基于低頻微波的穿透特性發(fā)展新的主被動低頻微波探測技術是冰蓋探測的前沿技術和方向。其中，探冰雷達主要提供內(nèi)部結構信息，低頻超寬帶微波輻射計具有獲取內(nèi)部溫度和狀態(tài)信息的潛力。探測冰蓋內(nèi)部溫度廓線的方法主要受到冰蓋內(nèi)部分層結構、積雪層密度波動特征等因素的影響，克服積雪層密度波動特征的干擾是反演冰蓋內(nèi)部溫度廓線時所面臨的主要挑戰(zhàn);而目前尚未有研究提出利用遙感探測手段對冰蓋積雪層密度波動特征進行有效估計的方法。此外，輻射亮溫對冰蓋內(nèi)部溫度的約束能力會隨深度增加而減弱，深層冰蓋溫度的反演精度也將受到很大限制。
為進一步提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的探測能力，中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術重點實驗室董曉龍研究員、白東錦博士生、朱迪研究員提出一種冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的主被動微波聯(lián)合遙感探測方法，并獲得國家發(fā)明專利授權。該項技術綜合考慮主被動探測通道提供的冰蓋內(nèi)部物理性質(zhì)分布與冰蓋內(nèi)部結構和反射特征的約束信息，將是實現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征有效探測的新的技術發(fā)展方向。
近期，白東錦、董曉龍、朱迪等人在中國科學院科研儀器設備研制項目“空基主被動冰川探測儀”、國家重點研發(fā)計劃“高分辨率極區(qū)冰凍圈主被動微波探測技術”等項目的持續(xù)支持下，同國外合作者聯(lián)合研究冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線的主被動微波聯(lián)合遙感探測方法取得重要成果，并利用現(xiàn)有主被動遙感觀測數(shù)據(jù)條件下應用到實際冰蓋區(qū)域進行了有效性驗證。
研究人員首次基于物理散射算子架構建立了能夠全面考慮分層冰蓋媒質(zhì)中非相干散射作用和層間相干作用的分層媒質(zhì)綜合輻射與散射前向模型，并提出了利用UHF和VHF波段探冰雷達回波剖面測量估計冰蓋積雪層密度波動特征的方法。在此基礎上，利用發(fā)展的積雪層輻射修正模型對輻射亮溫中積雪層作用的影響進行了有效估計和修正。進而，聯(lián)合探冰雷達回波剖面測量估計的冰體介電吸收衰減與P-L波段寬帶輻射亮溫觀測提供的互補約束信息，研究人員基于貝葉斯估計架構提出了冰蓋內(nèi)部溫度廓線的主被動聯(lián)合反演算法，并基于機載主被動遙感探測數(shù)據(jù)，對格陵蘭冰蓋測線上的內(nèi)部溫度廓線和積雪層密度隨機波動特征進行了反演和驗證。
研究結果表明，利用主被動聯(lián)合遙感探測方法能夠顯著提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征的探測能力。在與實際冰芯測量的比較中看到，根據(jù)探冰雷達回波剖面估計的密度波動標準差分布是對冰芯測量的密度波動隨深度變化特征的有效描述。密度波動參數(shù)的估計結果能夠用于修正冰蓋輻射前向模擬，降低積雪層密度波動特征引入的不確定度。此外，相比于單獨利用被動輻射探測通道反演冰蓋溫度廓線的方式，聯(lián)合探冰雷達回波衰減特征與寬帶輻射亮溫觀測能夠顯著提高深層冰蓋溫度的反演精度，實現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度廓線的有效約束。這將為未來冰蓋主被動聯(lián)合遙感探測的研究和發(fā)展打下重要基礎。
(a) B29冰芯區(qū)域密度估計與測量值比較
(b) GRIP區(qū)域輻射亮溫中積雪層作用的修正
圖1：格陵蘭冰蓋積雪層密度波動特征估計及輻射亮溫修正結果
(a) 分析區(qū)域測線 (b) 冰蓋溫度廓線反演 (c) 鉆孔區(qū)域溫度反演結果比較
圖2：冰蓋內(nèi)部溫度廓線反演分析區(qū)域及反演結果
在前期關于關于利用探冰雷達回波剖面約束的積雪層密度波動特征提高輻射前向模型對冰蓋實測亮溫模擬能力的研究成果(IGARSS 2020和IGARSS 2022)的基礎上，關于分層媒質(zhì)綜合輻射模型的研究成果已被IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 接收。
