题目：Capturing the Onset of Mountain Snowmelt Runoff Using Satellite Synthetic Aperture Radar
作者：Eric Gagliano, David Shean, Scott Henderson, Seth Vanderwilt
期刊：Geophysical Research Letters
时间：2023-11-02
DOI：https://doi.org/10.1029/2023GL105303
【研究概述】
雪融径流的时间对水资源应用至关重要，但其时空演变仍知之甚少。华盛顿大学西雅图分校Eric Gagliano等人提出了一种可扩展的方法，利用过去8年的Sentinel-1合成孔径雷达数据，以10米的空间分辨率和中值时间分辨率为3.9天，绘制了雪融径流开始的地图。对美国西部层火山的系统分析表明，融雪径流的开始与海拔高度密切相关（r=0.81），平均径流量开始递减率为每100米海拔增加4.9天。在2015年的雪灾期间，相对于2015-2022年的中值，雪融径流开始提前了25天。研究记录了在2016年至2022年间，每年雪融径流开始的中值延迟+2.0天。本文开发的开源工具可用于在地球的任何地方创建雪融径流开始的地图。
【研究区概况与数据来源】
喀斯喀特山脉位于北美太平洋西北，自加利福尼亚北部至不列颠哥伦比亚省南部延伸。气候受到海洋性影响，夏季温和干燥，冬季湿润。地形效应导致山脉西侧雨量丰富，1998-1999季节在贝克山创下了世界最高降雪记录。气候还受到ENSO和PDO海表温度变化的影响。雪的分布主要为海洋性雪（山脉西侧）和山地森林雪（山脉东侧）。降雪季节通常为10月至5月，融雪开始于3月、4月，持续至夏末。
本文使用ESA的Sentinel-1的雷达数据进行了研究。这些卫星在近极太阳同步轨道上运行，每12天获取一次高分辨率SAR图像。研究集中在喀斯喀特山脉的层状火山，特别关注雷尼尔山，因其广泛的海拔范围和最大的年均降雪量。作者还利用ESA的WorldCover土地覆盖产品，以及SNOTEL网络的积雪数据。这些数据为研究雪融径流提供了关键信息，以更好地理解雪融在时间和空间上的演变。
【研究方法】
在这项研究中，作者采用合成孔径雷达（SAR）数据的时间序列堆叠，通过识别每个像素的散射最小值来估算雪融径流的开始日期。考虑了不同相对轨道和极化，有效提高了时间分辨率，生成了8年的雪融径流开始地图。通过与地形和太阳辐射等因素的关系分析，揭示了雪融径流开始日期与海拔高度、坡度等地理特征之间的强烈依赖关系。此外，本文使用SNOTEL站点的积雪水当量数据验证了预估的雪融径流开始时间的准确性。为了实现可扩展和可重复的处理和分析，作者还开发了一套开源工具，适用于处理大规模的RTC SAR数据，以生成大范围的雪融产品。
图1. 使用来自所有相对轨道的Sentinel-1合成孔径雷达图像准备年度雪融径流开始地图的工作流程（此图仅包括VV图）
【研究结果】
研究发现在2015年到2022年间，SNOTEL测得的最大积雪水当量的时间与年度径流开始地图存在良好的一致性，有符号偏移中位数为+1天，中位绝对偏移为10天。这种偏移可能是由于最大积雪水当量和径流开始的实际差异，采样率差异，地方积雪空间变异性等因素造成的。雷尼尔山研究区的结果表明，雪融径流开始日期与海拔高度相关，高海拔地区的径流开始较晚。8年中位数雪融径流开始地图显示，高海拔地区的雪融径流开始日期较晚，且几乎所有层状火山显示出与海拔高度的强烈相关性。对于2015年至2022年的年际变异性，本研究观察到径流开始图案呈辐射对称，2015年的雪融径流开始平均提前了25天，观察到在2015年至2022年间每年的中位数偏移为+4.3天。排除2015年，2016年至2022年每年的中位数偏移为+2.0天。
图2. (a) 雷尼尔山，华盛顿州的晕渲地形图。(b) 昼夜各向异性加热（DAH）指数地图。(c) 2015年至2022年年中位雪融径流开始日地图。(d) 按海拔和DAH分组的中位雪融径流开始日期。(e) 年度雪融径流开始地图。(f) 年度异常地图，通过从年度地图中减去8年中位数来计算。(g) 每个Sentinel-1获取周期内每100米分段的中位VV背散射时间序列。彩色线表示每个海拔段的中位雪融径流开始
图3. (a) 2015年至2022年期间喀斯喀特山脉层状火山的8年中位雪融径流开始地图。(b) 每个站点的中位雪融径流开始与海拔的关系图，阴影显示每个100米海拔段的标准差。注意所有站点的类似径流开始时序滞后率，以及较高纬度站点的较晚径流开始
图4. (a) 年度雪融径流开始地图。(b) 年度异常地图。(c) 横跨不同纬度范围的几个选定站点的径流开始与海拔的关系图。注意2015年所有站点的异常值。(d) 2016年至2022年的聚合线性回归结果显示雪融径流开始似乎随着站点纬度、海拔和DAH的变化而发生变化。负值表示雪融径流开始发生在年初，正值表示雪融径流开始发生在年末
【研究讨论与结论】
结果表明，雷尼尔山研究区存在季节性背散射信号，便于确定雪融径流开始日期。作者更信任估计中差异较小的雪融径流开始时间。高差异可能由雨雪事件、植被、采集几何变化等多因素引起。中位数地图显示较高纬度层状火山雪融径流开始较晚。高度是主要控制因素，对所有站点均适用，但Lassen Peak显示出较弱的控制。径流开始时序滞后率显示在海拔每升高100米，雪融开始中位数推迟4.9天。纬度较高站点不仅雪融日期较晚，而且时序滞后率更高。2015年雪融径流开始提前25天，作者分析认为与2015年的雪灾和早春温暖有关。地形复杂区域显示较低年际变异性，表明在各个海拔高度，雪融开始有一定的一致性。
本文开发了可扩展流程，生成了全相对轨道和极化的Sentinel-1 RTC SAR背散射数据的年度雪融径流开始地图。作者在Cascade Range的层状火山上观察到强烈的海拔和纬度控制。短期趋势显示雪融开始日期的变化，尤其是2015年异常早熔。本文的开源工具使科研人员和操作用户能够快速构建雪融径流开始地图。
来源：复合链生自然灾害
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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