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南方冬季湿雪的光谱特征分析

积雪是自然界地表重要的要素之一,覆盖在陆地和海冰表面,特性敏感活跃,对气候变化、水分平衡及人类活动等方面都有重要的影响。积雪变化会使天气和气候变化分析产生误差。所以积雪光谱的采集和研究对了解积雪的特性、获取积雪特征信息以及进行积雪监测具有重要意义。在南方湿润气候背景下,冬季降水多以湿雪为主,积雪密度也比北方的大。湿雪是冻结的雪片在降落过程中趋于潮湿、融化,最后在物体上冻结形成,由于易连接成片,吸收大量热量造成降温,所以对建筑设施、植被等危害较大。地物光谱仪可以获取积雪的光谱数据,分析太阳高度角、坡度、坡向、下垫面、混合雪对积雪反射率的影响,这有利于了解湿雪光谱特性和变化规律,为积雪监测、定量遥感及其参数反演提供参考和科学依据。

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1、积雪的光谱特征

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1 28日,(b)29日,(c)30日11:00的积雪光谱反射率

由图1可见,在350~1300nm总体上积雪反射率呈现下降的趋向,其中350~700nm变化较为平稳,700~950nm反射率小幅度下降,950~1300nm变化幅度较大,1150~1240nm快速下降,在1020nm1250nm附近出现清楚的吸收谷,1250nm之后缓慢上升。图中曲线abc分别代表28日、29日、30日上午11:00在相同区域测量得到的积雪光谱曲线。三天测量时的积雪厚度分别约为3cm5cm2.5cm,空气湿度分别为100%92%71%。图中曲线b的积雪反射率最高,且明显高于曲线a,曲线c下降趋势较大,在350~1120nm积雪反射率居于曲线ab之间,1120~1300nm低于曲线ab。这是因为28日晚21:45左右至2909:00左右出现一轮新的降雪,而新雪反射率较高,所以曲线b的积雪反射率最高。

2、太阳高度角对积雪光谱的影响

 

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2 不同太阳高度角的积雪光谱反射率
a)35.8°,(b)39.9°,(c)37°

由图2可知, 29日和30日分别于同一地点进行积雪光谱数据采集。29日测量时间选择10:5012:1013:30三个时间点,结合经纬度等信息可以得到对应的太阳高度角分别为35.8°,39.9°和37°。350~700nm,光谱反射率较高,并且存在一个较为平缓的吸收谷,太阳高度角接近的两条光谱曲线几乎重合。太阳高度角引起的积雪光谱差异的首要因素是光线入射角度的差异,对于理想朗伯面,辐亮度不具有方向性,但是测量的目标物即积雪表面不满足此条件,所以入射辐射的角度差异直接影响了反射率。此外,风化等外界环境因素也会一定程度上影响积雪的状态,物化性质的轻微变化也会对结果造成影响。

3、坡度对积雪光谱的影响

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3 不同坡度的积雪光谱反射率a)0°,(b)10°,(c)30°,(d)60°

从图3可以看出不同坡度条件下的光谱曲线形状相似,但是随着坡度从0°的不断增大至60°,积雪反射率也随之增大,并且增大的幅度较为明显,最大值达到0.22。从整体变化趋势来看,在350~900nm区间以及900~1300nm波峰波谷区域,坡度越大反射率上升越大的趋势比较明显。造成该种现象的原因是因为积雪表面反射呈现各向异性特征。测量区域位于南坡朝阳方向,当入射角度增大时,前向散射方向出现单次散射光的概率增大,从而获取的反射信息增加,即有更多的光被反射回来。

4、坡向对积雪光谱的影响

为了探究坡向与积雪光谱之间的关系,设定了坡度均为70°左右的两个朝阳坡和背阴坡,在13:00左右测量了积雪光谱。图4表明坡向对积雪光谱影响较大,曲线a为朝阳坡的积雪光谱曲线,与典型积雪光谱曲线的波形变化规律相似。曲线b代表的是背阴坡积雪光谱曲线,从数值方面来看,反射率在350~1300nm波段内下降,趋势十分显著。这是因为朝阳面能够接受大量的光照,从而能够反射更多太阳辐射。而背阴坡背对太阳,影响入射光直接照射到坡面上。由于入射光减少,坡面积雪是非理想朗伯面,再经过积雪吸收与漫反射作用,从而使得接收的太阳辐射大大减少。

