蔣雨芹， 文 軍， 呂少寧， 王作亮， 劉聞慧， 武月月， 鄧 浩

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610225； 2.復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海 200438； 3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院寒旱區(qū)陸面過(guò)程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

土壤凍融過(guò)程影響的地區(qū)占地球陸地總面積的一半以上，包括多年凍土和季節(jié)凍土，其中季節(jié)性土壤凍融轉(zhuǎn)換發(fā)生在大約51.0% 的陸地上，而多年凍土區(qū)約占北半球裸露土地面積的23.9%［1］。在北半球，每年大約有5.0×107km2的范圍會(huì)經(jīng)歷凍融轉(zhuǎn)換過(guò)程［2］。由于青藏高原的特殊地理位置，高原上廣泛分布著多年凍土和季節(jié)凍土，土壤凍融過(guò)程（freeze/thaw process，F(xiàn)/T）可以通過(guò)改變土壤表層及其覆蓋層與大氣間能量與水分交換，進(jìn)而影響近地面能量平衡，在區(qū)域氣候變化中起著非常重要的作用。此外，冰和液態(tài)水在凍土中的共存又極大地改變了土壤的水力和熱力性質(zhì)，從而影響了土壤介質(zhì)中的水熱分布，對(duì)水文過(guò)程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響［3］。因此，開(kāi)展青藏高原水文和氣候研究就必須掌握較為準(zhǔn)確的土壤凍融過(guò)程信息。

在過(guò)去的研究中，季節(jié)性土壤凍融過(guò)程主要為分析研究地面單個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［4］，或進(jìn)行有限區(qū)域尺度的數(shù)值模式模擬［5］。由于凍土的分布范圍在大尺度上主要受到緯度地帶性和垂直地帶性的雙重控制，但是在中小尺度上又會(huì)受到許多局地因素的影響（如坡向、坡度、積雪、植被覆蓋、土壤含水量和地質(zhì)構(gòu)造等），導(dǎo)致其空間異質(zhì)性較強(qiáng)［6］。相對(duì)于傳統(tǒng)的地面站點(diǎn)觀測(cè)研究，衛(wèi)星微波遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，星載微波輻射計(jì)可以提供長(zhǎng)時(shí)間序列、覆蓋全球的絕大部分地區(qū)、1～2 日重訪周期和多通道的雙極化亮溫觀測(cè)等監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。L 波段微波可以穿透覆蓋度較小的植被和較薄的積雪，獲取植被或積雪覆蓋下的土壤物理信息［7］。不僅如此，由于液態(tài)水和冰的相對(duì)介電常數(shù)差異在L 波段較為顯著，最大可達(dá)80，因此L 波段微波輻射可以監(jiān)測(cè)地表凍融過(guò)程［8］。L 波段地基微波輻射計(jì)ELBARA-III 儀器的中心波長(zhǎng)約為21 cm，具有較強(qiáng)的穿透能力，可以提供一定深度的土壤信息［9］。在微波輻射傳輸過(guò)程中，地表植被的體散射效應(yīng)很弱，影響較?。?0］。由于有上述優(yōu)勢(shì)，L 波段主動(dòng)和被動(dòng)微波遙感可以監(jiān)測(cè)積雪融化和土壤凍融過(guò)程［11-12］。近年來(lái)也出現(xiàn)大量的研究使用水瓶座衛(wèi)星（Aquarius）與土壤濕度和海洋鹽分衛(wèi)星（Soil Moisture and Ocean Salinity mission，SMOS）來(lái)監(jiān)測(cè)土壤凍融過(guò)程［13-15］，并利用Mo等［16］提出的輻射τ-ω零階輻射傳輸模型，可以將觀測(cè)的亮溫動(dòng)態(tài)與土壤凍融轉(zhuǎn)換聯(lián)系起來(lái)。這也證明了L波段被動(dòng)微波測(cè)量在監(jiān)測(cè)土壤凍融狀態(tài)中的可行性和優(yōu)越性［14］。

如上所述，由于土壤凍融過(guò)程的空間差異較大，并且目前星載微波輻射計(jì)的空間分辨率較低（通常為數(shù)十千米），遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足土壤凍融狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，而地表溫度對(duì)主動(dòng)微波的后向散射系數(shù)影響較小。因此，可以將主動(dòng)微波遙感和被動(dòng)微波遙感相結(jié)合來(lái)監(jiān)測(cè)地表凍融，開(kāi)展地基微波遙感監(jiān)測(cè)土壤凍融過(guò)程研究較為重要。同時(shí)，土壤凍融過(guò)程微波輻射地面觀測(cè)試驗(yàn)也可以為從空間探測(cè)土壤的凍融狀態(tài)提供理論和依據(jù)。土壤凍結(jié)后，微波輻射計(jì)觀測(cè)的亮溫梯度會(huì)降低，并且含水量越大，降低得越明顯，水平極化的亮溫梯度總是大于垂直極化的亮溫梯度，并發(fā)現(xiàn)不同極化方式的亮溫與凍土中液態(tài)土壤水的相變過(guò)程密切相關(guān)［17］。Schwank等［18］也通過(guò)對(duì)L 波段微波輻射法監(jiān)測(cè)土壤F/T 狀態(tài)的試驗(yàn)研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)土壤的凍融過(guò)渡對(duì)土壤的L 波段特征有明顯的影響，當(dāng)土壤表層發(fā)生凍結(jié)時(shí)，L波段的亮溫升高。

