如何将Sentinel-5p / TROPOMI垂直柱密度转换为浓度?

Question

我正在研究Sentinel-5p TROPOMI图像。我想把摩尔/米的数据转换成²μg / m^3.，为此，我知道我需要测量的高度数据。我已经找过了，我只找到了对流层臭氧(6公里)，你知道CO和SO吗₂也没有₂纵列的高度?

非常感谢，Irene B。

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哨兵产品为你提供了不同的层，正如你在图像中看到的，二氧化氮提供了一层对流层数据，另一层平流层数据……通过进行这种分离，他们不应该假设数据被层分隔的列的高度有一个限制吗?我知道这些极限的高度可以变化，但我想达到一个近似的平均值。

Answer 1

单位摩尔/ m²有每个面积的尺寸数;单位µg / m³表示每体积的质量。从单位面积的量到单位体积的量，你需要了解仪器的一些特性。

Sentinel-5P上的光谱仪是TROPOMI。TROPOMI是一个成像光谱仪，这意味着它可以测量不同波长的大气顶部电磁辐射的光谱。这样的频谱(“一级数据”)可能是这样的:

资料来源:Hu et al. (2016)， DOI:10.5194/amt-2016-108, CC-BY 3.0

原标题:

模拟近红外和SWIR通道中的TROPOMI光谱，

对于大多数用户来说，这些光谱并不容易显示他们真正感兴趣的是什么。然而，从这些光谱可以计算出大气中各种微量气体的组成，因为每种气体都有其独特的光谱特征。这是如何工作的太复杂了，无法在堆栈交换的答案中解释，但在教科书和大学课程中有涉及。江南电子竞技平台

对于像TROPOMI这样向下看的仪器，很难解析垂直信息。对于某些物种(一些微量气体)，我们可能有一个粗略的概念，计算出的数量是接近表面还是接近大气顶部，对于其他物种，我们真的只有一个关于总柱量的线索(意味着表面和卫星之间的总量)。因此，当数据产品报告列积分量时，不可能将其分配到特定的高度。

然而，检索对某些高度可能比其他高度更敏感。也许它主要看到的是列的顶部，也许主要是底部。一种表达方法是求核的平均值。平均核告诉你总列测量的高度是最敏感的:

来源:Borsdorff等人(2018)，DOI:10.5194/amt-11-5507-2018, CC-BY 4.0

原标题:

2017年11月10日TROPOMI CO总列平均粒数。全球平均云量显示了三种不同类型的云量:严格的云层清除(黑色)、晴空(黄色)和高光学厚云(蓝色)。标准偏差用误差条表示。

这是什么意思?首先，平均核是情况相关的。也许这就是为什么你被告知你需要逆温层的高度，但更可能的是人们会使用逆温层的高度模型使用模拟大气化学和动力学的模型，确定某些物种可能存在的位置。这里显示的数字显示了全球平均这些平均的一天的内核(至少是它所声称的;更有可能的是，它显示的是所有测量的平均值，这并不严格相同，因为仪器对一些地方的采样比其他地方多)。其次，它非常广泛。黑线表示晴空万里的情况。平均核相当平坦，这意味着不同高度的CO对总列量的贡献几乎相等。蓝色的线显示出对大气上层更敏感，但那是因为下层被云层遮蔽了。

在这种情况下，没有垂直高度可以将摩尔/m²转换为µg/m³。我认为你可以估算出一层大气的质量，但更传统的是用摩尔/m²来表示，就像你的资料所做的那样。或者你可以使用大气化学模型，根据各种特征来估计可能的垂直分布。我不是一个大气化学家，所以我不能说很多关于它是如何工作的。

一些平均的内核看起来更窄(注意:不是TROPOMI)。我认为这是关于不同渠道的模拟气溶胶回收:

来源:Colosimo等人(2015)，DOI:10.5194/amtd-8-11853-2015, CC-BY 3.0

原标题:

平均内核与高度的例子。模拟的光谱分辨率为∆ν = 0.01 cm−1,FWHM = 0.05 cm−1，太阳天顶角SZA = 45•，仪器视角离地30•。AK有不同海拔高度的颜色编码。在右边，显示了0到12公里之间的缩放。

