地表发射率表征了地表的热辐射能力。微波地表发射率在全球天气预报系统中起着重要作用, 是同化各种卫星微波辐射资料所需要的参数^{[1, 2]}, 也是反演地表和大气参数的重要条件。微波地表发射率的准确计算, 对确定地表参数(如土壤水分^{[3, 4, 5, 6]}、植被含水量^[7]、地表温度^{[8, 9]}和雪、冰雪覆盖等^{[10, 11]})以及完善陆面同化过程等有着重要意义^[12]。地表发射率的时空变化在一定程度上受地表和大气等条件变化的影响, 正确揭示微波地表发射率的时空变化规律, 将有助于理解地表的长波能量辐射、地表辐射收支和大气辐射传输模式。

目前, 微波地表发射率变化规律的研究多集中于不同的地表覆盖类型^{[12, 13, 14, 15, 16]}, 而对微波地表发射率随土壤类型变化的规律及其与气候因子关系的分析相对较少。由于植被的季节特征显著及变化特征稳定, 而且地表发射率巨大的空间可变性发生在裸露的岩石或土壤区域内, 使这类区域被简单划分为荒地、沙漠或裸土, 从而影响了构成这些地表的土壤结构或岩石矿物对星载传感器的光谱响应特征的研究。

作为重要的地-气过程参数, 地表发射率受气候变化影响很大, 其动态变化特征与气候条件密切相关。本文以塔克拉玛干沙漠为研究区域, 利用AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)的遥测资料反演微波地表发射率谱, 并根据联合国粮农组织(food and agriculture organization of the united nations, FAO)^[17]和美国国家土壤地理数据集(The State soil geographic, STATSGO)^[18]定义的土壤类型, 对反演计算的沙漠地表发射率谱进行分类分析, 并结合美国国家环境预报中心(national centers for environmental prediction, NCEP)的全球资料同化系统(global data assimilation system, GDAS)的输出产品, 分析了微波地表发射率年内变化规律与地表温度、土壤温度、土壤含水量、植被覆盖率及大气总水汽量等因子之间的响应关系。

理论上, 由式(1)可计算得到AMSR-E全球的地表发射率, 本文仅对晴空条件下塔克拉玛干沙漠地区不同土壤类型的AMSR-E 地表发射率进行分组计算, 讨论该地区不同土壤类型微波地表发射率随季节变化的规律。

本文研究区域内主要有6种土壤类型: 砂土、壤土、砂质粘壤土、粘质壤土、砂质粘土和粘土。这些沙漠土壤类型的微波地表发射率会随季节转换呈现一定程度的变化。如图1所示, 沙漠地表的发射率随土壤组成的不同存在显著变化。

图1-1

Fig.1-1

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	图1-1 2008年塔克拉玛干沙漠区不同地表类型AMSR-E各通道反演的地表发射率Fig.1-1 Retrieved emissivity of each AMSR-E channel of different soil type of the Taklimakan Desert in 2008

图1-2

Fig.1-2

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	图1-2 2008年塔克拉玛干沙漠区不同地表类型AMSR-E各通道反演的地表发射率Fig.1-2 Retrieved emissivity of each AMSR-E channel of different soil type of the Taklimakan Desert in 2008

由图1可以看出, 不同地表类型的垂直极化(V)发射率都是随频率增加而呈逐渐减少趋势, 而水平极化(H)发射率都是随频率增加而逐渐增大, 极化差异随频率增加而逐渐减小。

总体来看, 砂质粘壤土和砂质粘土的发射率在一年四季差异较大; 其次是粘质壤土和粘土; 再次是壤土和砂土。这可能与地表温度、土壤温(湿)度、植被覆盖及其生长状况有关。

图2分别是从GDAS输出获得的土壤温度、地表温度、大气总水汽量、土壤体积含水量(水分和土壤的体积比, 取值范围0~1)、植被覆盖度(取值范围0~1)和冠层含水量各参数在该地区的均值随季节的变化, 其中上述6种不同类型土壤的地表、大气参数的均值与整个研究区域内的均值略有差异。

