Application d'un modèle météorologique à haute résolution à la correction troposphérique d'observations interférométriques de radar à synthèse d'ouverture (InSAR) dans la région de l'ouest du golfe de Corinthe, Grèce

Application of a high-resolution weather model in the area of the western Gulf of Corinth for the tropospheric correction of interferometric synthetic aperture radar (InSAR) observations

• Auteur / Autrice : Nikolaos Roukounakis
• Direction : Pierre Briole, Athanassios Argiriou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/10/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Panepistīmio Patrṓn
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie - Laboratoire de géologie de l'ENS
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Jacquemoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Briole, Athanassios Argiriou, Stéphane Jacquemoud, Konstantinos Katsampalos, Laurent Morel, Cécile Doubre, François Lott
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Konstantinos Katsampalos, Laurent Morel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Modèles météorologiques à haute résolution

WRF

Météorologie GNSS

Correction troposphérique des interférogrammes InSAR

High-resolution numerical weather modeling

WRF

GNSS meteorology

InSAR tropospheric correction

Résumé

La Géodésie spatiale, par interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) et Global Navigation Satellite System (GNSS), permet de cartographier les déformations tectoniques de la Terre. Les vitesses inter-sismiques, sont petites, de l’ordre de quelques mm an⁻¹. Pour atteindre une précision de positionnement relatif millimétrique, surtout dans la composante verticale, les délais troposphériques affectant les signaux GNSS et InSAR doivent être parfaitement corrigés. Pour le GNSS, les délais troposphériques peuvent être évalués précisément grâce à la géométrie d’observation et à la redondance des données. La précision est telle que ces délais sont désormais assimilés en routine dans les modèles météorologiques. La correction des interférogrammes est plus complexe parce que les données InSAR ne contiennent pas d’information permettant de remonter explicitement aux délais troposphériques. Au premier ordre, il est possible de calculer la part de l’interférogramme corrélée avec la topographie et de la corriger. Mais cette correction n’éliminer pas les hétérogénéités de courte longueurs d'onde ni les gradients régionaux. Pour cela il faut utiliser d’autres méthodes qui peuvent être basées sur l’utilisation des délais zénithaux GNSS disponibles dans la région ou sur des modèles météorologiques à haute résolution, ou sur une combinaison des deux. Les délais zénithaux GNSS présentent l’intérêt de leur exactitude et de leur précision maîtrisée, mais dans la plupart des régions, ils ne sont disponibles, au mieux, qu’à quelques dizaines de points dans une image typique de 100 x 100 km. À l’opposé les modèles troposphériques à haute résolution apportent une vision matricielle globale, cependant leur précision est difficile à évaluer, surtout en zone de montagne. Dans ma thèse, je calcule, sur la partie ouest du golfe de Corinthe, et pour l’année 2016, des modèles météorologiques à la résolution de 1 km, à l’aide du modèle américain WRF (Weather Research and Forecasting). Je compare les délais zénithaux prédits par le modèle avec ceux observés à dix-neuf stations GNSS permanentes. Ces données GNSS me permettent de choisir, parmi cinque jeux différents de paramètres de calcul WRF, celui qui aboutit au meilleur accord entre les délais GNSS et ceux issus de mes modèles. Je compare ensuite les séries temporelles GNSS de l’année 2016 aux sorties de modèles aux dix-neuf pixels correspondants. J’utilise enfin les sorties de mes modèles pour corriger les interférogrammes Sentinel-1 produits dans la zone d’étude avec des intervalles d’acquisition de 6, 12, 18 et 24 jours pour lesquels la cohérence des interférogramme demeure généralement élevée. Je montre qu’un modèle météorologique à haute résolution, ajusté à l'échelle locale à l’aide de données GNSS disponibles, permet une correction troposphérique des interférogrammes qui élimine une partie significative des effets de courte longueur d’onde, jusqu’à 5 km environ, donc plus courte que la longueur d’onde typique du relief.

Space geodesy techniques (SAR interferometry and GNSS) have recently emerged as an important tool for mapping regional surface deformations due to tectonic movements. A limiting factor to this technique is the effect of the troposphere, as horizontal and vertical surface velocities are of the order of a few mm yr⁻¹, and high accuracy (to mm level) is essential. The troposphere introduces a path delay in the microwave signal, which, in the case of GNSS Precise Point Positioning (PPP), can nowadays be successfully removed with the use of specialized mapping functions. Moreover, tropospheric stratification and short wavelength spatial turbulences produce an additive noise to the low amplitude ground deformations calculated by the (multitemporal) InSAR methodology. InSAR atmospheric phase delay corrections are much more challenging, as opposed to GNSS PPP, due to the single pass geometry and the gridded nature of the acquired data. Several methods have been proposed, including Global Navigation Satellite System (GNSS) zenithal delay estimations, satellite multispectral imagery analysis, and empirical phase/topography estimations. These methods have their limitations, as they rely either on local data assimilation, which is rarely available, or on empirical estimations which are difficult in situations where deformation and topography are correlated. Thus, the precise knowledge of the tropospheric parameters along the propagation medium is extremely useful for the estimation and minimization of atmospheric phase delay, so that the remaining signal represents the deformation mostly due to tectonic or other geophysical processes. In this context, the current PhD Thesis aims to investigate the extent to which a high-resolution weather model, such as WRF, can produce detailed tropospheric delay maps of the required accuracy, by coupling its output (in terms of Zenith Total Delay or ZTD) with the vertical delay component in GNSS measurements. The model initially is operated with varying parameterization in order to demonstrate the best possible configuration for our study, with GNSS measurements providing a benchmark of real atmospheric conditions. In the next phase, the two datasets (predicted and observed) are compared and statistically evaluated for a period of one year, in order to investigate the extent to which meteorological parameters that affect ZTD, can be simulated accurately by the model under different weather conditions. Finally, a novel methodology is tested, in which ZTD maps produced from WRF and validated with GNSS measurements in the first phase of the experiment are used as a correction method to eliminate the tropospheric effect from selected InSAR interferograms. Results show that a high-resolution weather model which is fine-tuned at the local scale can provide a valuable tool for the tropospheric correction of InSAR remote sensing data.