Atmospheric water vapor from GNSS and InSAR. GNSS ZTD validation and InSAR APS calibration procedures and preliminary results

Global Navigation Satellite Systems (GNSS), which include the U.S. Global Positioning System (GPS), although primarily developed for positioning, are now widely used for civilian purposes, including high-accuracy scientific applications such as metereological studies and crustal deformation or plate tectonics monitoring. The improvement in the GNSS positioning precision has been achieved also thanks to a better and better modeling of the atmosphere-induced signal propagation delays. Because of the unusually large latent heat associated with water’s change of phase, the distribution of water vapor is intimately coupled with the vertical stability of the atmosphere and with the structure and evolution of atmospheric storm systems. The advection of water vapor and its latent heat by the general circulation of the atmosphere is an important component of the Earth’s energy balance. In addition, water vapor plays a critical role in many chemical reactions that occur in the atmosphere and contributes more than any other component of the atmosphere to the greenhouse effect. Water-vapor caused delay on GNSS radio signal is parametrized in terms of a time-varying quantity, the zenith total delay (ZTD), which models the delay of a signal received along the vertical direction above the GNSS ground station; the ZTD linearly depends on the delays caused on all the signals collected by the station coming along their slant path from the satellites simultaneously in view (i.e. the slant total delays or STDs), and can be estimated in the general adjustment of GNSS observations. Besides, maps of atmospheric differential delays along the line of sight of the Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite, the so called Atmospheric Phase Screens or APS, are estimated in the elaboration of the Interferometric SAR (InSAR) data. The thesis presents part of the work done by the Geomatics and Earth Observation (GEOlab) group of Politecnico di Milano, who works on GNSS meteorology, within the SINERGY (Synthetic aperture Instrument for Novel Earth Remote-sensed MetereoloGy and IdrologY) project, funded by the Italian Space Agency (ASI). The project explores the potentiality of GNSS tropospheric delays in improving the description of tropospheric water vapor distribution. GNSS delays are used to calibrate InSAR APS maps, which contain not only tropospheric delays, but also ionospheric effects and residual errors due to the imprecise knowledge of satellites’ orbits. ZTDs derived from the data collected by a number of permanent stations in northen Italy are coupled with post fitting residuals to derive STDs time series. Both ZTDs and STDs are then validated against independent ZTDs derived from radiosondes and water vapor radiometers observations. Finally, those delays are used to calibrate APS maps and to make them ready to be assimilated into Numerical Weather Prediction (NWP) models. This thesis is organized mainly in two parts: the first includes three chapters which introduce basic information about atmosphere characteristics, GNSS and SAR principles, while the second part consists in the description of the ZTDs estimate, STDs retrieval, their validation and the InSAR APS calibration.

I sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS), che includono il sistema di posizionamento globale GPS, anche se sviluppati principalmente per il posizionamento, sono ora ampiamente utilizzati per scopi civili, tra cui applicazioni scientifiche di alta precisione, quali studi sulla meteorologia, sulla deformazione della crosta terrestre o sul monitoraggio della tettonica a placche. Il miglioramento nella precisione di posizionamento del GNSS è stato ottenuto anche grazie a una sempre migliore modellazione dei ritardi di propagazione del segnale indotti dall’atmosfera. A causa del calore latente insolitamente elevato, associato al cambiamento di fase dell’acqua, la distribuzione del vapore acqueo è strettamente legata alla stabilità verticale dell’atmosfera, alla struttura e all’evoluzione dei sistemi temporaleschi atmosferici. Lo spostamento di vapore acqueo e del suo calore latente, tramite la circolazione generale dell’atmosfera, è una componente importante nel bilancio energetico della Terra. Inoltre, il vapore acqueo svolge un ruolo fondamentale in molte reazioni chimiche che si verificano nell’atmosfera ed è il componente atmosferico che più contribuisce all’effetto serra. Il ritardo causato dal vapore acqueo sul segnale GNSS è parametrizzato in termini di una quantità variabile nel tempo, ovvero il cosiddetto ritardo totale zenitale (ZTD), che modella il ritardo che agisce su un segnale ricevuto lungo la direzione verticale sopra la stazione GNSS; lo ZTD dipende linearmente dai ritardi causati su tutti i segnali raccolti dalla stazione, provenienti lungo la loro direzione slant dai satelliti simultaneamente in vista (ovvero i ritardi totali slant o STDs), e può essere stimato nel sistema di osservazioni GNSS. Inoltre, le mappe dei ritardi differenziali atmosferici lungo la linea di vista del satellite ad apertura sintetica (SAR), i cosiddetti Atmospheric Phase Screens o APS, sono stimate nell’elaborazione dei dati SAR (Interferometric SAR). La tesi presenta parte del lavoro svolto dal gruppo Geomatics and Earth Observation (GEOlab) del Politecnico di Milano, che lavora sulla meteorologia GNSS, all’interno del progetto SINERGY (Synthetic Aperture Instrument for Novel Earth Remote-sensed MetereoloGy and IdrologY), finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Il progetto esplora la potenzialità dei ritardi troposferici del GNSS nel migliorare la descrizione della distribuzione del vapore acqueo troposferico. I ritardi GNSS vengono utilizzati per calibrare le mappe APS da InSAR, che contengono non solo ritardi troposferici, ma anche effetti ionosferici ed errori residui dovuti all’imprecisa conoscenza delle orbite dei satelliti. Gli ZTD derivati dai dati raccolti da un certo numero di stazioni permanenti nel Nord Italia sono accoppiati con i residui stimati dai minimi quadrati per derivare le serie temporali dei ritardi slant. Entrambi gli ZTD e gli STD sono quindi validati con ZTD indipendenti, derivati da osservazioni di radiosondaggi e da radiometri. Infine questi ritardi vengono utilizzati per calibrare le mappe APS e renderle adatte ad essere assimilate nei modelli di previsione numerica (NWP). Questa tesi è organizzata principalmente in due parti: la prima comprende tre capitoli che introducono le informazioni di base sulle caratteristiche dell’atmosfera, i principi del GNSS e del SAR, mentre la seconda parte consiste nella descrizione della stima degli ZTD, il calcolo degli STD, la loro validazione e la calibrazione degli APS InSAR.