青藏高原是全球土壤凍融過(guò)程的主要發(fā)生區(qū)域之一。然而，目前對(duì)青藏高原土壤凍融過(guò)程的主要研究還停留在地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析上，現(xiàn)有衛(wèi)星遙感土壤凍融數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度也有待提高，鮮有對(duì)地基微波輻射觀測(cè)試驗(yàn)的研究。為了更好地檢驗(yàn)衛(wèi)星遙感土壤凍融過(guò)程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，發(fā)展衛(wèi)星遙感土壤凍融過(guò)程算法模型，非常有必要開(kāi)展地基微波遙感土壤凍融過(guò)程的研究。本文正是基于以上需求，利用在甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣境內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高寒生態(tài)站陸面與遙感試驗(yàn)平臺(tái)［19］，通過(guò)分析L 波段地基微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展監(jiān)測(cè)土壤凍融過(guò)程的研究，分析L波段微波對(duì)土壤季節(jié)性?xún)鋈谥芷诘拿舾行裕瑸橥晟菩l(wèi)星遙感土壤凍融過(guò)程提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文研究區(qū)域位于青藏高原東北部的黃河源區(qū)，甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高寒生態(tài)站陸面與遙感試驗(yàn)平臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)（33°55′N(xiāo)、102°09′E，以下簡(jiǎn)稱(chēng)瑪曲觀測(cè)場(chǎng)）?，斍^測(cè)場(chǎng)的下墊面類(lèi)型以高寒草原、高寒草甸為主，整個(gè)生長(zhǎng)季植被的高度介于5～15 cm，每年6—7月，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的植被高度通過(guò)人工控制，土壤以砂質(zhì)壤土為主，粉砂壤土比例較大。瑪曲觀測(cè)場(chǎng)海拔為3 432 m，其所屬地區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母咴箨懶愿吆疂駶?rùn)型，受青藏高原和東亞季風(fēng)性大陸氣候的影響，冬季寒冷干燥，夏季多雨，多年平均氣溫僅2 ℃，多年平均地表氣壓在640 hPa 左右，多年平均降水為505 mm［20］。

本研究所使用的地基微波輻射計(jì)（ELBARAIII）由瑞士GAMMA 遙感公司設(shè)計(jì)，雙極化（p=H 時(shí)水平極化，p=V 時(shí)垂直極化）仰角掃描L 波段（1.4 GHz）Dicke 類(lèi)型天線長(zhǎng)度為2.7 m，直徑1.4 m 波束寬度為12°，信號(hào)強(qiáng)度為-3 dB 的輻射計(jì)［21］。微波輻射計(jì)（ELBARA III）被安裝在陸面與遙感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)處一個(gè)5 m 高的塔式觀測(cè)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)天線（大致在天線波束的相同位置）距離地面6.5 m。觀測(cè)場(chǎng)地理位置和儀器設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 微波遙感土壤凍融過(guò)程觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地理位置（a）和ELBARA-III輻射計(jì)（b）Fig.1 Geographical location of the experiment site for the observation of the soil freeze/thaw process by microwave remote sensing（a）and the ELBARA-III radiometer（b）

在標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)模式下，ELBARA-III 以30 min 的時(shí)間間隔和5°角度步長(zhǎng)開(kāi)展從40°～70°觀測(cè)角的地面掃描觀察。儀器每日測(cè)量數(shù)據(jù)包括：仰角掃描序列觀測(cè)數(shù)據(jù)、固定仰角觀測(cè)數(shù)據(jù)、天頂（天空）觀測(cè)數(shù)據(jù)。每天23：55 進(jìn)行天空測(cè)量，開(kāi)展一次天空背景輻射觀測(cè)，觀測(cè)角度為155°，用以標(biāo)定儀器自身的冷源。儀器設(shè)備主要屬性列于表1。為觀測(cè)信號(hào)不被其他輻射源干擾和減少觀測(cè)誤差，ELBARA-III使用了兩個(gè)同步信道（1.400～1.418 GHz，1.409～1.427 GHz）來(lái)增強(qiáng)頻帶內(nèi)的噪聲信號(hào)識(shí)別，減輕和檢測(cè)潛在的無(wú)線頻率干擾RFI（radio frequency interference，F(xiàn)RI）。ELBARA-III 的亮溫觀測(cè)的絕對(duì)精度優(yōu)于1 K，可記錄敏感響應(yīng)大于0.1 K 的微波亮溫變化［22］。

表1 本研究所用微波輻射計(jì)（ELBARA-III）的主要屬性Table 1 Main attributes of the microwave radiometer（ELBARA-III）used in the study

