雪等
14、效粒径是半径（狉），可以根据以下公式模拟积雪光谱犚犚犫犳狉（）槡（）（）光谱学与光谱分析第卷模型的输入值包括观测点的太阳天顶角、方位角、传感器天顶角、方位角、积雪等效粒径和积雪复折射指数。根据观测点位置和观测时间可以获取观测点太阳天顶角为，方位角为，光谱仪探头为垂直面观测，天顶角和方位角都可以认为是，积雪复折射指数采用等的实测值，只有反演波段波长和积雪形状因子这两个参数需要进一步优化。图是研究区光谱测量结果，其中图（）（）是在三个观测点测量的光谱，图（）是三个点测量的光谱平均值，为了提高反演精度，选择用图（）所代表的平均实测光谱来进行不同雪粒径反演研究。从图也可以看到，在可见光波段雪粒径较大的
15、雪层反射率反而较高，这是由于是人工铲雪，破坏了雪层的表面，使得表面积雪更加平滑，因此这说明在可见光波段，雪层主要受表层影响，不能有效区分雪粒径。研究表明，积雪粒径的有效反演波段主要集中在近红外波段，从图上近红外波段之间可以看到雪粒径有一个较明显的分界，特别是在附近可以看到雪粒径具有较好的区分。为了获取研究区最佳反演波段和中应该使用的最佳积雪形状因子犫，根据雪粒径反演理论并结合实测积雪光谱我们选择了之间为有效反演波段，该波段范围一方面可以区分雪粒径，另一方面受积雪中灰尘影响较低，此外该波段区间积雪依然保持了较高的反射率。在之间进一步以为间隔分析了个波段的反演精度，同时，以为间隔对犫值取值范围在中
16、进行计算，然后将实测的雪粒径作为参考值，对所有组合进行优化并计算总体偏差，最终与实测雪粒径偏差最小的波段和积雪形状因子被作为雪粒径反演组合。通过计算发现波段为，犫值为时候精度最高。而当犫值选取时，相同波段雪粒径反演精度最低。因此可以认为将积雪颗粒等效为球体进行模拟时发展的雪粒径反演算法与实际情况存在差异，在辐射传输模型模拟中将积雪认为是非球体进行处理更符合实际情况。犉犻犵 犕犲犪狊狌狉犲犱狊狀狅狑狊狆犲犮狋狉犪犾犪狀犱犪狏犲狉犪犵犲狊狀狅狑狊狆犲犮狋狉犪犾狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲狅狀狋犺狉犲犲犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犳犻犲犾犱狊 结果分析图显示了优化方法反演的雪粒径和实测
17、的雪粒径的比较，可以看到，反演结果都存在一定偏低，从表层向下分别偏低，和，其中观测值和反演值相关系数为。但可以看到第一层反演结果较好，其他层偏低，特别是第三、四、五层，反演结果偏低较多。造成这样的结果有两个方面原因，首先是试验方案决定的，因为人工的铲雪虽然对雪层内部粒径没什么影响，但是破坏了雪表面的粒径，人工铲雪使表面更加光滑，表层雪粒径偏小，这样所测量的包含雪表层结构的光谱并没在实测粒径中反映，造成结果偏低；其次在人工观测雪粒径时，从表中可以看到，犉犻犵 犛犮犪狋狋犲狉狆犾狅狋狊犺狅狑犻狀犵狋犺犲犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀犿犲犪狊狌狉犲犱狊狀狅狑犵狉犪犻狀狊犻狕犲犳狉狅犿犇犛犘犘犿
18、犲狋犺狅犱犪狀犱犵狉犪犻狀狊犻狕犲犱犲狉犻狏犲犱犳狉狅犿犃犚犜犿犲狋犺狅犱第期光谱学与光谱分析由于同一雪层中积雪粒径样本标准差较大，特别是第三、四、五层，标准差分别为，和，因此反演精度不高，这说明所使用的观测方法在获取雪粒径时受样本选择影响较大，还需要进一步改进。从表层反演结果较好可以表明，选择的雪粒径假设方法是较为合理和快速的获取积雪粒径的方法，但是由于人工筛选造成样本差异较大，考虑通过广角镜头可以一张照片获取较多积雪样本的方式来解决。研究区积雪湿度最高值仅为，属于干雪，通过以上分析可以得到，在干雪条件下，基于理论发展的优化算法反演表层积雪粒径是可行的。 结论研究利用手持带刻度显微镜拍照的获
