[논문 리뷰] Tropospheric ozone columns and ozone profiles for Kiev in 2007

А. В. Шаврина, Ya. V. Pavlenko외 9명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 05.

Atmospheric Ozone and Climate참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2007년 3월~10월 동안 우크라이나 키이우에서 지상 기반 FTIR 측정을 통해 대류권 오존 총량과 프로파일을 제시한다. 이는 위성(Aqua-AIRS, Aura-MLS) 및 지표면 오존 데이터를 입력으로 사용한 MODTRAN4 복사열전달 모델링을 포함한다. FTIR로 유도된 총 오존 총량은 OMI-DOAS(편향: −8에서 −10 DU, 표준 오차 약 2%) 및 OMI-TOMS(표준 오차 0.68%)와 양호한 일치를 보이며, 지역 오존 모니터링을 위한 방법의 타당성을 검증하고 대류권 내 일일 광화학 반응 및 혼합 과정 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report on ground-based FTIR observations being performed within the framework of the ESA-NIVR-KNMI project 2907 entitled "OMI validation by ground based remote sensing: ozone columns and atmospheric profiles" for the purpose of OMI data validation. FTIR observations were performed during the time frames August-October 2005, June-October 2006 and March-October 2007, mostly under cloud free and clear sky conditions and in some days from early morning to sunset covering the full range of solar zenith angles possible. Ozone column and ozone profile data were obtained for the year 2005 using spectral modeling of the ozone spectral band profile near 9.6 microns with the MODTRAN3 band model based on the HITRAN-96 molecular absorption database. The total ozone column values retrieved from FTIR observations are biased low with respect to OMI-DOAS data by 8-10 DU on average, where they have a relatively small standard error of about 2%. FTIR observations for the year 2006 were simulated by MODTRAN4 modeling. For the retrieval of ozone column estimates and particularly ozone profiles from our FTIR observations, we used the following data sources to as input files to construct the (a priori) information for the model: satellite Aqua-AIRS water vapor and temperature profiles; Aura-MLS stratospheric ozone profiles (version 1.5), TEMIS climatological ozone profiles and the simultaneously performed surface ozone measurements. Ozone total columns obtained from our FTIR observations for year 2006 with MODTRAN4 modeling are matching rather well with OMI-TOMS and OMI-DOAS data where standard errors are 0.68% and 1.11%, respectively. AURA-MLS data which have become available in 2007 allow us to retrieve tropospheric ozone profiles.

연구 동기 및 목표

• 지역적 중위도 도시 환경에서 지상 기반 FTIR 관측을 통해 OMI 위성 오존 데이터의 타당성을 검증한다.
• 위성 및 지표면 데이터와 결합한 FTIR 측정을 통해 대류권 오존 프로파일을 추출한다.
• 키이우 지역에서 대류권 오존의 일일 광화학 변동성과 야간 혼합 과정을 분석한다.
• 다양한 대기 조건 하에서 MODTRAN4 모델링의 오존 총량 및 프로파일 추출 정확도와 신뢰성을 평가한다.
• 지역 대기질 및 기후 모델링을 위한 장기적인 지상 기반 참조 데이터셋을 구축한다.

제안 방법

• 현대화된 Infralum FT 801 분광계(2–12 μm, 약 1 cm⁻¹ 해상도)를 사용한 지상 기반 FTIR 직접 태양 관측을 수행하였다.
• 측정된 스펙트럼으로부터 총 오존 총량과 프로파일을 추출하기 위해 HITRAN-96 데이터베이스를 활용한 MODTRAN4 복사열전달 모델링을 적용하였다.
• Aqua-AIRS(수증기, 온도), Aura-MLS(오존, 버전 1.5), TEMIS 기후학적 기초 프로파일, 현장에서 측정한 지표면 오존 측정치를 사전 대기 프로파일로 통합하였다.
• FTIR 추출 결과의 검증을 위해 OMI-DOAS 및 OMI-TOMS 총 오존 총량을 기준으로 사용하였다.
• 가용한 경우, 추출된 대류권 프로파일을 Aura-TES 데이터와 비교하여 검증하였다.
• 차분 광학 흡수 원리를 사용하여 9.6 μm 오존 밴드 전체에 걸쳐 스펙트럼 피팅을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 FTIR로 유도된 총 오존 총량은 키이우 지역에서 OMI-DOAS 및 OMI-TOMS 위성 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ2 운명 및 대기 조건은 FTIR 오존 추출 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 FTIR 데이터로 추출된 대류권 오존 프로파일은 Aura-MLS 및 Aura-TES 관측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 대류권 오존 변동성에 영향을 주는 일일 광화학 반응 및 동역학 과정은 무엇인가?
• RQ5 사전 자료를 활용한 MODTRAN4 모델링은 도시 모니터링을 위한 신뢰할 수 있는 대류권 오존 프로파일을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• FTIR로 유도된 총 오존 총량은 OMI-DOAS 데이터와 평균 편향 −8에서 −10 DU를 보이며, 약 2%의 작은 표준 오차를 나타냈다.
• OMI-TOMS 및 OMI-DOAS 데이터는 각각 FTIR 결과와 비교할 때 표준 오차가 0.68% 및 1.11%로 나타나 강한 일치를 보였다.
• MODTRAN4와 사전 자료를 활용한 오존 프로파일 추출은 일일 광화학 변동성을 드러내었으며, 이는 아침에 NOx에 의한 오존 소모(타이트레이션)와 오후에 농도 증가를 포함한다.
• 야간 혼합 과정이 대류권 오존 프로파일에서 관측되었으며, 이는 수직 재분포를 의미한다.
• Aura-TES 데이터가 없는 날에는 TEMIS 월간 기후학적 프로파일이 대체로 사용되어 지속적인 프로파일 추출이 가능했다.
• 본 연구는 지상 기반 FTIR와 MODTRAN4, 다중 소스 사전 자료를 결합한 방식이 정기적인 대류권 오존 모니터링에 실현 가능함을 확인하였다.