本文還用到其他地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院瑪曲土壤溫濕度觀測(cè)網(wǎng)和中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高寒生態(tài)站陸面與遙感試驗(yàn)平臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)。土壤溫濕度觀測(cè)網(wǎng)總共有20 個(gè)站點(diǎn)，分布于平緩山坡和平坦地表，每個(gè)站點(diǎn)埋設(shè)由美國(guó)Decagon 設(shè)備公司生產(chǎn)的ECH20/EC-TM 土壤濕度感應(yīng)探頭和ECH-EM50 數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄盒［23］。本文選取觀測(cè)網(wǎng)中NST-14 點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括2.5 cm 和5.0 cm 深度的土壤溫度/土壤濕度，采樣頻率為15 分鐘，由于設(shè)備故障，2018 年7 月部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。近地面氣溫采樣頻率為30 分鐘。為減少誤差，對(duì)于數(shù)據(jù)缺測(cè)值，本文選用平均日變化法處理，即某一時(shí)刻的缺失數(shù)據(jù)用相鄰數(shù)日同一時(shí)刻沒(méi)有缺失的數(shù)據(jù)的平均值代替［24］。

2 土壤凍融過(guò)程的監(jiān)測(cè)方法

2.1 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)凍融過(guò)程

在一個(gè)土壤凍融過(guò)程循環(huán)年內(nèi)，土壤凍融過(guò)程分為四個(gè)階段：完全融化階段（thawed period，TP）、開(kāi)始凍結(jié)至完全凍結(jié)階段（freezing-to-frozen period，F(xiàn)FP），完全凍結(jié)階段（frozen period，F(xiàn)P）和開(kāi)始融化至完全融化階段（thawing-to-thawed period，TTP）［25］。根據(jù)土壤的日最高溫度、日最低溫度和日平均溫度分別定義凍融過(guò)程的四個(gè)階段，當(dāng)土壤日最高溫度低于0 ℃時(shí)，土壤處于完全凍結(jié)階段；當(dāng)土壤日最低溫度高于0 ℃時(shí)，土壤處于完全融化階段；當(dāng)土壤日平均溫度高于0 ℃，并且日最低溫度低于0 ℃時(shí)，土壤處于開(kāi)始凍結(jié)至完全凍結(jié)階段；當(dāng)土壤日平均溫度低于0 ℃，并且日最高溫度高于0 ℃時(shí)，土壤處于開(kāi)始融化至完全融化階段［26-27］。

根據(jù)以上定義，可用2017 年7 月至2018 年6 月的瑪曲觀測(cè)場(chǎng)的淺層土壤溫度（圖2）劃分得到土壤凍融的各階段的起止時(shí)間和持續(xù)日數(shù)。由表2 可知，在本研究時(shí)段內(nèi)，瑪曲觀測(cè)場(chǎng)淺層土壤完全融化階段從4 月初開(kāi)始，持續(xù)至11 月下旬開(kāi)始進(jìn)入下一階段。而完全凍結(jié)階段則是從12月中旬開(kāi)始，結(jié)束時(shí)間約為第二年的2月中旬。這兩個(gè)階段持續(xù)時(shí)間共300 天左右，故瑪曲觀測(cè)場(chǎng)淺層土壤一年內(nèi)大部分時(shí)間處于完全凍結(jié)或者完全融化狀態(tài)。從完土壤全凍結(jié)到完全融化的過(guò)渡階段時(shí)間約為40天，從土壤完全融化到完全凍結(jié)的過(guò)渡階段時(shí)間平均為20天左右。

圖2 瑪曲觀測(cè)場(chǎng)2017—2018年淺層土壤溫度時(shí)序圖Fig.2 Time series of the shallow soil temperature from 2017 to 2018 at Maqu Observatory

表2 瑪曲觀測(cè)場(chǎng)2017—2018年土壤各凍融過(guò)程階段的起止日期和持續(xù)日數(shù)Table 2 Start and end time and number of days of each freeze/thaw process stage of the soil at the Maqu Observatory during 2017—2018

由于不同地區(qū)的土壤凍融過(guò)渡期不同，本文根據(jù)研究區(qū)域一個(gè)完整凍融年的四個(gè)凍融階段的具體時(shí)間，劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11 月）、冬季（12 月至次年2 月）。由圖3 可知，春季和秋季期間（土壤多處于開(kāi)始凍結(jié)至完全凍結(jié)階段和開(kāi)始融化至完全融化階段）此期間40°、50°、60°入射角下，垂直極化和水平極化的亮溫均值較夏季和冬季期間（土壤多處于完全凍結(jié)階段和完全融化階段）低。其中春季和夏季期間差距最大，不同入射角下，水平極化亮溫平均相差60.4 K，垂直極化亮溫平均相差32.0 K。春季和秋季期間亮溫標(biāo)準(zhǔn)差比夏季和冬季大，表明亮溫在發(fā)生土壤凍融轉(zhuǎn)換時(shí)有明顯響應(yīng)。冬季期間，土壤多處于完全凍結(jié)階段，垂直極化亮溫波動(dòng)較小，60°入射角下，標(biāo)準(zhǔn)差最低僅為2.5 K。垂直極化和水平極化亮溫的平均值在春季和秋季期間較低，夏季和冬季期間較高，分別為150.4 K 和216.3 K，180.3 K 和226.2 K；標(biāo)準(zhǔn)差在春季和秋季期間較大，夏季和冬季期間較小，分別為25.0 K和14.1 K，32.4 K和13.0 K。

