一种区域积雪反照率预测方法、系统及设备

本发明涉及反照率预测，具体涉及一种区域积雪反照率预测方法、系统及设备。

背景技术：

1、积雪是极地地区极其重要的组成部分，能够灵敏地响应区域的气候变化，当冰盖表面雪积累和融化时，地表的积雪反照率会产生剧烈的变化。短波辐射的吸收是极地地区冰雪融化的重大能量来源，其大小取决于入射辐射和表面积雪反照率，因此积雪反照率是影响地表能量收支的关键参数，它决定了积雪的消融速率。

2、研究表明，在过去几十年间南极冰盖部分地区的气温急剧上升，在东南极和南极半岛的冰架上发生了显著的融化。融雪大部分在积雪中重新冻结，而少部分冻结在冰上，这极大改变雪的结构。因为再冻结的冰水会增加雪粒粒径，光在大粒径的颗粒中必须传播更远的距离才能从表面散射，从而增加了地表对光的吸收。除融雪冻结以外，当雪温升高时，小粒径的新雪也会转变为大颗粒的老雪，降低积雪反照率。而积雪反照率降低增加了地表对太阳辐射的吸收，又为雪的融化和重新冻结提供了能量，这是一种正向反馈。但是另一方面，近地表气温上升除了会导致冰川溶解加速以外，还会通过影响温度和大气湿度之间的正指数关系，转换为更大的降水量，而降水的增加可能会提高冰盖表面的积雪反照率。南极地区的积雪反照率很高，而积雪反照率极细微的改变都会导致地表净太阳辐射收支产生很大的变化，进而加剧气候变化。此外在极地地区，不同时间和空间上积雪反照率的分布会有一定的变化，因此，在对南极地区的气候进行模拟运算时需要一个可靠的雪反照率方案。

3、目前多种反照率参数化方案，其物理依据和参数化变量和针对的问题均有所不同。greuell and konzelmann为解释随云量增加而在somars提出与云量相关的反照率参数化；为解释反照率随太阳天顶角的变化dickinson et al将反照率参数化为太阳天顶角的函数。除此之外，许多反照率参数化方案都是基于雪粒大小或由其演变产生的雪温或雪密度等相关变量：brun et al在三个光谱范围内将积雪反照率参数化为粒子有效直径的函数；racmo2.1中基于雪密度进行了反照率参数化方案；clm陆面过程则考虑了太阳天顶角、雪下基质的反照率、气溶胶（黑碳、矿物尘和有机碳）质量浓度、冰雪有效粒径等更为复杂的参数化方案，其模拟效果良好但计算量过大。

4、然而，目前提出的多种反照率参数化方案在模拟南极的地表积雪反照率时并未考虑到存在多层雪层或单一雪层的情况，不能真实的反映地表积雪反照率，导致对该区域积雪反照率的预测存在一定误差。

技术实现思路

1、针对现有技术未考虑到存在多层雪层或单一雪层的情况，不能真实的反映地表积雪反照率的不足，本发明提出一种区域积雪反照率预测方法、系统及设备，通过基于基于陆地过程模型noah-mp对区域积雪深度进行分层，从而对雪层进行雪粒径的演变，可以更加精确的预测积雪存在多层雪层情况或单一雪层的情况下的地表雪反照率，从而解决现有技术存在的问题。

2、一种区域积雪反照率预测方法，包括以下步骤：

3、获取待测区域的积雪深度；

4、根据所述积雪深度对待测区域的积雪进行分层；

5、当所述积雪被分为多个雪层时，分别确定每层雪层的雪反照率，根据每层雪层的雪反照率，获得待测区域的地表雪反照率；其中每层雪层的雪反照率确定过程包括：对雪层进行雪粒径的演变；所述雪粒径的演变包括干雪粒径的演变、湿雪条件下雪粒径的演变和再冻结雪粒径的演变；通过将演变后的干雪粒径、湿雪条件下雪粒径和再冻结雪粒径进行加权平均，确定出该雪层的基础反照率；根据待测区域太阳高度角变化值、云光学厚度和冰雪中吸光碳浓度确定出由太阳高度角变化引起的反照率变化值；通过将该雪层的基础反照率与反照率变化值进行求和，得到该雪层的雪反照率；

