Waarnemingen van NO2 in 2 dimensies vanaf de grond voor satellietvalidatie

Luchtkwaliteit
Tweedimensionale (2-D) MAX-DOAS waarnemingen van stikstofdioxide (NO2) kunnen bijdragen tot een betere karakterisering van de horizontale verdeling van deze belangrijke luchtvervuilende stof. De BIRA-onderzoeksgroep “UV-zichtbaar licht waarnemingen” heeft een nieuwe strategie ontwikkeld voor het afleiden van NO2-concentraties nabij het aardoppervlak en verticale kolomdichtheden van troposferisch NO2 in verschillende azimutale richtingen en heeft dit toegepast op data van het MAX-DOAS station te Ukkel. Dit onderzoek draagt sterk bij aan de verbetering van de interpretatie van NO2-satellietwaarnemingen boven stedelijke gebieden.

Een nieuwe strategie voor het lokaal afleiden van NO2

Een nieuwe strategie voor het afleiden van NO2-concentraties nabij het aardoppervlak en troposferische kolomdichtheden (VCD’s) in verschillende azimutale richtingen werd ontwikkeld door het BIRA en toegepast op één jaar data (maart 2018 - maart 2019) van 2-D MAX-DOAS-waarnemingen, uitgevoerd te Ukkel (Brussel, België).

De instrumentconfiguratie bestaat uit twee submodi:

  1. een hoogte-scan in een vaste hoofdrichting die naar het noordoosten wijst
  2. verschillende azimutale scans in een vaste, lage hoogtehoek (2° boven de horizon)

Door toepassing van een verticaal profielinversie-algoritme in de hoofdrichting, en een parametreringstechniek in de andere azimutrichtingen kunnen NO2-concentraties nabij de grond VCD’s afgeleid worden in tien verschillende richtingen rond de Pool Ruimte te Ukkel en wordt er op die manier rekening gehouden met sterke variabiliteit in de horizontale NO2-verdeling.

Validatie van de resulterende NO2-concentraties nabij de oppervlakte in Brussel

In een eerste fase werden de prestaties van de nieuwe strategie geverifieerd aan de hand van bijkomende data. Uit een vergelijking van de 2-D MAX-DOAS NO2 concentraties nabij het oppervlak met in-situ metingen van het luchtkwaliteit-netwerk te Brussel is gebleken dat beide instrumenten sterk gecorreleerd zijn, maar dat de in-situ stations systematisch hogere NO2 concentraties meten. De verschillende verticale en horizontale representativiteit van beide meettechnieken verklaart deels deze bevindingen.

Vervolgens werd de seizoensgebonden NO2-variabiliteit in Brussel onderzocht: hogere NO2-concentraties worden waargenomen tijdens de herfst en winter als gevolg van sterkere emissies en de langere levensduur van NO2 bij lagere temperaturen.

Validatie van TROPOMI troposferische NO2-kolommen boven Brussel

In het tweede deel van de studie werden 1 jaar aan Sentinel-5P/TROPOMI troposferische NO2-kolommen, gemeten boven Brussel, gevalideerd door middel van de MAX-DOAS troposferische NO2 VCD’s. Het gebruik van MAX-DOAS VCD’s in meer dan één richting verbetert sterk de ruimtelijke co-locatie met S-5P/TROPOMI waarnemingen, en dus de validatieresultaten.

Ondanks deze verbetering blijkt echter dat S-5P/TROPOMI de MAX-DOAS kolommen nog steeds systematisch onderschat. Het vermogen van het MAX-DOAS instrument om informatie te verschaffen over de verticale NO2-profielen, naast de betere horizontale distributie, toonde aan dat deze onderschatting door de satelliet te wijten is aan het gebruik van een ontoereikende NO2 verticale profielvorm over sterk vervuilde, stedelijke gebieden zoals Brussel.

 

Referentie:

Dimitropoulou, E., Hendrick, F., Pinardi, G., Friedrich, M.M., Merlaud, A., Tack, F., De Longueville, H., Fayt, C., Hermans, C., Laffineur, Q., Fierens, F., and Van Roozendael, M. (2020). Validation of TROPOMI tropospheric NO₂ columns using dual-scan multi-axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) measurements in Uccle, Brussels. Atmospheric Measurement Techniques, 13(10), 5165-5191. https://doi.org/10.5194/amt-13-5165-2020 Open Access Logo

NO2 Brussel Max-Doas versus Tropomi
Deze figuur illustreert de horizontale metingen in de verschillende kijkrichtingen die door het 2-D MAX-DOAS systeem te Ukkel zijn uitgevoerd, gesuperponeerd op TROPOMI grondpixels, zoals gemeten te Brussel op 6 juni 2018. Meerdere TROPOMI-pixels vallen samen met een MAX-DOAS meting in één bepaalde azimutale richting, wat de hoge ruimtelijke resolutie van TROPOMI en de uitdagingen met betrekking tot de validatie ervan demonstreert. De waarden van de NO2 VCD’s worden aangegeven door de kleurenschaal rechtsonder in de figuur.
Max-Doas instrument opstelling Brussel
Deze figuur illustreert de 2-D experimentele opstelling van het MAX-DOAS instrument van het BIRA in Ukkel, België (linkerpaneel). De lijnen stellen de 2-D MAX-DOAS kijkrichtingen voor, die kleurgecodeerd zijn volgens de twee sub-modes van de volledige meetscan. Het rechterpaneel toont het 2-D MAX-DOAS instrument van het BIRA, geïnstalleerd op het dak van het Koninklijk Meteorologisch Instituut (KMI) in Ukkel, België.