Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 6. С. 57-72

Спектральные особенности микроволнового излучения крупнозернистого и слоистого снега, ограничивающие возможности современных алгоритмов восстановления толщины снежного покрова методом пассивного дистанционного зондирования из космоса

В.А. Голунов 1 
1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 03.12.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-57-72
Данная работа основана на экспериментальном исследовании зависимостей полных коэффициентов отражения и пропускания теплового излучения сухого снега на частотах 22,2 и 37,5 ГГц. Исследованы образцы снега с мелкой и крупной структурой. На основе экспериментальных данных рассмотрены возможности восстановления толщины снежного покрова методом пассивного дистанционного зондирования из космоса. Практически все современные алгоритмы основаны на линейной зависимости разности радиояркостных температур снежного покрова, измеренных на двух базовых частотах 18–19 и 35–37 ГГц, от толщины снега. Показано, что в однослойном покрове по мере возрастания размера частиц снега до 2 мм эта разность увеличивается нелинейно, но однозначно, при этом интервал значений толщины слоя, на котором её зависимость от толщины близка к линейной, сокращается до 0,2 м. При возрастании размера частиц свыше 2 мм эта разность уменьшается вплоть до смены знака. Разность радиояркостных температур слоистого снежного покрова зависит от его толщины неоднозначно, особенно при наличии слоя крупнозернистого снега. Задача восстановления толщины снежного покрова с неизвестной структурой по измеренным значениям разности радиояркостных температур на частотах 18–19 и 35–37 ГГц не имеет однозначного решения.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, микроволновое тепловое излучение, алгоритмы, толщина снежного покрова
Полный текст

Список литературы:

  1. Голунов В. А. Когерентное ослабление электромагнитных волн в слабо поглощающих плотных случайных дискретных (снегоподобных) средах // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. № 1. С. 31–37.
  2. Голунов В. А. Лабораторная методика экспериментального исследования закономерностей микроволнового теплового излучения сухого снежного покрова // Журн. радиоэлектроники. 2018. № 10. URL: http://jre.cplire.ru/jre/oct18/15/text.pdf.
  3. Голунов В. А. (2019а) Рассеяние микроволнового излучения в сухом слоистом снеге // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информац. технологии. 2019. Т. 11. № 1. С. 39–48.
  4. Голунов В. А. (2019б) Рассеяние теплового микроволнового излучения на неоднородностях плотности свежевыпавшего и мелкозернистого снега // Радиотехника и электроника. 2019. Вып. 64. № 10. С. 953–961.
  5. Голунов В. А., Хохлов Г. И. Показатель степени частотной зависимости интенсивности обратного рассеяния микроволнового излучения в сухом снеге и искусственных снегоподобных средах // Журн. радиоэлектроники. 2017. № 9. 16 с. URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep17/6/text.pdf.
  6. Голунов В. А., Коротков В. А., Сухонин Е. В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом // Итоги науки и техники. Сер. «Радиотехника». Т. 41. М.: ВИНИТИ, 1990. С. 68–136.
  7. Голунов В. А., Кузьмин А. В., Скулачев Д. П., Хохлов Г. И. Результаты экспериментального исследования частотной зависимости ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом снежном покрове // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 9. С. 857–865.
  8. Голунов В. А., Маречек С. В., Хохлов Г. И. Особенности рассеяния микроволнового излучения в сухом пушистом снеге // Журн. радиоэлектроники. 2018. № 6. 16 с. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun18/2/text.pdf.
  9. Китаев Л. М. Анализ характера снегозапасов с использованием спутниковой информации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 4. С. 118–124.
  10. Amlien J. Remote sensing of snow with passive microwave radiometers — A review of current algorithms. Report No. 1019. Norsk Regnesentral, Norwegian Computing Center, 2008. 52 p.
  11. Armstrong R. L., Brodzik M. J. Hemispheric-scale comparison and evaluation of passive-microwave snow algorithms // Annals of Glaciology. 2002. V. 34. P. 38–44.
  12. Armstrong R. L., Chang A., Rango A., Josberger E. Snow depths and grain-size relationships with relevance for passive microwave studies // Annals of Glaciology. 1993. V. 17. P. 171–176.
  13. Azar A. E., Ghedira H., Romanov P., Mahani S., Khanbilvardi R. Time series analysis and algorithm development for estimating SWE in Great Lakes Area using microwave data // Proc. 63rd Eastern Snow Conf. Newark, Delaware, USA, 2006. P. 105–120.
  14. Barnett T. P., Adam J. C., Lettenmaier D. P. Potential impacts of a warming climate on water availability in snow-dominated regions // Nature. 2005. V. 438. P. 303–309.
  15. Boyarskii D. A., Tikhonov V. V. The influence of stratigraphy on microwave radiation from natural snow cover // J. Electromagnetic Waves and Applications. 2000. V. 14. No. 9. P. 1265–1285.
  16. Chang A. C. T., Foster J. L., Hall D. K. Nimbus 7 SMMR derived global snow cover parameters // Annals of Glaciology. 1987. V. 8. P. 39–44.
