地球系统水循环两个问题研究——海面风遥感及降水的影响、多源卫星干旱遥感监测

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本论文分为两个部分,分别介绍海面风遥感及其与降水之间的关系和如何通过多种卫星遥感数据联合对干旱进行监测。  目前,海面风遥感技术仍然局限在非降水条件之下,尽管降水只是海面上的一个小概率事件,但是它的影响远远超过它的概率。以热带气旋为例,它是狂风伴随降水,如何在此种情况下进行海面风遥感仍然是一个极具挑战性的课题。  在海面风遥感部分,本文采取了层层深入的研究方法,首先从非降水条件入手,以微波散射计和微波辐射计为主,分别介绍了主动和被动微波遥感海面风的物理原理。在此基础之上,通过对多台微波散射计和微波辐射计提供的海面风遥感数据与浮标提供的海面风实测数据相对比,分析了海面风遥感的性能指标。  文章进一步讨论了降水对海面风遥感的影响问题。一方面从物理原理上介绍了降水对主动及被动微波遥感有哪些影响,另一方面将当前的降水条件下微波散射计和微波辐射计的海面风遥感数据与浮标的实测数据相对比,深入分析了降水对海面风的影响问题。结论表明,当前的降水条件下的海面风遥感数据的精度都不能满足应用的需求,还需要做更深入的改进。本文提出了引入降水雷达PR,利用PR可以同时测量降水和海面散射的特点来解决降水条件下海面风遥感的问题。  构建PR与海面风之间的关系成为将PR引入研究的第一个步骤,本文在微波散射计已有的地球物理模型的基础之上,使用PR的实测数据与海面风的实测数据对现有的模型进行修正,得到描述PR的后向散射系数与海面风之间关系的PR-WIND模型。在此基础上,讨论了PR在降水条件下遥感海面风的各个环节问题,提出了利用差分法从PR所观测到的最后1层回波信号信号中区分降水粒子和纯粹海面散射信号的方法。最后,提出引入PR-WIND模型如何区分海面散射中风致粗糙度和雨致粗糙度的方法。  文章还对降水条件下海面风遥感的问题提出了修订法和新思路两种可能的发展方向,并从物理原理的角度分析两种思路各自的优缺点和适用性。此外,还对常规的浮标用的风速风向传感器存在的问题进行了分析并提出了改进的方法。  在对干旱研究中,评估和预报是目的,而监测是手段,它在很大的程度上影响着评估和预报的效果。卫星遥感技术具有快速、大范围覆盖、资料获取便捷等优点,且经过多年的科学研究和技术进展,已经逐步发展为多种参数、定量化观测的技术,可以在很大程度上弥补常规观测的缺陷。  由于干旱是一个复杂的、受到多种因素影响而且自身具有多方面表象的自然现象,因此,需要使用尽可能多、尽可能全面的资料,才能更加全面的对干旱进行监测,也有助于更深入的分析研究。  为了实现上述目标,本文提出以多源遥感数据相结合的方式对干旱进行多角度的联合监测与分析。本文同时使用了降水、地表温度、陆地水储量、植被指数、积雪覆盖率、土壤含水量等多个遥感产品,分别以趋势分析为主研究了河北省面积最大的高原湖泊安固里淖及其周边地区的干旱化趋势,以距平法为主分析了云南2009年秋至2010年初夏期间发生的特大旱灾过程,分析过程中不仅就单一要素进行分析和讨论,并对各个参数之间的关联性进行了相应的讨论。通过对两个典型代表个例的研究,展示多源遥感数据联合监测干旱的可行性和优势。由于同时使用了多种参数,不仅可以就具体的每一个参数进行分析,从各个侧面来了解干旱的情况,而且还可以围绕水分收支这个核心,从干旱的成因和结果两个方面分析各个参数之间的关系。  本论文研究的两部分内容无疑是彼此独立的,但是换一个角度来看,这两部分内容又同为一个大的地球科学问题的分支,它们共同围绕的就是水的循环问题。在整个地球系统中,水分的循环占据着至关重要的位置,它的重要性是无论怎样强调都不为过的。水循环的重要性对于干旱而言是非常明确的,干旱本身就是水分的收支不平衡,收不抵支所造成的,研究干旱的本质就是研究水的问题,研究水从哪里来、到哪里去、以何种形式来、又以何种形式去,来了多少、去了多少等等。而地球系统中最大的水源无疑是海洋,研究水的问题最终也离不开对海洋的研究。海面以及海面上的空气绝非静止不动的,风浪过程使得海—气通量的计算十分复杂,并不是简单地通过太阳辐射去计算感热和潜热就可以获得的。海面风不仅可以使得更多的水分进入大气,同时,水分物质循环同时伴随的能量循环又是海面风的能量来源。而海面上的降水也是水循环的一个重要过程,来自海洋的水分并不会全部输送到陆地上,其中相当的一部分以海面上的降水的形式重新返回海洋,研究降水以及风浪过程的海洋和大气的水循环问题不仅具有科学性,也具有很强的实用性。研究对海面风的遥感,尤其是降水条件下对海面风的遥感技术,也可以在一定程度上有助于推进研究整个地球系统中水循环的问题。
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