基于全球气象再分析资料的InSAR对流层延迟改正研究

气压、温度和水汽含量等大气物理参数的时空变化导致的对流层延迟是制约合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)高精度应用的重要因素之一.最新研究显示气象再分析资料在补偿对流层延迟影响方面具有巨大的应用潜力,这促使我们对其有效性和鲁棒性做进一步的研究和探索.本文首先推导了利用气象再分析资料对InSAR进行对流层延迟校正的算法;然后以美国南加州地区的ENVISAT ASAR数据为例,分析了基于两种气象再分析资料(ERA-Interim和North American Regional Reanalysis,NARR)校正InSAR对流层延迟改正的效果;通过与MERIS水汽延迟改正结果比较,验证了该方法的有效性.实验结果表明:(1)不能简单忽略干延迟,可通过气象再分析资料进行有效估计;(2)通过与MERIS水汽产品获得的对流层延迟比较发现,气象再分析资料能够取得接近于MERIS的改善效果;(3)对ERA-Interim和NARR两种气象再分析资料而言,虽然后者具有更高的时间和空间分辨率,但在改正InSAR对流层延迟方面并没有表现出比前者更明显的优势;(4)气象再分析资料可以很好地估计与地形强相关的垂直分层延迟,但对于小尺度的湍流混合延迟的捕捉能力有限.综合分析认为,气象再分析资料的优势在于其数据可随时获得、免费和全球覆盖,它可以显著减弱大尺度的垂直分层延迟对干涉图相位的影响,从而有助于InSAR获取更真实可靠的地形高程和地表形变信息.

气象再分析资料在复杂山地风电场测风塔数据的插补应用

在四川盆周山地,风电场测风仪器因覆冰天气等因素导致失灵的现象时有发生。针对测风塔测风数据因覆冰天气等出现缺测的现象,使用高分辨率的气象再分析资料,对比了等权平均法、加权平均法、最优临近格点法、双线性插值法、反距离权重法以及神经网络(ANN)插值法对测风塔冬季结冰异常数据进行插补的效果。结果表明:神经网络(ANN)插值法的插补效果最优,双线性插值法与最优临近格点法效果差别较小,加权平均法则要优于等权平均法;通过对插补前后平均风速和威布尔分布的检验,发现神经网络(ANN)插值法具有较好的稳定性。

基于卫星遥感和气象再分析资料的北京市PM2.5浓度反演研究

为获取城市尺度空间连续准确的PM_(2.5)浓度,该文以北京市为研究区,充分考虑气溶胶光学厚度和气象因素的影响,利用2017年MODIS 3km AOD产品和ECMWF-ERA5气象再分析资料,结合空气质量监测站点的PM_(2.5)数据,分别基于随机森林、多元线性回归、支持向量机和神经网络方法反演近地面的PM_(2.5)浓度,结果表明:随机森林的反演精度最高、效果最好,其平均绝对误差(MAE)为12.08μg/m^3、均方根误差(RMSE)为18.42μg/m^3;对自变量进行重要性分析,气溶胶光学厚度对PM_(2.5)反演模型的影响最大,其次为相对湿度、边界层高度和2m气温。利用随机森林模型反演非采暖期(4-11月)的PM_(2.5)浓度,并进行时空分析,结果表明:PM_(2.5)月均浓度差异显著;空间分布呈现出中部、南部和东部较高,北部、东北部和西南部较低的特点;变化幅度呈现出中部和南部较大,西北部和西南部较小的分布特点。

基于实测气象参数的InSAR大气校正及其应用研究

针对传统InSAR技术在监测地表形变时受对流层延迟影响的问题,利用地面实测气象参数和NCEP气象再分析资料建立大气校正模型,对生成的鄞州区干涉图进行对流层延迟校正,获取鄞州区2018~2020年高精度地表形变分布。为分析不同大气校正模型对对流层延迟效应的削弱效果,将监测结果与同期实测水准数据作对比。结果发现,地面气象信息模型、NCEP气象再分析资料模型和未加大气校正的InSAR监测结果的均方根误差RMSE分别为2.78 mm、3.86 mm、5.62 mm,表明利用地面气象信息模型校正大气相位误差具有更高的监测精度,能有效削弱对流层延迟对干涉测量结果的影响。

哨兵1号的对流层湿延迟变化提取与分析

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4.45~9.03 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。