  17. Chen C., Nijssen B., Guo J., Tsang L., Wood A. W., Hwang J., Lettenmaier D. P. Passive microwave remote sensing of snow constrained by hydrological simulations // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. P. 1744–1756.
  18. Cohen J., Entekhabi D. Eurasian snow cover variability and Northern Hemisphere climate predictability // Geophysical Research Letters. 1999. V. 26. Iss. 3. P. 345–348.
  19. Cohen J., Rind D. The effect of snow cover on the climate // J. Climate. 1991. V. 4. Iss. 7. P. 689–706.
  20. Davenport I. J., Sandells M. J., Gurney R. J. The effects of variation in snow properties on passive microwave snow mass estimation // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 118. P. 168–175.
  21. Deems J. S., Painter T. H., Finnegand D. C. Lidar measurement of snow depth: a review // J. Glaciology. 2013. V. 59. No. 215. P. 467–479.
  22. Derksen C., Walker A., Goodison B. A comparison of 18 winter seasons of in situ and passive microwave derived snow water equivalent estimates in Western Canada // Remote Sensing of Environment. 2003. V. 88. P. 271–282.
  23. Derksen C., Lemmetyinen J., Toose P., Silis A., Pulliainen J., Sturm M. Physical properties of Arctic versus subarctic snow: Implications for high latitude passive microwave snow water equivalent retrievals // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2014. V. 119. P. 7254–7270.
  24. Dietz A., Kuenzer C., Gessner U., Dech S. Remote sensing of snow — a review of available methods // Intern. J. Remote Sensing. 2012. V. 33. Iss. 13. P. 4094–4134.
  25. Dong J., Walker J. P., Houser P. R. Factors affecting remotely sensed snow water equivalent uncertainty // Remote Sensing of Environment. 2005. V. 97. No. 1. P. 68–82.
  26. Durand M., Liu D. The need for prior information in characterizing snow water equivalent from microwave brightness temperatures // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 126. P. 248–257.
  27. Durand M., Kim E. J., Margulis S. A., Molotch N. P. A first-order characterization of errors from neglecting stratigraphy in forward and inverse passive microwave modeling of snow // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2011. V. 8. No. 4. P. 730–734.
  28. Fuller M. C., Derksen C., Yackel J. Plot scale passive microwave measurements and modeling of layered snow using the multi-layered HUT model // Canadian J. Remote Sensing. 2015. V. 41. P. 219–231.
  29. Golunov V. A. The millimeter wave response to volume density and grain size of dry homogeneous snow. An algorithm for retrieval of snow depth from radiometer data at the frequencies 22 and 37 GHz // Proc. MICRORAD’08. Florence, 2008. P. 216–219.
  30. Hall D. K., Foster J. L., Salomonson V. V., Klein A. G., Chien J. Y. L. Development of a technique to assess snow-cover mapping errors from space // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. P. 432–438.
  31. Hall D. K., Kelly R. E. J., Riggs G. A., Chang A. T. C., Foster J. L. Assessment of the relative accuracy of hemispheric-scale snow-cover maps // Annals of Glaciology. 2002. V. 34. P. 24–30.
  32. Josberger E. G., Mognard N. M. A passive microwave snow depth algorithm with a proxy for snow metamorphism // Hydrological Processes. 2002. V. 16. No. 8. P. 1557–1568.
  33. Kelly R. The AMSR-E snow depth algorithm: description and initial results // J. Remote Sensing Society of Japan. 2009. V. 29. No. 1. P. 307–317.
  34. Kelly R., Chang A. Development of a passive microwave global snow depth retrieval algorithm for Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) and Advance Microwave Scanning Radiometer‐EOS (AMSR‐E) data // Radio Science. 2003. V. 38. No. 4. P. 8076–8088.
  35. Kelly R. E., Chang A. T. C., Tsang L., Foster J. L. A prototype AMSR-E global snow area and snow depth algorithm // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2003. V. 41. No. 2. P. 230–242.
  36. Kubelka P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials. Part I // J. Optical Society of America. 1948. V. 38. No. 5. P. 448–457.
  37. Künzi F., Patil S., Rott H. Snow-cover parameters retrieved from Nimbus-7 scanning multi-channel microwave radiometer (SMMR) data // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1982. V. GE-20. P. 452–467.
  38. Lakhankar T., Azar A. E., Shahroudi N., Powell A., Khanbilvardi R. Analysis of the effects of snowpack properties on satellite microwave brightness temperature and emissivity data // J. Remote Sensing and GIS. 2012. V. 1. No. 1. Art. No. 1000101. 6 p. DOI: 10.4172/ 2169-0049.1000101.
  39. Lemmetyinen J., Derksen C., Toose P., Prokschc M., Pulliainen J., Kontu A., Rautiainen K., Seppänen J., Hallikainen M. Simulating seasonally and spatially varying snow cover brightness temperature using HUT snow emission model and retrieval of a microwave effective grain size // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 156. P. 71–95.
  40. Liang D., Xu X., Tsang L., Andreadis K., Josberger E. G. The effects of layers in dry snow on its passive microwave emissions using dense media radiative transfer theory based on the quasicrystalline approximation (QCA/DMRT) // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2008. V. 46. No. 11. P. 3663–3671.