图2

Fig.2

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	图2 2008年塔克拉玛干沙漠区大气和地表参数Fig.2 Parameters of atmosphere and land surface of the Taklimakan Desert in 2008

由图2看出, 一般情况下, 土壤温度的年波动幅度略低于地表温度的年波动幅度; 地表温度在7月和8月(夏季)达到一年中最高值, 1月和2月达到最低值(冬季), 但土壤温度的峰值和谷值比地表温度均延迟1个月左右; 夏季土壤温度和地表温度基本趋于一致, 而秋、冬季土壤温度高于地表温度。

当大气总水汽量在7月和8月达到峰值时, 土壤湿度和植被覆盖度均随之出现较大值; 当大气总水汽量在1月和2月达到谷值时, 土壤湿度和植被覆盖度均随之出现较小值。因此, 土壤体积含水量一定程度上受大气总水汽量影响, 而土壤体积含水量与植被覆盖度、冠层含水量密切相关。

一般粘性土质的储水能力较强, 因而上述6种土壤类型的地表中, 砂质粘土和粘质壤土等粘性土壤具有较高的土壤湿度和植被覆盖度。如图3中, 尽管砂土的大气总水汽量高于同期砂质粘土, 且砂土的最小值和最大值分别是2.626 mm和30.916 mm, 而砂质粘土的最小值和最大值分别是0.886 mm和13.345 mm, 但砂土的土壤含水量和植被覆盖度均低于砂质粘土。砂土的土壤含水量全年基本维持在0.13左右, 植被覆盖度约为0.01, 而砂质粘土的土壤含水量全年始终保持在0.13以上, 最高可达0.187, 植被覆盖度长期处于0.01以上, 最高可达0.047。

图3

Fig.3

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	图3 2008年塔克拉玛干沙漠地区2种土壤类型的大气和地表参数Fig.3 Parameters of atmosphere and land surface of two soil types of the Taklimakan Desert in 2008

对于大多数类型的土壤, 夏季地表发射率较春、秋、冬季的略微偏低(图1)。这是因为土壤微波辐射与土壤的微波介电常数密切相关, 通常土壤的介电常数是由土壤的含水量决定的^[22]。地物目标含水量多少决定其复介电常数的大小, 复介电常数相对于介质单位体积的液态水含量呈线性变化。一般来说, 复介电常数越高, 反射电磁波的作用越强, 穿透作用越小。由表面极化发射率可知, 土壤表面的发射率(等于1)减去各方面散射系数和, 在土壤含水量增加时, 这种散射主要表现为反射, 反射率增加, 因此发射率会减小, 即土壤中水的介电特性会引起地表发射率随土壤含水量的增大而减小, 这种趋势在低频段尤为明显。这是地表发射率随土壤含水量和植被含水量(图2)变化而产生的季节性变化的重要原因之一, 和Weng等^{[19, 23]}微波地表发射率模型的研究结果相吻合。

由Weng等^[19] 三层介质模型的微波地表发射率计算式可以得出, 影响发射率计算的最重要的参数是光学厚度和交界面上的反射率系数。光滑接触面的反射率可由Fernsel方程得到, 它是关于入射角和介质介电常数的方程。裸土经验介电常数是关于电介质土水混合的模型^[24]。由Weng等^[19]模型计算得到AMSR-E传感器各个频率地表发射率随土壤含水量变化的关系(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 地表发射率与土壤含水量的变化关系(视角55° , 土壤粗糙度0, 地表温度280 K)Fig.4 Relationships between emissivity and soil moisture

