哨兵1号的对流层湿延迟变化提取与分析_郭秋英.pdf

第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11，No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.，2023 引文格式：郭秋英,黄守凯,李德伟,等.哨兵 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析J.导航定位学报,2023,11(2):203-210.（GUO Qiuying,HUANG Shoukai,LI Dewei,et al.Tropospheric zenith wet delay variation extraction and analysis by Sentinel-1J.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(2):203-210.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230224.哨兵 1 1 号的对流层湿延迟变化提取与分析 郭秋英1，黄守凯1,3，李德伟1，赵 耀1，张立国2，张海平2，李国伟2（1.山东建筑大学 测绘地理信息学院，济南 250101；2.山东省国土测绘院，济南 250102；3.中国测绘科学研究院 北京房山人卫激光国家野外科学观测研究站，北京 100036）摘要：为了进一步提高大气水汽反演的精度和可靠性，提出一种利用星载干涉合成孔径雷达（InSAR）提取对流层天顶湿延迟（ZWD，简称对流层湿延迟）的方法：以 2020 年 1 月至 2020 年 3 月覆盖济南及周边地区的哨兵 1 号卫星（Sentinel-1）数据为基础，采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代全球气候的大气再分析资料（ERA5）计算对流层干延迟分量；再利用双线性插值方法统一干延迟分量与 Sentinel-1 的分辨率；然后通过差分数据处理实现 InSAR干涉图相位中对流层湿延迟分量的提取。实验结果表明，Sentinel-1 数据可以在较高的空间分辨率内有效提取对流层湿延迟；InSAR 技术与北斗卫星导航系统（BDS）技术探测的天顶方向对流层湿延迟变化趋势一致，且对流层湿延迟含量逐渐升高；2 种探测手段的对流层湿延迟结果平均偏差为 4.459.03 mm，最小偏差可达 0.3 mm，二者相关系数为 0.79。利用 InSAR 技术结合 Sentinel-1 等数据可以提取高精度、空间连续对流层湿延迟，可为大范围、空间连续的大气水汽反演提供数据支撑。关键词：星载干涉合成孔径雷达（InSAR）；哨兵 1 号；对流层湿延迟（ZWD）；北斗卫星导航系统（BDS）；气象再分析资料 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)02-0203-08 Tropospheric zenith wet delay variation extraction and analysis by Sentinel-1 1 GUO Qiuying1,HUANG Shoukai1,3,LI Dewei1,ZHAO Yao1,ZHANG Liguo2,ZHANG Haiping2,LI Guowei2（1.School of Surveying and Geo-informatics,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping,Jinan 250102,China;3.Beijing Fangshan Satellite Laser Ranging National Observation and Research Station,Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100036,China）Abstract：In order to further improve the the accuracy and reliability of precipitable water vapor inversion,the paper proposed an extraction method of tropospheric zenith wet delay(ZWD)by using spaceborne interferomtric synthetic aperture radar(InSAR):based on the Sentinel-1 satellite data in the Jinan and surrounding areas from 2020-01 to 2020-03,the fifth major global reanalysis(ERA5)of the European Center for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF)was used to calculate the tropospheric dry delay component;and bilinear interpolation methods was used to unify the resolution of the tropospheric dry delay component with Sentinel-1;then the extraction of tropospheric wet delay component in InSAR interferogram phase was realized by differential data processing.Experimental result showed that Sentinel-1 data could effectively extract 收稿日期：2022-03-21 基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2021QD155，ZR2020QD049，ZR2017MD029，ZR202103020231）；大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目（SKLGD2021-5-5）。