积雪监测的主要内容,是衡量降雪程度的重要物理参数。卫星观测技术可以提供持续长时间、大范围积雪监测数据,克服了传统积雪实测方法中站点少的局限。利用光学遥感传感器主要进行积雪面积、积雪反射率等的遥感监测,但是不能有效地估算积雪深度、雪水当量等参数。由于微波可以穿透云层和积雪层,并且可以探测到积雪下覆地表的信息,同时具有全天候、大范围监测积雪的特点。因此,微波遥感成为反演积雪深度和雪水当量的有效方式。
微波的波长一般在0.1~100厘米(300赫兹至0.3吉赫)范围内。根据瑞利散射理论,散射波强度与其波长的4次方成反比,水粒子组成的云、雾以及沙尘形成的气溶胶等的波长一般比微波的小,所以微波可以穿透云、雾、沙尘等组成的气溶胶层。此外,大气对微波的散射、吸收作用也较小。一般情况下,大气对微波的影响忽略不计,因此,微波在通过大气时具有较高的透射率。常用的星载卫星/微波(被动式)传感器有Nimbus-7/SMMR、DMSP/SSMIS、Aqua/AMSR-E、GCOM-W1/AMSR2以及FY-3/MWRI等。
学者研究发现利用积雪对不同频率的敏感性不同可以较好地探测地表积雪雪深。积雪粒径的向上辐射能量对积雪深度、积雪粒径和积雪密度等具有较高的敏感性。具体为,假设积雪粒径为0.3毫米,积雪密度为0.3克/厘米3,采用辐射传输模型模拟结果与地面站点观测数据做线性回归分析,最终得到积雪深度与18吉赫和37吉赫水平极化亮温差之间的线性关系式:
式中为积雪深度,单位为厘米;
和
分别为SMMR传感器中18吉赫和37吉赫水平极化亮温,单位为摄氏度。此研究结果为后来的应用微波遥感监测积雪深度提供了理论基础。