19、取积雪粒径，通过图像分析获取长短轴，并进一步利用方法获取等效积雪粒径，通过表层反演结果表明这种假设方法获取雪粒径是可行的，适合低温条件下野外雪粒径快速获取。但由于积雪粒径的复杂性，同一层积雪中样本选择存在较大偏差，特别是雪粒径较大时，偏差更大，雪粒径样本获取方面还需要进一步的改进。基于辐射传输理论的波段和积雪形状粒子优化方法反演积雪粒径是可行的，研究表明，近红外波段还是区分雪粒径的有效波段，在北疆研究区干雪的情况下，雪粒径反演的最佳波段是，使用球形粒子对积雪粒径模拟反演会造成雪粒径反演结果偏低，使用非球形粒子模拟取得较好地效果，当积雪形状因子犫值取最小值时精度最高。致谢：感谢试验的其他成员车涛
20、，梁继，李红星，戴礼云，毕健，林金堂，李晖在观测中的支持和帮助，感谢李哲英文校稿。犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊，：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（王雪梅，张春，柴仲平，等）（中国水土保持研究），：，：，犜犺犲犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犪狀犱犚犲狋狉犻犲狏犪犾狅犳狋犺犲犛狆犲犮狋狉犪犾犚犲犳犾犲犮狋犪狀犮犲狅犳犇犻犳犳犲狉犲狀狋犛狀狅狑犌狉犪犻狀犛犻狕犲狅狀犖狅狉狋犺犲狉狀犡犻狀犼犻犪狀犵，犆犺犻狀犪， ， ， ，犃犫狊狋狉犪犮狋 ，（）光谱学与光谱分析第卷“犫”，；，犫，犫犓犲狔狑狅狉犱狊 ；（，；，）欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告分析测试学报年征订启事国内统一刊号： 国际标
21、准刊号：国际：邮发代号：国外代号：广告经营许可证：分析测试学报是由中国广州分析测试中心、中国分析测试协会共同主办的全国性学术刊物，中文核心期刊。刊登质谱学、光谱学、色谱学、波谱学、电化学、电子显微学等方面的分析测试新理论、新方法、新技术的研究成果，介绍新仪器装置及在生物、医药、化学化工、商检、食品检验等方面实用性强的实验技术。适合科研院所、高等院校、检测机构、医药、卫生以及厂矿企业分析测试工作和管理人员阅读。经过多年的发展，本刊已成为国内知名的化学类核心期刊。年，影响因子在全国化学类刊物排名中列第名，被引频次每年递增约，稿源丰富，基金论文比超过。近几年，本刊刊发的论文被（美国化学文摘）收录率达
22、，年引文频次在千种表中国部分中列第名，并被国际上其他知名的数据库如日本科技文献速报、俄罗斯文摘、英国分析文摘（）、质谱公报等收录。在中文核心期刊要目总览年版的化学类期刊列第位；进入由全国种期刊遴选出的种科技期刊组成的“中国科技期刊精品数据库”；中国学术期刊综合评价数据库（）统计刊源；中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）；中国科学引文数据库来源期刊；中国期刊全文数据库（）收录期刊；中国核心期刊（遴选）数据库收录；中国学术期刊（光盘版）全文收录期刊；中国期刊网全文收录期刊；中国学术期刊文摘（中、英文版）收录为源期刊等。本刊为月刊，国内外公开发行。大开，单价：元册，全年元。请在全国各地邮局订阅。未在邮局订到者可直接向本编辑部补订。补订办法：请从邮局汇款至广州市先烈中路号分析测试学报编辑部，邮编：，写明订户单位、详细地址、收刊人姓名、邮编及补订份数（全年或某期）。电话：（）或，：（可在线投稿），：。第期光谱学与光谱分析