由图4可知, 无论是垂直极化还是水平极化, 地表发射率随着地表土壤含水量的增大而减小, 且这种趋势在低频段较高频段显著, 水平极化较垂直极化显著。因此, 夏天雨水相对较多, 植被生长旺盛, 地表土壤所含的水分相对较多, 使得地表发射率略偏低。本文研究区内主要分布的土壤类型是砂土, 而砂土类型的沙漠地表, 土壤湿度常年极低, 植被稀少, 一年四季的发射率差异不大, 较为稳定(图1— 3)。

一般来说, 微波对各种地物的穿透深度因波长和物质不同有很大差异, 波长越长, 穿透能力就越强。Weng等^[19]模型给出的各层土壤的权重随土壤深度的变化而变化(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 权重函数和随土壤深度的变化关系(视角53° , 土壤粗糙度0, 土壤含水量0.1, 地表温度280 K)Fig.5 Relationships between weighting function and soil depth

由图5可以看出, 随着土壤深度的增加, 各层土壤对土壤亮温的贡献逐渐减小; 随着频率的增加, 各层土壤的权重随土壤深度迅速减小, 换言之, 微波的土壤穿透深度随频率的增加而减小。因此, 在沙漠(土壤类型主要为砂土)的地表情况下, 沙漠深度对地表发射率有一定的影响, 并且地表发射率随着沙漠深度的增加而减小。

地表粗糙度与植被覆盖紧密相关, 该参数不仅决定地表的反射特性, 而且影响微波的极化^{[25, 26]}。地表粗糙度较小时, 地表发射率的极化差异较大; 随着地表粗糙度的增大, 极化差异减小直至趋于稳定。这主要是地表粗糙度较大、散射较多, 从而削弱了发射率的极化差异。例如, 有森林覆盖的地表发射率极化差异较小。而低矮植被覆盖(即地表粗糙度较小、较为平坦的地表)的地表发射率受散射作用较小, 从而有明显的极化差异, 故典型的以砂土为代表的植被覆盖稀少的沙漠地表, 表现出最大的极化差异(图1)。

地表温度也是地表发射率产生季节变化的影响因子之一。表现在夏季的地表温度高于冬季, 而夏季的地表发射率低于冬季(图1— 2), 且地表发射率随地表温度的升高而降低, 这与式(1)中地表发射率和地表温度成反比的关系相一致。而且, 地表温度与1 d内的日照时间和日照强度有关, 白天地表温度一般比晚上高, 故白天地表发射率小于夜间发射率, 如昼夜温差较大的沙漠地区最为明显。

本文用AMSR-E亮温资料以及微波辐射传输模式反演计算了塔克拉玛干沙漠地区晴空条件下的地表发射率, 并结合FAO和STATSGO的土壤质地分类信息, 分析了该地区不同土壤类型的微波地表发射率的变化特征, 并进一步分析了地表发射率频谱年内变化规律及其与气候因子的关系。

1)微波地表发射率与地表类型密切相关, 且不同土壤类型的地表发射率的季节变化规律存在显著差异, 富含粘土土壤比富含砂土土壤的微波地表发射率的年内季节性变化显著。

2)土壤含水量是微波地表发射率产生年内变化的重要因子之一, 地表发射率随土壤含水量的增大而降低。而且, 土壤含水量还直接作用于地表植被覆盖度和植被含水量, 这些参数也是地表发射率的影响因子; 地表植被覆盖还决定着地表粗糙度, 进而决定了微波地表发射率的极化差异。此外, 土壤含水量一定程度上受大气总水汽量影响, 但同时受到地表土壤类型的制约, 如粘性土质的储水能力较强, 故在大气总水汽量一定的情况下, 粘土土壤含水量比砂土高。

3)在土壤类型以砂土为主的沙漠地表, 地表发射率一定程度上受到沙漠深度的影响。由于沙漠地区土壤含水量值年内几乎保持为常数, 且数值极低, 故土壤穿透深度是影响地表发射率的重要因子, 使得地表发射率随着沙漠深度的增加而减小。

4)地表温度与微波地表发射率的年内变化规律之间也存在着显著的相关性, 地表发射率随地表温度的升高而降低。