科研动态 | 极地与海洋遥感团队在北极海冰表面积雪厚度遥感反演方面取得新进展

研究背景

       积雪通过调节表面反照率和海洋与大气之间的热量交换，影响海冰的生长与消融，是极地气候系统的重要组成部分。北极海冰表面积雪厚度是理解海冰热力学过程及其季节演变的关键参数。星载被动微波遥感具有不受光照限制、受云层影响较小的优势，是开展大范围、连续积雪厚度监测的重要手段。然而，微波辐射亮温受到积雪厚度、积雪微观结构及海冰物理性质的共同影响，各因素之间的耦合作用给积雪厚度反演带来较大不确定性。

       针对上述问题，团队聚焦于积雪厚度反演的物理基础，研究不同积雪微观结构和海冰条件下被动微波观测对积雪厚度的有效信息约束，定量评估相关参数及其耦合作用对积雪厚度反演的影响，为反演方法优化改进提供理论依据。

研究内容

       本研究以MOSAiC计划期间的积雪和海冰观测数据为参考依据，设定具有代表性的北极冰雪参数范围，利用积雪微波辐射传输模型（SMRT）模拟AMSR2微波辐射计各频段的观测亮温，并采用全局敏感性分析方法——扩展傅里叶幅度敏感性检验（EFAST），量化各冰雪参数及其耦合作用对亮温的贡献。在此基础上，通过平均核矩阵分析定量评估卫星观测对积雪厚度反演的贡献，进而确定积雪厚度的可反演范围。研究分别对单层与多层积雪、干雪与湿雪，以及一年冰与多年冰等情形进行了相关模拟与分析。

参数敏感性分析

       EFAST敏感性分析结果表明(图1)，在干雪条件下，低频通道主要受积雪密度影响；随着频率升高，亮温对积雪粒径的敏感性逐渐增强，且积雪厚度、密度和粒径之间存在明显的耦合作用。在湿雪条件下，液态水含量显著改变微波吸收和穿透特征，并抑制亮温对积雪厚度和粒径的敏感性。多层积雪分析进一步表明，不同频率和极化方式对雪层结构的响应存在差异。对于由风板雪、深霜雪和底部含盐过渡层构成的干雪，低频垂直极化亮温主要受含盐层影响；随着频率升高，含盐层的主导作用逐渐减弱，深霜雪和风板雪的贡献逐渐增强。

图1 单层干雪和湿雪条件下的参数敏感性分析结果

积雪厚度的可反演范围

       本研究定量评估了积雪密度、粒径与厚度之间的耦合作用对雪厚可反演范围的影响（图2）。对于颗粒较细且密度较高的新雪，6-36 GHz各通道均难以有效反演雪厚。相比之下，89 GHz通道在各种粒径条件下均有一定的雪厚可反演范围，但当雪厚接近0.6 m时出现明显的信号饱和。随着积雪粒径增大，饱和阈值进一步降低；对于粗颗粒积雪，89 GHz的雪厚可反演上限缩小至约0.3 m。

图2 不同积雪密度与粒径条件下6-89 GHz垂直极化通道的雪厚可反演范围
 

       研究进一步评估了GR(18/6)和GR(36/18)两种亮温梯度比的积雪厚度可反演范围（图3）。GR(36/18)更适用于细颗粒积雪，而对于经历显著变质的粗颗粒积雪，GR(18/6)具有更大的雪厚反演范围。其他梯度比组合的分析结果表明，将36 GHz与较低频率的6 GHz或10 GHz配对，可将雪厚可反演上限从0.5 m扩展至0.6 m。对于GR(18/6)，以23 GHz替代18 GHz能够带来显著改善：在保持约1 m雪厚可反演上限的同时，适用积雪粒径范围由0.4-0.5 mm扩展至0.3-0.5 mm。

图3 不同积雪条件下GR(18/6)与GR(36/18) 的积雪厚度可反演范围

       对于梯度比算法，海冰类型对雪厚可反演范围具有重要影响（图4）。随着多年冰比例增加，雪厚可反演范围总体缩小，且这一影响在细颗粒积雪条件下更加显著。当下垫面为多年冰时，对于粒径介于0.3-0.5 mm之间的积雪，GR(36/6)仍可有效反演不超过0.4 m的雪厚。GR(18/6)受到海冰类型和积雪粒径的共同约束，积雪厚度的可反演范围较为有限。相比之下，GR(23/6)对于多年冰表面较粗粒径的积雪仍然具有较好的雪厚反演潜力。

图4 海冰类型与积雪粒径对不同梯度比积雪厚度可反演范围的影响

总结与展望

       本研究结合全局敏感性分析与可反演范围评估，揭示了积雪微观结构、液态水含量及海冰类型对被动微波积雪厚度反演的共同约束，明确了不同通道及梯度比组合在不同冰雪条件下的适用性。研究结果表明，仅考虑积雪密度难以消除微观结构引起的反演歧义，有必要进一步引入积雪粒径与海冰类型等约束。未来可结合积雪季节演变特征，融合具有互补优势的梯度比组合，并引入海冰类型、降水和风速等辅助信息，为不同冰雪条件下的积雪厚度反演提供支持。

发表信息

       研究成果于2026年10月发表在冰冻圈领域重要期刊《The Cryosphere》上，题为Assessment of snow depth retrievability from passive microwave observations over Arctic sea ice: a global sensitivity analysis。中山大学遥感科学与技术学院极地与海洋遥感团队博士研究生晏子钰为论文第一作者，叶玉芳副教授为通讯作者。合作作者包括我院程晓教授，芬兰气象研究所程斌教授，德国不来梅大学Georg Heygster教授以及西班牙巴塞罗那海洋科学研究所Carolina Gabarró教授和Ferran Hernández-Macià博士。本研究得到国家自然科学基金（42576270），广东省自然科学基金（2026A1515012280），南方海洋科学实验室（珠海）创新团队建设项目（311021008）以及芬兰研究理事会IceScales项目（364939）的支持。