[论文解读] Tropospheric ozone columns and ozone profiles for Kiev in 2007

А. В. Шаврина, Ya. V. Pavlenko+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2010

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 8被引用 3

一句话总结

本研究基于2007年3月至10月乌克兰基辅的地面FTIR测量，利用Aqua-AIRS和Aura-MLS卫星数据及地面臭氧数据作为输入，结合MODTRAN4辐射传输模型，对对流层臭氧柱浓度和垂直分布进行了测量。FTIR反演的总臭氧柱浓度与OMI-DOAS（偏差：−8至−10 DU，标准误差约2%）和OMI-TOMS（标准误差0.68%）结果高度一致，验证了该方法在区域臭氧监测中的有效性，并实现了对对流层光化学过程和混合过程的逐日分析。

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.

研究动机与目标

• 利用中纬度城市环境中的地面FTIR观测，验证OMI卫星臭氧数据。
• 结合FTIR测量与卫星及地面数据，反演对流层臭氧垂直分布。
• 分析基辅地区对流层臭氧的逐日光化学变异性及夜间混合过程。
• 评估MODTRAN4模型在不同大气条件下对臭氧柱浓度和垂直分布反演的准确性与可靠性。
• 为区域空气质量与气候建模建立长期地面真实数据集。

提出的方法

• 使用现代化的Infralum FT 801光谱仪（2–12 μm，分辨率约1 cm⁻¹）进行地面FTIR直接太阳观测。
• 应用MODTRAN4辐射传输模型与HITRAN-96数据库，从实测光谱中反演总臭氧柱浓度与垂直分布。
• 引入Aqua-AIRS（水汽、温度）的先验大气廓线、Aura-MLS（平流层臭氧，版本1.5）、TEMIS气候学数据以及现场地面臭氧测量数据作为先验信息。
• 采用OMI-DOAS与OMI-TOMS的总臭氧柱浓度作为参考，验证FTIR反演结果。
• 在可用时，将反演的对流层臭氧廓线与Aura-TES观测进行对比验证。
• 利用差分光学吸收原理，在9.6 μm臭氧吸收带范围内进行光谱拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 地面FTIR反演的总臭氧柱浓度与OMI-DOAS和OMI-TOMS卫星数据在基辅地区的一致性如何？
• RQ2 云量和大气条件对FTIR臭氧反演精度有何影响？
• RQ3 利用FTIR数据反演的对流层臭氧廓线与Aura-MLS和Aura-TES观测结果相比如何？
• RQ4 哪些逐日光化学与动力过程影响了基辅地区对流层臭氧的变异性？
• RQ5 结合先验数据的MODTRAN4模型能否为城市监测提供可靠的对流层臭氧廓线？

主要发现

• FTIR反演的总臭氧柱浓度相对于OMI-DOAS数据的平均偏差为−8至−10 DU，标准误差约为2%。
• 与FTIR结果相比，OMI-TOMS和OMI-DOAS数据的标准误差分别为0.68%和1.11%，表明两者具有高度一致性。
• 利用MODTRAN4和先验数据反演的对流层臭氧廓线揭示了逐日光化学变异性，包括清晨NOx对臭氧的消耗（臭氧抵消）及午后臭氧浓度升高。
• 在对流层臭氧廓线中观测到夜间混合过程，表明存在垂直重分布。
• 对于无Aura-TES数据的日子，采用TEMIS月度气候学廓线作为替代，实现了连续的廓线反演。
• 本研究证实，结合MODTRAN4与多源先验数据的地面FTIR技术，可实现对流层臭氧的常规监测。