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4 不同坡向的积雪光谱反射率,a)180°S,(b)0°N

5、下垫面对积雪光谱的影响

为了探究不同下垫面对积雪光谱的影响,实验区域选择距离相近、面积相同,但是地表分别为草地和裸土的两块区域。从图5中可以看出首次测量得到的ab两条曲线有积雪光谱曲线的特征,并且趋势基本相同。曲线b积雪反射率略低于曲线a,在近红外区700~900nm较为明显。趋势比较接近,所以在地表被一定厚度积雪覆盖的情况下,下垫面的差异对积雪光谱影响有限。而曲线d积雪反射率明显低于曲线c,这是因为第二次测量时积雪消融,厚度较薄,部分区域能够清楚看到下垫面的地表及出露地物,特别是下垫面为裸土的试验区域,出现小范围土壤裸露情况。此时可见光能够穿透薄雪层,测量的积雪光谱会受到下垫面的影响,因而出现光谱曲线的差异。曲线ab积雪反射率明显高于cd,这是因为积雪消融和老化,造成积雪密度和含水率增大,并且由于雪层变薄或部分地表裸露,下垫面对积雪光谱造成一定影响,导致光谱反射率降低。

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5 不同下垫面的积雪光谱反射率,(a)草地(10:10AM),b)裸土(10:10AM),(c)草地(12:00PM),(d)裸土(12:00PM)

6、混合雪(植被、林下雪)对积雪光谱的影响

为了分析不同混合雪情况对光谱的影响,分别测量了平地纯净积雪、积雪与植被混合及林下雪三种情况的光谱。平地积雪试验区选择一块2m×2m、坡度为0°、下垫面为裸露土壤的区域,积雪厚度约为3cm,图6a)黑色曲线代表光谱测量结果。植被/积雪混合试验区选择高度约为70cm的冬青,试验区周围无其他植物影响,并分为以下几种情况:

1)植物冠层基本被积雪覆盖,有少许枝叶冒出雪层,积雪厚度约为1.5~2cm,由图6b)红色曲线表示;

2)积雪未全部覆盖植物冠层,与植物枝叶混杂,由图6c)蓝色曲线表示;

3)植被冠层积雪覆盖度较低,能够观察到植物冠层,由图6d)绿色曲线表示;

4)植被冠层无积雪覆盖,但是冠层下方枝叶缝隙间存在积雪,并且下垫面为积雪,由图6e)紫色曲线表示。

林下雪试验区选择针叶林下方面积约为2m×2m的区域,积雪能够覆盖地表,树木密度适中,但是对光照条件有一定影响,下图(f)浅棕色曲线代表林下雪光谱测量结果。

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6 植被/积雪混合的积雪光谱反射率

a)纯雪,(b)植被/积雪混合:植物冠层基本被积雪覆盖,(c)植被/积雪混合:积雪未全部覆盖植物冠层,(d)植被/积雪混合:植被冠层积雪覆盖度较低,(e)植被冠层无积雪覆盖:植物冠层基本无积雪覆盖,(f)林下雪

6表明在可见光范围内纯净积雪光谱反射率最高,植被/积雪反射率次之,林下雪反射率最低;在近红外波段植被/积雪混合情况反射率超过纯净积雪。因为在可见光范围内,积雪的反射率最高可到0.92,远高于植被,但是在近红外波段中,雪的反射率开始下降,而对于植物来说,近红外波段的反射与其叶片结构有关。而且近红外辐射具有穿透能力,约50%~60%的能量可以透过植物叶子,辐射到下层被反射回来再次穿过上层叶,使冠层红外反射增强,从而导致在近红外波段范围内纯净积雪反射率低于植被/积雪混合情况。同时,在对比纯净积雪和植被/积雪混合光谱时发现,光谱曲线一般在780~1000nm区间内相交,在光谱曲线相交前,随着植被上积雪覆盖率的增加,植被/积雪混合反射率逐渐升高,曲线交点也随之前移,向780nm处靠近,光谱曲线的形状越来越接近纯雪曲线交点随之后移,向1000nm处靠近,曲线的形状越来越接近植被光谱的曲线形状。

林下雪光谱反射率与积雪随波长的变化规律基本相同,但是数值在所有测量对象中最低,这是由于针叶林遮挡了光线,测量时入射光减少,使得获取的反射信息大大减少,所以林下雪光谱曲线虽然保持积雪光谱曲线特征,但是反射率大大降低。

 

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