第一作者简介：郭秋英（1970），女，山东金乡人，博士，教授，研究方向为 GNSS 精密定位数据处理、北斗/GNSS 气象学。通信作者简介：黄守凯（1998），男，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向为北斗/GNSS 气象学、GNSS/遥感/InSAR 数据融合与数据处理等。204 导航定位学报 2023 年 4 月 tropospheric zenith wet delays at higher spatial resolution,the variation trend of the tropospheric wet delay in the zenith direction detected by InSAR technology could be consistent with that by Beidou navigation satellite system(BDS)technology,and the content of tropospheric wet delay would increase gradually;moreover,the average deviation of the two detection methods of tropospheric zenith wet delay would be 4.459.03 mm,the minimum deviation 0.3 mm,and the correlation coefficients of them 0.79.In general,InSAR technology combined with Sentinel-1 data could help extract high precision,spatially continuous tropospheric zenith wet delay,and provide data support for large-scale,spatially continuous precipitable water vapor inversion.Keywords:spaceborne interferomtric synthetic aperture radar(InSAR);Sentinel-1;tropospheric zenith wet delay(ZWD);BeiDou navigation satellite system(BDS);atmospheric reanalysis 0 引言 对流层天顶湿延迟（zenith wet delay，ZWD），简 称 对 流 层 湿 延 迟，是 反 演 大 气 可 降 水 量（precipitable water vapor，PWV）的重要参数，其受对流层水汽变化的影响，难以用具体的经验模型描述；因此进行对流层湿延迟提取与分析是对流层水汽变化研究的关键问题1。并且掌握与水汽相关的对流层湿延迟变化，对气象信息预报与预警、灾害天气防范等领域具有重要意义2-3。无线电探空技术可以获取大气中湿度、温度等气象要素，能够以较高的垂直分辨率获取高精度的 PWV，但无线电探空站分布稀疏，每天只释放2 次，时空分辨率较低，难以对中小尺度水汽变化进 行 有 效 监 测。全 球 卫 星 导 航 系 统（global navigation satellite system，GNSS）通过接收卫星信号反演 PWV，能够全天候、高精度探测大气水汽信息，但地面 GNSS 测站分布稀疏，难以探测小区域内大气水汽的变化4。水汽辐射计接收微波信号计算 PWV，时间分辨率较高，但在有云层遮挡和雨雪等恶劣天气条件下观测会产生明显的观测误差。光学气象卫星通过卫星传感器上的近红外水蒸气通道，例如中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MORIS）能够以较高的空间分辨率获取 PWV，但只能获取白天的水汽信息，在云层遮挡条件下观测精度降低5。星 载 干 涉 合 成 孔 径 雷 达（interferomtric synthetic aperture radar，InSAR）测量方法具有高精度、高空间分辨率、全天时、不受云层遮挡和雨雪等气象条件影响等优点，在地表形变监测、灾害探测等领域取得了广泛应用6-7。尤其 2014 年以来，哨兵 1 号（Sentinel-1）卫星采取开放的数据分发策略，为探测大气水汽和气象学的研究提供重要支持8。Sentinel-1 宽幅工作模式下测绘带宽可达 250 km，空间分辨率 5 m20 m，重访周期为6 d，在特定区域，不同轨道的卫星重访周期可缩短为 1 d。雷达信号穿过对流层时，信号发生了折射，产生对流层延迟。对流层延迟分为对流层湿延迟和对流层天顶干延迟（zenith hydrostatic delay，ZHD）（简称对流层干延迟）。ZWD 通过水汽转换系数转换为PWV，由于InSAR干涉图是2幅InSAR影像对应像素干涉相位相减的结果，因此 InSAR提取的 ZWD 是相对值9。目前，国内外学者针对 InSAR 干涉图中对流层延迟相位进行校正，获取高精度的地表信息以及地表形变信息等方面进行了大量研究10-11。然而，将对流层延迟相位看作“信号”进行 PWV的反演，从而开展 InSAR 气象学研究的工作相对不足。文献12提出 InSAR 气象学的概念，初步研究了InSAR 反演大气水汽的方法，为 InSAR 气象学推广 奠 定 了 基 础。文 献 13利 用 欧 洲 环 境 卫 星（European environmental satellite，Envisat）提供的 8 景 InSAR 数据提取对流层延迟，减去从气象再分析资料