圖3 入射角分別為40°、50°和60°下，ELBARA-III輻射計(jì)觀測(cè)垂直和水平極化亮溫在不同季節(jié)中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.3 Average and standard deviation of the vertical and horizontal polarization brightness temperature observed by ELBARA-III radiometer in different seasons under the incident angles of 40°，50° and 60°

2.2 微波輻射計(jì)遙感監(jiān)測(cè)凍融過(guò)程

本文重點(diǎn)研究基于地基L波段微波輻射表面凍融算法的評(píng)估。利用ELBARA III 得到的亮溫?cái)?shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，采用Schwank 等［18］提出凍結(jié)因子（frost factor，F(xiàn)F）表征土壤凍融狀態(tài)與過(guò)程，再用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估L波段微波輻射計(jì)估算土壤凍融狀態(tài)與過(guò)程關(guān)鍵參量及其季節(jié)變化。根據(jù)已有研究，本研究評(píng)估了四種不同的凍結(jié)因子。四種凍結(jié)因子主要與輻射極化比（比值或者差值）有關(guān)，分別為

式中：FFNPR為歸一化極化比值凍結(jié)因子（frost factor of normalized polarization ratio）；FFPD為極化差值凍結(jié)因子（frost factor of polarization difference）；FFCHPD和FFCVPD分別為組合水平極化差值凍結(jié)因子（frost factor of combined horizontal polarization difference）和組合垂直極化差值凍結(jié)因子（frost factor of combined vertical polarization difference）。實(shí)際計(jì)算中采用Schwank 等［18］提出的相對(duì)凍結(jié)因子（relative frost factor，RFF）判別土壤的凍融過(guò)程與狀態(tài)。RFF表達(dá)式為

式中：X為相對(duì)凍結(jié)因子類(lèi)型；FFX（t）為由地基L 波段微波輻射計(jì)每日觀測(cè)地表亮溫獲得的凍結(jié)因子；FFX（fr）和FFX（th）分別為土壤凍結(jié)和融化狀態(tài)下凍結(jié)因子的數(shù)值。在此之上，提出一種判定閾值方法來(lái)區(qū)分凍結(jié)和融化狀態(tài)［28］。判定閾值方法為

再通過(guò)閾值（Δ2）判定當(dāng)天相對(duì)凍結(jié)因子的標(biāo)準(zhǔn)差的大小，進(jìn)一步區(qū)分開(kāi)始凍結(jié)至完全凍結(jié)階段（FFP）和開(kāi)始融化至完全融化階段（TTP）。判定閾值方法為

RFF 由不同凍結(jié)因子歸一化處理后得到，故其對(duì)應(yīng)閾值（Δ1）應(yīng)在0～1 之間變化，可通過(guò)迭代算法找出不同凍結(jié)因子與參考數(shù)據(jù)集匹配準(zhǔn)確度最優(yōu)的閾值Δ1，閾值Δ2范圍與計(jì)算所得的相對(duì)凍結(jié)因子的標(biāo)準(zhǔn)差范圍相同，處于0～1之間。

本研究將評(píng)估利用亮溫觀測(cè)值獲取FFX（fr）和FFX（th）方法。第一種方法是“30-Average”法，即FFX（fr）和FFX（th）是分別為從2017 年7 月到2018 年6 月中30 個(gè)FFX（t）的最大值和最小值的平均值（表3）。第二種方法是“5-Max/Min”法，即FFX（fr）和FFX（th）是分別從2017年7月至2018年6月的所有可用TBP數(shù)據(jù)中選取5 個(gè)最大值的平均值作為FFX（fr），從2017年7月至2018年6月的所有可用TBP數(shù)據(jù)中選取最小的5個(gè)值的平均值作為FFX（th）。

表3 “30-Average”和“5-Max/Min”方法在不同入射角下的凍融參考值Table 3 Freeze-thaw reference values of“30-Average”and“5-Max/Min”methods under different incident angles

由于微波輻射計(jì)有多個(gè)觀測(cè)入射角度，由此可以產(chǎn)生出多種凍結(jié)因子組合類(lèi)型（4個(gè)FFX×2個(gè)參考狀態(tài)（fr 和th）×3 個(gè)觀測(cè)入射角度）。為了比較實(shí)測(cè)淺層土壤溫度和近地面氣溫與相對(duì)凍結(jié)因子在反饋土壤凍融狀態(tài)的一致性，將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為土壤凍融信息：當(dāng)天日平均溫度大于0 ℃，則土壤視為融化狀態(tài)；當(dāng)天日平均溫度小于0 ℃，則土壤視為凍結(jié)狀態(tài)。然后，將相對(duì)凍結(jié)因子與參考數(shù)據(jù)集（T2.5cmsoil、T5.0cmsoil和Tair）獲得的土壤凍融狀態(tài)信息進(jìn)行對(duì)比，用相匹配的凍結(jié)和融化天數(shù)除以總時(shí)間（剔除數(shù)據(jù)缺測(cè)天數(shù)），便可得出微波輻射計(jì)估算土壤凍融過(guò)程準(zhǔn)確度。具體表達(dá)式為