  41. Luojus K., Pulliainen J., Takala M., Derksen C., Rott H., Nagler T., Solberg R., Wiesmann A., Metsämäki S., Malnes E., Bojkov B. Investigating the feasibility of the GlobSnow snow water equivalent data for climate research purposes // Proc. IGARSS’10. Honolulu, 2010. P. 4851–4853.
  42. Matzler C. Passive microwave signatures of landscapes in winter // Meteorology and Atmospheric Physics. 1994. V. 54. P. 241–260.
  43. Matzler C. Improved Born approximation for scattering of radiation in a granular medium // J. Applied Physics. 1998. V. 83. P. 6111–6117.
  44. Montpetit B., Royer A., Roy A., Langlois A., Derksen C. Snow microwave emission modeling of ice lenses within a snowpack using the microwave emission model for layered snowpacks // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2013. V. 51. No. 9. P. 4705–4717.
  45. Nolin A. W. Recent advances in remote sensing of seasonal snow // J. Glaciology. 2010. V. 56. No. 200. P. 1141–1150.
  46. Picard G., Brucker L., Roy A., Dupont F., Fily M., Royer A., Harlow C. Simulation of the microwave emission of multi-layered snowpacks using the Dense Media Radiative transfer theory: the DMRT-ML model // Geoscientific Model Development. 2013. V. 6. P. 1061–1078.
  47. Pulliainen J. Mapping of snow water equivalent and snow depth in boreal and sub-arctic zones by assimilating space-borne microwave radiometer data and ground-based observations // Remote Sensing of Environment. 2006. V. 101. P. 257–269.
  48. Pulliainen J. T., Grandell J., Hallikainen M. T. HUT snow emission model and its applicability to snow water equivalent retrieval // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37(3). P. 1378–1390.
  49. Rees A., Lemmetyinen J., Derksen C., Pulliainen J., English M. Observed and modelled effects of ice lens formation on passive microwave brightness temperatures over snow covered tundra // Remote Sensing of Environment. 2010. V. 114. P. 116–126.
  50. Rosenfeld S., Grody N. Anomalous microwave spectra of snow cover observed from Special Sensor Microwave/Imager measurements // J. Geophysical Research: Atmosphere. 2000. V. 105. P. 14913–14926.
  51. Saberi N., Kelly R., Flemming M., Li Q. Review of snow water equivalent retrieval methods using spaceborne passive microwave radiometry // Intern. J. Remote Sensing. 2020. V. 41. No. 3. P. 996–1018.
  52. Singh P. R., Gan T. Y. Retrieval of snow water equivalent using passive microwave brightness temperature data // Remote Sensing of Environment. 2000. V. 74. No. 2. P. 275–286.
  53. Stogryn A. A study of the microwave brightness temperature of snow from the point of view of strong fluctuation theory // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1986. V. 24. P. 220–231.
  54. Sturm M., Holmgren J., Liston G. A seasonal snow cover classification system for local to global applications // J. Climate. 1995. V. 8. P. 1261–1283.
  55. Sturm M., Taras B., Liston G. E., Dercsen C., Jonas T., Lea J. Estimating snow water equivalent using snow depth data and climate classes // J. Hydrometeorology. 2010. V. 11. No. 6. P. 1380–1394.
  56. Takala M., Luojus K., Pulliainen J., Dercsen C., Lemmetyinen J., Kärnä J.-P., Koskinen J., Bojkov B. Estimating northern hemisphere snow water equivalent for climate research through assimilation of space-borne radiometer data and ground-based measurements // Remote Sensing of Environment. 2011. V. 115. P. 3517–3521.
  57. Tedesco M., Jeyaratnam J. A new operational snow retrieval algorithm applied to historical AMSR-E brightness temperatures // Remote Sensing. 2016. V. 8. P. 1037–1061.
  58. Tedesco M., Pulliainen J., Takala M., Hallikainen M., Pampaloni P. Artificial neural network-based techniques for the retrieval of SWE and snow depth from SSM/I data // Remote Sensing of Environment. 2004. V. 90. P. 76–85.
  59. Tsang L., Chen C. T., Chang A. T.C., Guo J., Ding K. H. Dense media radiative transfer theory based on quasicrystalline approximation with application to passive microwave remote sensing of snow // Radio Science. 2000. V. 35. No. 3. P. 731–749.
  60. Wang J. R., Tedesco M. Identification of atmospheric influences on the estimation of snow water equivalent from AMSR-E measurements // Remote Sensing of Environment. 2007. V. 111. P. 398–408.
  61. Wiesmann A., Matzler C. Microwave emission model of layered snowpacks // Remote Sensing of Environment. 1999. V. 70. P. 307–316.
  62. Wiesmann A., Matzler C., Weise T. Radiometric and structural measurements of snow samples // Radio Science. 1998. V. 33. P. 273–289.
  63. Zurk L., Tsang L., Shi J., Davis R. Electromagnetic scattering calculated from pair distribution function retrieved from planar snow sections // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1997. V. 35. P. 1419–1428.