6、当所述积雪被分为单一雪层，且单一雪层下为裸冰时，则通过在单一雪层的雪反照率和裸冰反照率之间进行插值获得待测区域的地表雪反照率。

7、进一步地，所述干雪粒径的演变，其过程表示为：

8、，

9、其中，为雪粒径的初始值，、、均为经验参数 t为演变时间， r为雪粒径；

10、所述湿雪条件下雪粒径的演变，其过程表示为：

11、，

12、其中，为液体水含量，单位为kg·m-2； b为液态水晶粒生长常数，其值为；

13、所述再冻结雪粒径的演变，其演变后再冻结雪粒径为1000。

14、进一步地，所述将演变后的干雪粒径、湿雪条件下雪粒径和再冻结雪粒径进行加权平均，表示为：

15、，

16、其中，表示加权平均后的雪粒径；表示演变后的干雪粒径；表示湿雪条件下演变后的雪粒径；表示演变后的再冻结雪粒径， r0为新雪粒径。

17、进一步地，所述雪层的基础反照率的计算过程表示为：

18、。

19、进一步地，所述根据基础反照率和冰雪中吸光碳浓度确定出冰雪反照率，冰雪反照率表示为：

20、，

21、其中，为单位质量雪粒的表面积，表示冰雪中吸光碳浓度。

22、进一步地，所述根据待测区域太阳高度角变化值、云光学厚度和冰雪中吸光碳浓度确定出由太阳高度角变化引起的反照率变化值，表示为：

23、，

24、其中，，为太阳天顶角，为云层光学厚度，表示冰雪反照率；通过基础反照率和冰雪中吸光碳浓度确定出冰雪反照率，冰雪反照率表示为：

25、，

26、其中，为单位质量雪粒的表面积，表示冰雪中吸光碳浓度。

27、进一步地，所述通过将该雪层的基础反照率与反照率变化值进行求和，得到该雪层的雪反照率，表示为：

28、，

29、其中，为第 i层的雪反照率，表示冰雪的宽带反照率，所述冰雪的宽带反照率表示为：

30、

31、进一步地，所述通过获取每层雪层的雪反照率，得到待测区域存在多层雪层情况下的地表雪反照率，表示为：

32、，

33、其中，为最表层的雪反照率，为雪层厚度，为第 i层的雪反照率，为第 i-1层的雪反照率，为第 j层雪层厚度，为第0层雪层厚度。

34、进一步地，所述通过该单一雪层的雪反照率和裸冰反照率之间进行插值获得该区域为裸冰情况下的地表雪反照率，表示为

35、，

36、其中， hs为积雪高度，单位为 m；为裸冰的反照率，其值为0.55。

37、本发明还包括一种区域积雪反照率预测系统，包括：

38、获取模块，用于获取待测区域的积雪深度；

39、分层模块，用于根据所述积雪深度对待测区域的积雪进行分层；

40、地表雪反照率预测模块，用于当所述积雪被分为多个雪层时，分别确定每层雪层的雪反照率，根据每层雪层的雪反照率，获得待测区域的地表雪反照率；其中每层雪层的雪反照率确定过程包括：对雪层进行雪粒径的演变；所述雪粒径的演变包括干雪粒径的演变、湿雪条件下雪粒径的演变和再冻结雪粒径的演变；通过将演变后的干雪粒径、湿雪条件下雪粒径和再冻结雪粒径进行加权平均，确定出该雪层的基础反照率；根据待测区域太阳高度角变化值、云光学厚度和冰雪中吸光碳浓度确定出由太阳高度角变化引起的反照率变化值；通过将该雪层的基础反照率与反照率变化值进行求和，得到该雪层的雪反照率；当所述积雪被分为单一雪层，且单一雪层下为裸冰时，则通过在该单一雪层的雪反照率和裸冰反照率之间进行插值获得待测区域的地表雪反照率。

41、本发明还包括一种区域积雪反照率预测计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现区域积雪反照率预测方法的步骤。

42、本发明提供了一种区域积雪反照率预测方法、系统及设备，具备以下有益效果：

43、本发明通过对区域积雪进行分层，从而对雪层进行雪粒径的演变，根据演变后的雪粒径可以更加精确的计算出积雪存在多层雪层情况下的地表雪反照率；通过根据待测区域太阳高度角变化值、云光学厚度和冰雪中吸光碳浓度确定出由太阳高度角变化引起的反照率变化值；考虑了太阳高度角变化值、云光学厚度、冰雪中吸光碳浓度对雪反照的影响，从中可以获取由天气气候变化或是人为活动产生的黑碳对反照率的影响，同时考虑该区域存在单一层下为裸冰情况的地表雪反照率，通过考虑区域多层雪层和单一雪层的情况，可以更加真实的反映地表雪反照率，从而提高对区域积雪反照率的预测精度。