式中：Accuracy 為算法估算土壤凍融狀態(tài)與過(guò)程的準(zhǔn)確度；Daycorrect為參考數(shù)據(jù)集和相對(duì)因子正確匹配天數(shù)；Dayall為總天數(shù)。研究表明，入射角為50°時(shí)，TBP對(duì)土壤凍融過(guò)程比其他入射角度更敏感［29］，而SMAP（Soil Moisture and Active Passive）衛(wèi)星的觀測(cè)入射角為40°，為了增加可靠性，再選取入射角為60°的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)照參考。本研究選取入射角為40°、50°和60°的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所以，本研究總共有24 種不同類(lèi)型的凍結(jié)因子組合類(lèi)型表征土壤的凍融過(guò)程。

3 結(jié)果與分析

3.1 F/T算法評(píng)估

由圖4 可知，在對(duì)選用“30-Average”法和“5-Max/Min”法分別得到的FFX（fr）和FFX（th）的評(píng)估中，不同入射角度下的微波輻射計(jì)（ELBARA-III）數(shù)據(jù)，與、和Tair三種F/T 參考數(shù)據(jù)相比，使用第二種方法（“5-Max/Min”）獲得的FFX（fr）和FFX（th）參考值效果較好，這是因?yàn)檫x用“5-Max/Min”方法所獲得的凍融參考值的10 天僅1 天不處于完全凍結(jié)或者完全融化階段，而選用“30-Average”方法所獲得的凍融參考值的60 天中，有13 天不處于完全融化或者完全凍結(jié)階段。當(dāng)選用淺層土壤溫度（、）作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)。第一種方法（“30-Average”）與第二種方法（“5-Max/Min”）最佳準(zhǔn)確度的最大相差約為5.0%，平均相差3.9%。這是因?yàn)榈玫降诙N方法使用的參考值多處于完全凍結(jié)或者完全融化階段，而得到第一種方法的參考值有21.3% 的天數(shù)出現(xiàn)短期融化或凍結(jié)現(xiàn)象，土壤融化后土壤水分下滲和土壤水分值降低導(dǎo)致出現(xiàn)相對(duì)偏低的凍結(jié)因子，從而使準(zhǔn)確度較低。當(dāng)選用淺層土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，T2.5cmsoil和T5.0cmsoil經(jīng)過(guò)處理后的結(jié)果幾乎完全一致，均可以很好地代表淺層土壤凍融狀況。選用“30-Average”法相較選用“5-Max/Min”法獲得的全年準(zhǔn)確度較低，可能是異常值或者噪聲干擾值的影響，例如無(wú)線電射頻干擾未被過(guò)濾或者儀器測(cè)量異常等。因此，本文后續(xù)研究均采用第二種方法（“5-Max/Min”）所獲得的FFX（fr）和FFX（th）參考值。

圖4 不同入射角下，四個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子與兩類(lèi)參考數(shù)據(jù)集匹配的準(zhǔn)確度Fig.4 Accuracy of matching the four relative frost factors with the two types of reference data sets under different incident angles

在評(píng)估四種凍結(jié)因子算法中，從圖4可以看出，當(dāng)選用Tair作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，F(xiàn)FPD和FFNPR最佳準(zhǔn)確度較高，在觀測(cè)入射角為40°和50°時(shí)，F(xiàn)FNPR準(zhǔn)確度均最高，可達(dá)83.6%。 相比之下，選用FFCHPD和FFCVPD時(shí)得到的最佳準(zhǔn)確度較低，在觀測(cè)入射角為40°時(shí)，F(xiàn)FCVPD準(zhǔn)確度最低，僅為73.8%，與最高的最佳FFNPR準(zhǔn)確度相差接近9.8%。并且FFCHPD和FFCVPD得到的最佳準(zhǔn)確度隨著入射角度的增加也增大，其中FFCHPD增大幅度較明顯。而FFPD和FFNPR得到的最佳準(zhǔn)確度基本相近。當(dāng)選用或者參考數(shù)據(jù)集時(shí)，四種凍結(jié)因子在不同的入射角度下獲得的最佳準(zhǔn)確度均有所下降，與選用Tair作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，平均相差約為7.2%，此時(shí)能得到的最佳準(zhǔn)確度最高僅為73.8%。不過(guò)此時(shí)不同角度下四種凍結(jié)因子得到的最佳準(zhǔn)確度數(shù)值相近，這表明選用淺層土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，總體效果相近與入射角度和凍結(jié)因子的選擇無(wú)關(guān)。因此，四種凍結(jié)因子中，F(xiàn)FPD和FFNPR對(duì)土壤凍融狀態(tài)的轉(zhuǎn)換相對(duì)比較敏感。

