积雪作为冰冻圈的重要组成部分,对地面有保温作用,在消融时又吸收热量降低地面温度,影响冻土发育,对气候的变化十分敏感。利用微波遥感数据1979-2014年逐日中国雪深长时间序列数据集,采用GIS空间分析和地学统计方法,分析了东北冻土区积雪深度的时空变化规律及其异常变化。结果表明,东北冻土区多年平均雪深为2.92 cm,年平均雪深最高值出现在岛状多年冻土区,最低值出现在季节冻土区。东北冻土区年平均积雪深度变化以减少为主,占区域面积的39.77%,减少速率为0.07 cm·（10a）-1。东北冻土区年平均积雪深度在1986年发生突变,开始出现减少的趋势,这与气温突变年份较为吻合。受地形和气温变化影响,年平均积雪深度减少的敏感区域主要发生在岛状多年冻土区。气温是影响东北冻土区年平均积雪深度变化最主要的因素,降水量、风速、湿度、日照时数对积雪深度均有影响。季节冻土区积雪深度对气候的敏感性要大于多年冻土区。

积雪的变化对冻土区产生着重要的影响,在一定条件下积雪会对地表起到增温作用,在融化时又会对地面起冷却作用.本文利用基于逐日被动微波亮温数据所制作的积雪深度数据,对我国最北端黑龙江省冻土区进行积雪深度的时空变化规律分析.结果表明,黑龙江省冻土区在这一时间段内积雪深度呈轻微下降的趋势.其中多年冻土区积雪深度呈下降趋势,季节冻土区呈增加的状态.积雪深度在空间上呈现北高南低,平原低,山地高的分布状态.区域内积雪深度变化主要以减少为主,占黑龙江省冻土区面积的44.33%,主要集中在多年冻土区.呈增加状态的区域占冻土区面积的37.08%,主要集中在季节冻土区.

多年冻土和季节冻土分别占北半球裸露地表的24%和55%。近地表土壤冻融的范围、冻结起始日期、持续时间及冻融深度对寒季/寒区植物生长、大气与土壤间能量、水分及温室气体交换都具有极其重要的影响。自20世纪70年代以来,应用卫星遥感结合地面观测资料研究局地到区域尺度的季节冻土和多年冻土已取得诸多成果,而遥感在冻土研究中的最直接应用是利用微波探测近地表土壤冻融状态。相对于主动SAR,星载被动微波传感器具有多通道观测且重访周期较高,空间分辨率很低的特点。重点评述了近几十年来被动微波辐射计在冻土研究中的算法发展及其应用前景,主要包括双指标算法、时间序列变化检测算法及判别树算法3类,其核心均是基于冻土的低温特征和"体散射变暗"效应。发展可靠实用的微波遥感土壤冻融状态判别算法,提供区域和全球尺度上的土壤冻融状态信息,对水文学、气象学以及农业科学、工程地质研究与应用都具有重要意义。

为了有效地对较大范围内青藏高原冻土形变进行研究,改进了永久散射体方法,并将其应用于青藏铁路北麓河段的冻土形变研究。通过与实测数据的对比发现,本文所计算出来的北麓河段冻土路基的形变在趋势上是正确的,说明采用永久散射体方法对高原冻土的形变进行研究是具有很大潜力的。

以考虑了土壤冻融过程的一维水-热-盐分耦合模型SHAW为冻土活动层数据同化系统的动力学约束框架,通过集合卡尔曼滤波算法同化土壤水分和温度的站点观测数据以及被动微波辐射计SSM/I19GHz亮温观测数据,以改善冻土活动层水热状态变量的估计精度,实现模型模拟和观测信息的融合.冬季活动层冻结,同化的关键变量为土壤温度;而夏季同化的关键变量为土壤水分.通过单点同化试验表明,该同化系统能显著改善土壤表层水分和温度的估计精度;同时,在同化过程中给定合理的模型误差协方差项,可将表层优化后的信息迅速传递给深层土壤,达到改善整个土壤廓线状态变量估计的目的.同化结果表明,相对于SHAW模拟结果,同化4cm土壤温度观测后,各层土壤温度RMSE平均减小0.96℃,而同化4cm土壤水分观测数据后,各层土壤水分RMSE平均减小0.020m3·m?3;同化SSM/I19GHz亮温后,各层土壤温度RMSE平均减小0.76℃,各层土壤水分RMSE平均减小0.018m3·m?3.