融合遥感和地面观测资料的雪深空间插值方法研究

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冰冻圈是全球气候变化系统中的有机组成部分,积雪作为冰冻圈的重要组成部分之一,分布广阔。积雪表面具有高反照率、低导热率等特性,影响着地球表面能水循环过程,准确地监测积雪深度信息的时空分布及变化特征对全球气候变化研究、区域气候、水资源、水循环、陆地水文过程和冰雪灾害监测预报等均十分重要。本文对北疆区域积雪分布时空变化的影响因素进行分析的基础上,进一步通过融合地面观测资料、MODIS积雪面积产品和AMSR-E被动微波多源遥感信息,得到更加合理的雪深空间分布,提高雪深估算的精度。主要研究内容包括:  1.北疆区域积雪时空变化的影响因素分析。利用北疆2000-2007年观测的积雪资料,探讨年最大雪深、积雪期的长短、积雪开始时间等随海拔、经度、纬度、坡度、坡向、土地覆盖类型等不同影响因素的变化规律。  2.融合遥感和地面观测资料的雪深空间插值方法。首先,对MODIS积雪面积产品进行去云处理,进而利用无云MODIS积雪面积数据构建“虚拟站点”;其次,利用逐步回归法构建雪深与海拔、经度、纬度、坡度、坡向以及NDVI等变量的回归模型,获取北疆区域的模拟雪深;再次,对气象站点和虚拟站点观测雪深与对应的模拟雪深之间的残差进行克里金插值,获得区域上的雪深残差,对模拟雪深和插值雪深合成得到更加合理的雪深空间分布;最后,基于数据同化算法融合MODIS积雪面积产品、AMSR-E被动微波遥感反演雪深和回归克里金插值雪深多源数据估算雪深,以进一步提高雪深估算精度。  主要研究结果:  1.对北疆区域积雪时空变化的影响因素分析得出,随着海拔增加,积雪各变量变化明显,温度在海拔变化中起着关键作用;土地覆盖类型对积雪各变量有影响,但影响程度不明显;纬度变化及温度差异不大,对积雪各变量影响很小;经度对积雪各变量的影响是由空间差异造成的;坡度对积雪变量的影响主要通过空间分布及坡度产生的阴影造成,进而影响太阳直射;坡向对积雪各变量的影响主要由水汽的运动方向和太阳光照造成。通过Spearman相关系数分析得出,各变量对积雪的影响程度依次为:海拔>坡向>坡度>土地覆盖类型>纬度>经度。  2.基于“逐步回归法”构建的雪深回归模型得到的雪深空间分布更加合理,体现雪深随地形等信息的空间分布特性;采用去云后MODIS积雪面积产品构建的无积雪“虚拟站点”弥补了积雪观测站点稀少而且分布不均匀的问题,在一定程度上修正了克里金插值产生的平滑效应,降低了雪深被过于高估或低估的现象,提高了雪深估计精度而且雪深异常值减少;将回归克里金插值雪深与AMSR-E被动微波反演雪深对比分析得出,融入虚拟站点提高了雪深估算精度,而且获取的雪深与AMSR-E被动微波遥感反演雪深在空间分布上更加一致;基于数据同化算法融合多源数据获取的雪深值整体精度较高,该算法能够较好的估算雪深。
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