3.2 相對(duì)凍結(jié)因子的最佳閾值分析

圖5～7展示了不同入射角下，使用“5-Max/Min”法估算FFX（fr）和FFX（th）參考值的四種凍結(jié)因子與三類(lèi)參考數(shù)據(jù)估算土壤凍融狀態(tài)與過(guò)程的匹配準(zhǔn)確度。結(jié)果表明，當(dāng)選擇Tair作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，可靠閾值范圍較廣（0.1～0.8），此間準(zhǔn)確度存在一個(gè)極大值，曲線成“倒U”形，最大限度地提高了F/T 的準(zhǔn)確檢測(cè)。其中，選擇FFPD時(shí)，最佳閾值為0.54，較為接近固定閾值（Δ=0.5）；而選擇另三種凍結(jié)因子時(shí)，最佳閾值通常較小，介于0.2～0.4 之間，此時(shí)與固定閾值（Δ=0.5）相比，優(yōu)化閾值后準(zhǔn)確度提高10%～15%。隨著入射角度增大，四類(lèi)凍結(jié)因子獲得較高準(zhǔn)確度的可靠閾值范圍均增大，即準(zhǔn)確度大于70%的閾值增多。其中對(duì)凍融信號(hào)敏感的FFPD變化顯著，可靠閾值范圍從0.4～0.6 擴(kuò)寬到0.35～0.65；對(duì)凍融狀態(tài)轉(zhuǎn)換相對(duì)不敏感的FFCHPD和FFCVPD可靠閾值也提前出現(xiàn)，分別在0.15 和0.15 達(dá)到可靠閾值的要求。通過(guò)比較三種入射角度下四種相對(duì)凍結(jié)因子得最佳閾值可知，選用氣溫作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，F(xiàn)FPD的最佳閾值最接近固定閾值為0.5；FFNPR的最佳閾值為0.4；FFCHPD和FFCVPD的在入射角較低（40°、50°）最佳閾值為0.2，在入射角較高（60°）時(shí)最佳閾值為0.3。

圖5 在40°入射角下，使用“5-Max/Min”法FFX（fr）和FFX（th）參考值時(shí)四種凍結(jié)因子不同閾值下與參考數(shù)據(jù)集Tair（a），（b）和（c）匹配的準(zhǔn)確度（虛線為固定閾值）Fig.5 Under the incident angle of 40°，using the“5-Max/Min”method FFX（fr）and FFX（th）reference values，the four frost factors are compared with the reference data set Tair（a），（b）and（c）under different thresholds（The dotted line is a fixed threshold）

圖6 在50°入射角下，使用“5-Max/Min”法FFX（fr）和FFX（th）參考值時(shí)四種凍結(jié)因子不同閾值下與參考數(shù)據(jù)集Tair（a），（b）和（c）匹配的準(zhǔn)確度（虛線為固定閾值）Fig.6 Under the incident angle of 50°，using the“5-Max/Min”method FFX（fr）and FFX（th）reference values，the four frost factors are compared with the reference data set Tair（a），（b）and （c）under different thresholds（The dotted line is a fixed threshold）

圖7 在60°入射角下，使用“5-Max/Min”法FFX（fr）和FFX（th）參考值時(shí)四種凍結(jié)因子不同閾值下與參考數(shù)據(jù)集Tair（a），（b）和（c）匹配的準(zhǔn)確度（虛線為固定閾值）Fig.7 Under the incident angle of 60°，using the“5-Max/Min”method FFX（fr）and FFX（th）reference values，the four frost factors are compared with the reference data set Tair（a），（b）and （c）under different thresholds（The dotted line is a fixed threshold）

當(dāng)選用土壤溫度作參考數(shù)據(jù)集時(shí)，在三種不同觀測(cè)入射角度下，四種凍結(jié)因子獲得的準(zhǔn)確度均與閾值大體成負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是四種凍結(jié)因子均存在一個(gè)拐點(diǎn)閾值，拐點(diǎn)閾值后，準(zhǔn)確度回升。對(duì)凍融信號(hào)較為敏感的FFPD和FFNPR的拐點(diǎn)閾值相對(duì)靠近固定閾值，分別為0.4和0.6。隨著觀測(cè)入射角度增大，拐點(diǎn)閾值也前移。選用土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，最佳閾值通常出現(xiàn)在拐點(diǎn)閾值后，隨著入射角度增大，最佳閾值離拐點(diǎn)閾值越遠(yuǎn)。與選用氣溫作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)相比，選用土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，各相對(duì)凍結(jié)因子的閾值均增大。

3.3 基于微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)估算F/T 準(zhǔn)確度的季節(jié)特征