在这种情况下，可以获得一些垂直解析的信息。

要真正获得垂直分辨的信息，您需要使用分支测深器。四肢测深仪不是向下看，而是看着地平线，上下扫描。每次测量都只能看到大气的一个狭窄的垂直截面。但是，它的水平分辨率较差，时间采样也较差。在太阳掩星的特殊情况下，信噪比变得非常高，但任何给定的位置每年只能测量大约两次。比较这三者是可能的。从个人经验来看，我可以告诉你，这对任何科学家来说都是一个挑战:)

后续的问题

哨兵产品为你提供了不同的层，正如你在图像中看到的，二氧化氮提供了一层对流层数据，另一层平流层数据……通过进行这种分离，他们不应该假设数据被层分隔的列的高度有一个限制吗?

是的，他们应该这样做。他们有不同的通道，对不同的高度敏感，但这种敏感性仍然相当广泛。例如，也许他们有一个对0-8公里、2-10公里、4-14公里、6-16公里、8-20公里、10-30公里敏感的信道，然后用数值方法估计0-12公里和12-30公里的部分列。如果我看到这样的说法，我会仔细研究描述检索方法的论文，看看他们是如何精确计算他们所谓的对流层和平流层数据的。我还没有读过关于TROPOMI的论文，但作为一个前景看好的光谱仪，它不会是一个明显的截止点。也许用户指南有一些信息可以帮助垂直归因?

Answer 2

你的建议在理论上可行，但在实际中行不通。污染物的浓度在整个大气中垂直变化，因此计算代表垂直平板的平均浓度的单一值本质上是有缺陷的。试图选择一个仅代表边界层的垂直高度也将不起作用，因为卫星检索对自由对流层敏感，而不是表面。有时还需要处理垂直列的“云以下”部分，这完全基于模型数据。如果TROPOMI VCD产品可以很容易地转化为表面浓度，他们早就这样做了，并将其作为一种产品提供。

作为美国航空航天局说：

卫星能测量“鼻子水平”的浓度吗?简而言之，答案是“不”，因为大多数用于测量AQ界感兴趣的污染物的卫星仪器都是向下观测的，只能提供有关污染物在大气中的垂直结构的有限信息。测量臭氧、二氧化氮、甲醛和二氧化硫的卫星仪器可以检测仪器和地球表面之间的分子数量(即垂直柱密度或VCD)。

你可能会发现SO2和CO层具有一定的混合比例“剖面”，但与表面测量相比，它真的很差。然而，你可以整合探空测量得到的东西可以与VCD，如果你使用平均内核．您还可以使用TROPOMI平均内核计算一个建模的VCD(例如从CMAQ或其他CTM)，然后与卫星检索比较。

垂直浓度剖面假设是进入列检索的算法的一部分。因此，从VCD中获得表面浓度的任何尝试本质上都是基于模型数据，对实际的表面浓度不敏感。

更复杂的是，你的表面测量结果会随着时间的变化而变化，因为当地的来源(比如附近的空气棚)、气象学和光化学。您的VCD检索将在一个大的多公里区域内每天进行一次时间步骤，这将取决于表面反照率，云量，季节，以及探测器上使用的像素，探测器的年龄等. ...即使列本身保持不变。另一个因素是对清洁大气的敏感性，因为如果大气没有受到严重污染，辐射信号就不会很强，基本上你看到的就是噪音。

看看这些同行评议的论文，它们与表面测量进行了比较，但没有试图将VCD转换为表面浓度:

• 在冠状病毒大流行期间，利用Sentinel-5P卫星图像对欧洲上空的二氧化氮(NO2)污染进行监测
• TROPOMI/Sentinel-5前体NO2观测结果与赫尔辛基地面测量结果的比较

你可以看到这篇相关的文章:

• 根据卫星观测得出的封锁措施对空气质量影响的有缺陷估计

如果你真的想进入兔子洞，你可以看到TropOMI使用机器学习来估计表面NO2的努力:

• 利用机器学习方法从TROPOMI卫星观测估计德国表面NO2浓度