在一個(gè)凍融年周期內(nèi)，地基微波輻射計(jì)估計(jì)的總準(zhǔn)確度（如圖4 所示）可以很好地表征F/T 信號(hào)的整體強(qiáng)度，準(zhǔn)確度越高說(shuō)明凍融信號(hào)越明顯，但不能確定重要凍/融轉(zhuǎn)換過(guò)渡季節(jié)的準(zhǔn)確性。為了更好評(píng)估不同季節(jié)下的土壤凍融狀態(tài)，選用各個(gè)凍結(jié)因子下的最佳閾值和使用“5-Max/Min”方法后獲得的FFX（fr）和FFX（th）參考值來(lái)最大程度減少干擾。選用氣溫和土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集在準(zhǔn)確度匹配方面給出了非常相似的結(jié)果。通過(guò)圖8 可知，當(dāng)選用氣溫作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，四個(gè)凍結(jié)指數(shù)表現(xiàn)基本一致。在春季的F/T 過(guò)渡期間，四個(gè)凍結(jié)指數(shù)準(zhǔn)確度均較低，僅FFCHPD指標(biāo)在50°入射角時(shí)，準(zhǔn)確度相對(duì)較高達(dá)到78.3%。夏季期間，F(xiàn)FNPR和FFPD指標(biāo)準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于FFCHPD和FFCVPD指標(biāo)，準(zhǔn)確度均超過(guò)95%。秋季和冬季，四個(gè)凍結(jié)指數(shù)準(zhǔn)確度均較高，僅FFNPR指標(biāo)在冬季期間（土壤完全凍結(jié)期）準(zhǔn)確度較低，僅為28.8%。通過(guò)圖9 可知，選用土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)，與選用氣溫作為參考數(shù)據(jù)集時(shí)相似，兩個(gè)F/T 過(guò)渡期（春季和秋季），四個(gè)凍結(jié)指標(biāo)的準(zhǔn)確度均較低，春季期間僅FFCHPD指標(biāo)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，達(dá)到74.8%。

圖8 在50°（a）和60°（b）入射角下，選用Tair作為參考數(shù)據(jù)集的各個(gè)凍結(jié)因子在最佳閾值時(shí)的季節(jié)準(zhǔn)確度Fig.8 Seasonal accuracy of each frost factor selected as the reference data set Tair at the optimal threshold under the incidence angles of 50°（a）and 60°（b）

圖9 在50°（a）和60°（b）入射角下，選用作為參考數(shù)據(jù)集的各個(gè)凍結(jié)指數(shù)在最佳閾值時(shí)的季節(jié)準(zhǔn)確度Fig.9 Seasonal accuracy of each frost factor selected as the reference data set at the optimal threshold under the incidence angles of 50°（a）and 60°（b）

3.4 微波輻射計(jì)觀測(cè)亮溫與土壤凍融狀態(tài)變化特征

由圖10 可知，隨著觀測(cè)入射角的增加，土壤凍融狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，亮溫差值振幅較大。當(dāng)土壤處于由凍結(jié)（融化）向融化（凍結(jié)）轉(zhuǎn)換階段時(shí)，其亮溫的差值介于15～50 K 之間。當(dāng)土壤處于完全凍結(jié)或者完全融化階段時(shí)，亮溫差值振幅較小。進(jìn)入冬季土壤完全凍結(jié)后，觀測(cè)到的TBP增加到一定的飽和極限；達(dá)到極限后，TBP通常保持穩(wěn)定，直到土壤開(kāi)始融化。期間，水平極化亮溫的變化比垂直極化的變化更大，冬季的水平極化亮溫的標(biāo)準(zhǔn)差和垂直極化的標(biāo)準(zhǔn)差分別為10～13 K 和2～7 K［圖3（b）］。這是由于水平極化對(duì)積雪變化的敏感性增加，特別是在垂直分層的積雪中。盡管大部分情況下干雪對(duì)L波段輻射是比較透明的，但是出現(xiàn)諸如融化-再凍結(jié)形成冰晶層之類(lèi)的強(qiáng)烈特征會(huì)影響雪內(nèi)部的局部折射，從而改變微波輻射計(jì)探測(cè)到的輻射信號(hào)［18］。積雪在可見(jiàn)光波段和微波波段對(duì)輻射的影響不同。在可見(jiàn)光波段，由于積雪冰晶或雪粒的反射率大，導(dǎo)致積雪的反照率大［30］，由此導(dǎo)致積雪表面獲得的太陽(yáng)輻射減小，導(dǎo)致地面冷卻。在微波波段，由于積雪液態(tài)含水量較少，從而導(dǎo)致微波發(fā)射率較小，再加上雪層溫度的降低，使得微波輻射亮溫降低。故當(dāng)?shù)孛嬗蟹e雪覆蓋時(shí)，垂直極化和水平極化亮溫均下降。在土壤從融化轉(zhuǎn)向凍結(jié)的過(guò)程中，由于土壤中液態(tài)水含量急劇減小，導(dǎo)致土壤的微波發(fā)射率增大，這使得垂直極化亮溫和水平極化亮溫也迅速上升，極化亮溫差也進(jìn)一步加大。而在融化狀態(tài)下，土壤液態(tài)水含量高，土壤溫度也高，變化幅度大，這使得極化亮溫較大，變幅也大，極化亮溫差減小。在微波輻射計(jì)的典型觀測(cè)角度（40°，50°，60°）下，土壤凍融轉(zhuǎn)換中的信號(hào)響應(yīng)可以概述為：土壤發(fā)生凍融轉(zhuǎn)換時(shí)，垂直極化和水平極化上亮溫信號(hào)均增加，垂直極化和水平極化差值減?。煌寥捞幱谕耆珒鼋Y(jié)或者完全融化階段時(shí)，亮溫信號(hào)趨于穩(wěn)定，波動(dòng)較開(kāi)始融化或開(kāi)始凍結(jié)階段小。

圖10 在40°（a）、50°（b）和60°（c）入射角下，土壤凍融狀態(tài)及與微波輻射亮溫的時(shí)間序列（紫：TP，黃：FFP或者TTP，藍(lán)：FP）Fig.10 Time series of the soil freeze-thaw state and the brightness temperature of microwave radiation under the incident angles of 40°（a），50°（b）and 60°（c）（purple：TP，yellow：FFP or TTP，blue：FP）

在微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)土壤凍融準(zhǔn)確度最佳的50°入射角觀測(cè)下（圖11），四個(gè)凍結(jié)因子的變化趨勢(shì)相似，自7 月起波動(dòng)變化較小，進(jìn)入10 月下旬，土壤發(fā)生凍融轉(zhuǎn)換，相對(duì)凍結(jié)因子數(shù)值增大，隨后保持穩(wěn)定。直到土壤開(kāi)始解凍，相對(duì)凍結(jié)因子先波動(dòng)上升，在春季中期達(dá)到最大，隨后波動(dòng)下降直至趨于穩(wěn)定，全年變化趨勢(shì)呈“雙峰型”。由圖12 可知，將四個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子歸一化后，春季期間四個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子的標(biāo)準(zhǔn)差平均約為0.23，秋季期間四個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子的標(biāo)準(zhǔn)差平均約為0.3。土壤處于完全融化或者完全凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，相對(duì)凍結(jié)因子的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.2。

圖11 在50°入射角下，各個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子的時(shí)間序列Fig.11 Time series of the relative frost factors under the incident angle of 50°

圖12 在50°入射角下，歸一化后各個(gè)相對(duì)凍結(jié)因子的時(shí)間序列Fig.12 Time series of the normalized relative frost factors under the incident angle of 50°

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分析中國(guó)科學(xué)院若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)站瑪曲觀測(cè)場(chǎng)地基微波輻射計(jì)（ELBARA-III）觀測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了微波輻射計(jì)觀測(cè)在土壤F/T監(jiān)測(cè)中的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)論：

（1）地基微波輻射計(jì)（ELBARA-III）監(jiān)測(cè)土壤凍融過(guò)程時(shí)，對(duì)F/T 監(jiān)測(cè)結(jié)果與（、和Tair）參考數(shù)據(jù)集估算的結(jié)果基本一致。與Tair估算的F/T結(jié)果高于或，平均相差7.2%以上。

（2）不同凍結(jié)因子算法的準(zhǔn)確度與觀測(cè)入射角有一定關(guān)聯(lián)。當(dāng)觀測(cè)入射角為50°時(shí)，F(xiàn)FPD和FFNPR算法準(zhǔn)確度相較40°或60°觀測(cè)入射角時(shí)高，最高可以達(dá)到83.6%。FFPD和FFNPR算法對(duì)土壤的凍融轉(zhuǎn)換過(guò)程更加敏感。

（3）在土壤凍融過(guò)程中，F(xiàn)FCHPD指標(biāo)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，春季期間最高可以達(dá)到84.8%，秋季期間最高可達(dá)91.0%。在完全凍結(jié)期中，F(xiàn)FNPR指標(biāo)準(zhǔn)確度較另三個(gè)指標(biāo)低，最低僅為28.8%。

（4）土壤處于從凍結(jié)（融化）向融化（凍結(jié)）轉(zhuǎn)換時(shí)期時(shí)，亮溫差值介于15～40 K 之間。當(dāng)土壤處于完全凍結(jié)或者完全融化階段時(shí)，亮溫極化差值小于15 K。在春季和秋季期間，相對(duì)凍結(jié)因子波動(dòng)較大，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.23和0.3。夏季和冬季期間，相對(duì)凍結(jié)因子較為穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.2。

本文利用L波段地基微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了土壤凍融過(guò)程，考慮到青藏高原地區(qū)下墊面的非均勻性，若要得到更確定的結(jié)論需要儀器監(jiān)測(cè)更多類(lèi)型的下墊面，進(jìn)而對(duì)比分析。另外，本文選取的研究站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度較短，這還有待今后建立長(zhǎng)時(shí)間序列資料。本次研究?jī)H選用近地面氣溫和淺層土壤溫度作為參考數(shù)據(jù)集，下一步準(zhǔn)備使用與土壤凍融過(guò)程聯(lián)系更緊密的土壤含水量作為參考數(shù)據(jù)，并利用數(shù)值模式探討土壤凍融過(guò)程的影響機(jī)制。